22382

Искажения, вносимые в усилителе

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Искажения импульсных сигналов. Искажения вносимые в усилителе 8. Линейные искажения К линейным относят искажения: частотные вызваны неодинаковостью усиления различных частотных составляющих входного сигнала рис.

Русский

2013-08-04

229.5 KB

77 чел.

Лекция 8

Содержание лекции

Искажения в усилителе. Оценка искажений. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ). Фазо-частотная характеристика (ФЧХ). Искажения импульсных сигналов.

8. Искажения, вносимые в усилителе

   8.1. Линейные искажения

К линейным  относят искажения:

  •  частотные  — вызваны неодинаковостью усиления различных частотных составляющих    входного сигнала (рис.8.1 и 8.2);
  •  фазовые  —  возникают вследствие внесения в УУ дополнительных фазовых сдвигов между гармоническими составляющими выходного сигнала.

Пример (рис.8.1 и 8.2)

Пусть входной спектр такой

При линейных искажениях выходной спектр может стать, например, таким

Рис.8.1.Входной спектр усиливаемого сигнала      Рис.8.2.Входной спектр усиливаемого сигнала

Неравномерность усиления (различные коэффициенты усиления) каждой частоты и вызывают частотные искажения.

8.2.Нелинейные искажения

Нелинейные искажения: искажения, вызванные нелинейностью характеристик усилительных каскадов (рис.8.3); они приводят к искажению формы выходного сигнала (в усилителе  звуковой частоты проявляются в виде хрипов).

Рис.8.3.Механизм возникновения нелинейных искажений

При нелинейных искажениях на выходе усилителя появляются новые частотные составляющие.

8.3.Оценка нелинейных искажений

Нелинейные искажения оценивают коэффициентом нелинейных искажений (или коэффициентом гармоник):

,  где  P2, P3, ..., PN - мощности появившихся гармоник,   P1 - мощность усиливаемой гармоники.

    При активной нагрузке (т.е. нагрузка для всех гармоник одинакова)     можно использовать формулы:

    или         .

Нелинейные искажения используются в генераторах для получения необходимых частот.  Например, искажают с помощью усилителя частоту 400 кГц, а затем усилив третью гармонику и подавив основную, получают на выходе частоту 1200 кГц.

8.4.Оценка частотных искажений

    Частотные искажения появляются вследствие наличия в схемах усилителей реактивных элементов и также из-за частотных свойств транзисторов, микросхем и т.д. Частотные искажения оценивают по амплитудно-частотной характеристике (АЧХ).

 АЧХ –это зависимость модуля коэффициента усиления от частоты .

На рис.8.4 представлены идеальная и реальная АЧХ.

Часто пользуются нормированной АЧХ, в которой по оси ординат откладываем К(f)/Кср, где Кср – коэффициент усиления на  средних частотах.

Рис.8.4.Идеальная АЧХ и АЧХ усилителя звуковой частоты

Среднюю частоту определяем из соотношения:    .

Для УПТ fср = 0, для УЗЧ  fср = 1 кГц.

    Нормированная АЧХ показана на рис. 8.5.

Рис.8.5.Нормированная АЧХ

Искажения оценивают на заданной частоте  по формуле М = К ср f, где М – коэффициент частотных искажений; К ср - коэффициент усиления на средней частоте; К f - коэффициент усиления на  данной частоте f.

Если искажения оценивают в дБ, то

                                  МдБ = 20 lg Kср/Kf = 20 lg M.                                                 

Для многокаскадного усилителя     

                                   М = М1. М2 ...Мn   

или                         Мдб = М1дБ + М2дБ + МnдБ.

    Если мы говорим о полосе усиливаемых частот, то на АЧХ это выглядит, например, так (рис. 8.6):

Рис.8.6.Полоса усиливаемых частот для УЗЧ (на уровне 3дБ)

Для 3дБ коэффициент усиления падает в 1,4 раза. Это и будет прямая на уровне 0,707. По ней мы и определим fн и fв.

Замечание. Иногда АЧХ искажают, чтобы получить для всего устройства требуемую АЧХ.

Это, например, необходимо в микрофонном усилителе, когда АЧХ микрофона имеет вид как на рис. 8.7,а. Для получения характеристики на выходе, показанной на рис. 8.7,в, необходимо, чтобы усилитель имел характеристику, показанную на рис. 8.7,б.

Рис.8.7  –  Способ получения требуемой АЧХ всего  устройства

8.5.Оценка фазовых искажений

Фазовые искажения оцениваются по фазочастотной характеристике (ФЧХ)  усилителя.

ФЧХ - это зависимость сдвига фаз между выходным и входным  напряжениями усилителя от частоты.

Фазовые искажения возникают  из-за наличия в усилителе реактивных элементов.

Типичная ФЧХ приведена на рис.8.8.

Рис.8.8 – Типичная фазо-частотная характеристика

В УЗЧ фазовые искажения особой роли не играют. Однако в усилителях импульсных сигналов эти искажения учитываются обязательно.

Проявление фазовых искажений рассмотрим на примере (смотри рис. 8.9). Пусть происходит усиление несинусоидального сигнала, состоящего из двух гармонических составляющих. Допустим, что при прохождении сигнала через усилитель фаза второй гармоники изменилась на четверть периода. При этом форма выходного сигнала существенно изменилась.

Форма кривой не искажается, если фазовый сдвиг, вносимый усилителем, изменяется прямо пропорционально частоте. Покажем это.

Если входное напряжение               

где  - сдвиг фазы соответствующей гармоники, а вносимый усилителем на частоте n-ой гармоники фазовый сдвиг прямо пропорционален частоте:

,

то  .

Сравнение выражений и показывает, что выходной сигнал смещен относительно входного на время τ, взаимные фазовые соотношения составляющих не изменились, что означает сохранение прежней формы сигнала.

8.6.Связь АЧХ усилительных устройств с их полосой пропускания

В идеальном усилителе (т.е. в усилителе, не вносящим искажения в усиливаемый сигнал) модуль коэффициента усиления по напряжению должен оставаться постоянным во всем диапазоне частот от нуля до бесконечности, а фазочастотная характеристика должна иметь вид прямой линии (рис. 8.10). В реальных усилителях диапазон рабочих частот ограничен сверху или снизу.

        В зависимости от вида амплитудно-частотной характеристики различают:

  •  усилители постоянного тока (УПТ)
  •  усилители   переменного тока
  •  избирательные усилители

Рис.8.10.АЧХ и ФЧХ идеального усилителя

Диапазон рабочих частот (полоса пропускания) усилителя постоянного тока простирается от 0 до fB, на которой коэффициент усиления уменьшается в  раз по сравнению с коэффициентом усиления в области средних частот:

Частоту fВ называют верхней граничной частотой усилителя.

В усилителях переменного тока полоса пропускания ограничена как сверху, так и снизу. Частоту fН, на которой KU(fН)=0,707 KU(fCP), называют нижней граничной частотой усилителя.

АЧХ различных усилителей и их полосы пропускания приведены в табл.8.1

        Таблица 8.1.

Усилитель постоянного тока. Полоса пропускания ограничена.

Усилитель переменного тока. Полоса пропускания ограничена как сверху, так и снизу.

Избирательный усилитель. Усиливает в узкой полосе частот.

Избирательные усилители усиливают сигналы лишь в узкой полосе частот, что достигается с помощью RC- или LC-цепей. В последнем случае избирательные усилители называют резонансными.

8.7.Искажения импульсных сигналов

Рассмотрим идеальный прямоугольный импульс (рис.8.10). Это   модель математическая.  На самом же деле из-за наличия реактивностей реальный импульс имеет несколько другой вид (например, на выходе усилителя – рис.8.10).

Рассмотрим параметры видеоимпульса:

tф - длительность переднего фронта (фронта);

tс - длительность заднего фронта (среза);

tи - длительность импульса;

um - амплитуда импульса;

um- спад вершины импульса;

tи - измеряется либо на уровне 0,1Um, либо 0,5Um;

tф - это время появляется за счет заряда входной емкости, т.е. импульс достигает максимального значения, когда емкость зарядится;

tс - это время определяется временем разряда этой же емкости

Рис.8.10.Идеальный и реальный прямоугольный импульс (видеоимпульс) и его параметры

Длительности фронтов определяются ВЧ-составляющими спектра, а спад вершины - НЧ-составляющими спектра.  

Для примера на рис. 8.11 приведены две  зависимости, показывающие искажения импульсов при отсутствии ВЧ и НЧ составляющих спектра.

Рис. 8.11.  Искажение формы прямоугольного импульса при отсутствии:

ВЧ составляющих спектра (а) ; НЧ – составляющих спектра (б) .

    

При анализе усилителей видеосигналов необходимо использовать теорию анализа переходных процессов, а также переходные характеристики.

Фазовые искажения оценивают по отклонению реальной и идеальной ФЧХ.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Определите коэффициент нелинейных искажений Кг, если на выходе     усилителя появляются высшие гармонические составляющие тока с     амплитудой I=5мА,  I=3,32мА  ( I=100мА ).

2. Дайте объяснение появлению нелинейных искажений в усилителе и     приведите основные расчетные соотношения.

3.Определите в дБ коэффициент частотных искажений Мн, если на нижней граничной частоте рабочего диапазона коэффициент усиления равен 25, а на средней частоте – 30.

4.Определите коэффициент усиления Кср на средних частотах, если на низшей частоте рабочего диапазона Кн=40. Коэффициент частотных искажений Мн =1,1.

5.Какие искажения относят к линейным?

6.Изобразите АЧХ и ФЧХ идеального усилителя и УНЧ.

Результирующий сигнал

Результирующий сигнал

1-я гармоника

-я гармоника

U

U

t

t

1-я гармоника

3-я гармоника

t

t

U

U

Рис.8.9 – Влияние фазовых сдвигов на результирующий сигнал

Идеальная

Реальная

а)

б)

в)


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

9790. Файлы. Файловые переменные и типы 102.5 KB
  Файлы В языке Pascal под ФАЙЛОМ понимается область памяти на внешнем запоминающем устройстве, способная хранить некоторую совокупность информации. В эту область внешней памяти можно как поместить определенные данные, так и извлечь их из нее. Эти де...
9791. Основные этапы решения задачи с помощью ПК 84.5 KB
  Основные этапы решения задачи с помощью ПК При решении любой задачи на ПК предполагается, что некоторая информация подвергается обработке по предварительно составленной инструкции, называемой программой. Поэтому под решением задачи на ПК подразумева...
9792. Составной оператор. Условный оператор 72 KB
  Составной оператор Простейший оператор который задает последовательное выполнение операторов, входящих в него один за одним. Применяется тогда, когда синтаксис языка Паскаль допускает использование только одного оператора, в то время ка...
9793. Ввод-вывод данных 44 KB
  Ввод-вывод данных Вывод данных: WRITE(x1,x2,x3) WRITELN(x1,x2,x3) Вывод завершается переводом курсора на новую строку. x1,x2,x3 - список выражений. Каждое выражение может иметь один из трех видов: e e:m e:m:n...
9794. Описание типов. Типизированные константы 117 KB
  Описание типов В простейшем случае тип переменной указывается при ее описании явно. Однако Pascal допускает отдельное определение типа. Иными словами, можно сопоставить типу некоторое имя и в дальнейшем вместо явного указания типа использовать введе...
9795. Работа с массивами 70.5 KB
  Работа с массивами Постановка задачи Задан массив M=(3,4,5,-6,3,8,1,-5,-4,9). Найти сумму, произведение всех элементов массива количество положительных, отрицательных элементов номер максимального и минимального элементов массива. Алгоритм решения...
9796. Задача поиска. Линейный поиск (последовательный поиск) 48.5 KB
  Задача поиска Постановка задачи: Задан массив содержащий n фамилий. Необходимо определить существует ли в этом массиве заданная фамилия. Если существует, необходимо вывести её номер, иначе сообщить об её отсутствии. Линейный поиск (последовательный ...
9797. Процедуры и функции. Блочная структура программы 112.5 KB
  Процедуры и функции. Блочная структура программы Введение Систематический подход к программированию предполагает повышенное внимание к аспектам, связанным со структурой программы. Представление программы как совокупности (иерархии) относительно обос...
9798. Принятие решений в условиях риска, Эффективность выпуска новых видов продукции 66 KB
  Принятие решений в условиях риска. Элементы неопределенности, присущие функционированию и развитию многих экономических процессов, обуславливают появление ситуаций, не имеющих однозначного исхода (решения). Это обстоятельство усложняет процесс...