В процессе усиления устройство не должно изменять формы кривой сигнала. Однако по разным причи­нам форма кривой колебаний на выходе усилителя может отличаться от формы кривой на входе, т.е. усилитель вносит искажения сигнала. При воспроизведении звука эти искажения влияют на его тембр и

час­тоту, в телевизионных устройствах искажается изображение и т.д.

В зависимости от причины появления искажений их делят на линейные (частотны и фазовые, обусловленные реактивными элементами сопротивлениями) и нелинейные.

Вносимые усилителем частотные искажения оценивают по ампли­тудно-частотной характеристике (АЧХ).

Амплитудно-частотной характеристикой называется зависи­мость модуля коэффициента усиления от частоты. Для простоты её называют частотной характеристику. Она представляет собой графическое изображение зависимости коэффициента усиления от час­тоты входного сигнала. На оси ординат частотной характеристики откладывают значение коэффициента усиления в линейном масштабе, а на оси абсцисс - значение частоты входного сигнала в

логарифмическом масштабе, так как диапазон частот входного сигнала часто оказывается очень широким.

На рисунке 1.5, а прямой линией 1 показана идеальная частотная характеристика усилителя, не вносящего частотных искажений; кри­вой 2 - реальная характеристика усилителя, ослабляющего (срезающего) нижние и верхние частоты заданного диапазона.

Количественно частотные искажения оцениваются коэффициентом частотных искажений М, который является отношением коэффициента усиления на средних частотах К ср. к коэффициенту усиления на за­данной частоте K f .

M=K cp /K f . (1.18)

Рисунок 1.5 - Амплитудно - частотная характеристики

усилителя (АЧХ)

В усилителях звуковой частоты за среднюю частоту обычно прини­мают 400Гц или 1000 Гц.

Общий коэффициент частотных искажений многокаскадного уси­лителя равен произведению частотных искажений отдельных каскадов:

М общ.= M 1 М 2 М 3 ·... ·М п, (1.19)

Коэффициент частотных искажений может быть выражен также
и в логарифмических единицах:

M [ d Б] = 20·1gM , (1.20)

Для многокаскадного усилителя общий коэффициент частотных искажений в логарифмических единицах

М общ.= М 1 +M 2[ dB ]+....+M n (dВ). (1.21)

Рабочим диапазоном частот, или полосой пропускания, называется область частот от f H до f B в пределах, которой частотные искажения не превышает допустимой величины.

В области средних частот, коэффициент частотных искажений М=1 , на других частотах, на которых усиление меньше, чем на средних, М>1 (спад частотной характеристики). На частотах подъёма частот­ной характеристики М<1.

Допустимая величина частотных искажений определяется назначением усилителя. Так, например, в усилителях звуковых частот высше­го класса М не должен превышать 2 дБ при частотах от 30 Гц до 20 кГц . Если к усилителю не предъявляются какие-либо специальные требования, то рабочий диапазон частот

определяют на уровне 3 дБ ., т.е. границами полосы пропускания являются частоты, на которых коэффициент усиления уменьшается не более чем в √2=l,41 раза.

г- Фазовая характеристика усилителя. Зависимость угла сдвига по фазе между выходным и входным напряжением усилителя от частоты называется фазово-частотные (ФЧХ) или фазовой Фазовые сдвиги в усилителе возникают в результате наличия в нем реактивных элементах (индуктивностей, ёмкостей).

В идеальном усилителе все составляющие независимо от частоты их сдвигаются на одно и то же время. При этом взаимное расположение синусоид различных частот не изменяется. Поэтому и форма выходного сигнала не изменяется. В этом случае фазовая характеристика, выражающая прямую пропорциональную зависимость угла фазового сдви­га φ от частоты f, представляет собой прямую линию 1, как показало на рисунке 1.6.

Рисунок 1.6- Фазовая характеристика усилителя

В реальном усилителе значение угла сдвига по фазе зависит от частоты. И составляющая сигнала, имеющие разные частоты, оказыва­ются сдвинутыми на разные углы. Это искажает форму сигнала на выходе.

Фазово-частотная характеристика реального усилителя на рисунке 1.6 показана 2. При положительных значениях угла сдвига фазы выходной сигнал опережает входной, при отрицательных - выходной сигнал отстаёт от входного. Искажения формы выходного сигнала, вызываемого различным фазовым сдвигом

различных по частоте составляющих сигнала, назы­ваются фазовыми искажениями.

В усилителях сигналов звуковой частоты фазовые искажения не учитываются, так как на слух они практически не воспринимаются.

д – Переходная характеристика . В усилителях импульс­ных сигналов форма выходного напряжения зависит от переходных процессов установления токов и напряжений в цепях, содержащих реактивные элементы. Для оценки линейных искажений, называемых в импульсных переходными, удобно

пользоваться переходной харак­теристикой.

Переходной характеристикой усилителя называют зависимость

мгновенного значения напряжения или тока на его выходе от време­ни U вых = f(t) при подаче на вход единичного скачкообразного изме­нения напряжения или тока (единичной функции).

Наиболее часто на вход усилителя воздействует импульс прямо­угольной формы конечной длительности, как показано на рисунке 1.7

Рисунок 1.7 - Переходная характеристика усилителя

При подаче на вход усилителя прямоугольного импульса напряжение на выходе будет иметь искаженную форму на рисунке 1.7.

Переходные искажения разделяют на искажения фронта импуль­са и искажения плоской вершины импульса. Искажения фронта характеризуются:

Временем установления t yc . т.е. временем нарастания импульса от 0,1

Um до 0,9U макс;

Выбросом фронта импульса δ, определяемым отношением нап­ряжения

выброса ∆U к напряжению в установившемся режиме U.

Допустимая величина переходных искажений определяется назна­чением усилителя.

е – Нелинейные искажения . Нелинейные искажения вызывают изменения формы кривой сигнала, вызванные нелинейностью характеристик элементов схемы усилителя (транзисторов, ламп, диодов, трансфор­маторов).

При нелинейных характеристик нет прямой пропорциональности между током и напряжениями, вследствие чего при синусоидальном сигнале на входе, выходной сигнал получается несинусоидальным. Чем больше нелинейность используемого участка характеристики, т.е. больше отклонение её от прямой линии, тем сильнее искажается сиг­нал.

Появление нелинейных искажений в усилителях иллюстрируется графиком рисунок 1.8. При подаче синусоидального напряжения на базу транзистора в первый полупериод используется участок характеристики РБ, имею­щий большую

крутизну; поэтому кривая тока имеет большую амплиту­ду. Во второй полупериод используется участок РА, крутизна которого уменьшается с уменьшением напряжения базы; поэтому кривая входно­го тока получается притупленной.

Получающуюся вследствие нелинейных искажений несинусоидаль­ную кривую выходного сигнала можно разложить гармонические сос­тавляющие, или иначе, гармоники.

Рисунок 1.8 - Искажения формы выходного сигнала

Общий уровень нелинейных искажений количественно оценивается коэффициентом нелинейных искажений (коэффициентом

гармоник): _____

Кг= (V U 2 m2 +U 2 m3 +U 2 m4) / U m1 , (1.22)

где - U m1 ,U m2 ,иU m3 -амплитуды 1-й,2-й,3-й и т.д. гармоник выходного сигнала.

Практически имеют значение только вторая и третья гармоники, так они имеют наибольшую амплитуду сигнала, остальные гармоники имеют небольшие по величине амплитуды.

Ещё один вид нелинейных искажений обусловлен появлением в вы­ходном сигнале комбинационных частот, т.е. частот, получающихся как сумма или разность между любыми (в т.ч. и первыми) гармоника­ми различных сигналов, присутствующих на входе усилителя. Такие искажения принято называть интермодуляционными искажениями. На практике имею значения интермодуляционные искажения второго и третьего порядков (если f 1 и f 2 - частоты, присутствующие на входе, то интермодуляционные искажения второго

порядка обусловлены нали­чием на выходе усилителя сигналов с частотами f 1 ± f 2 , а интермодуля­ционные искажения третьего порядка- с частотами 2f 1 ±f 2 и 2f 2 ±f 1).

Коэффициентом интермодуляции называется отношение мощности интермодуляционных составляющих на выходе усилителя к минимально возможной выходной мощности полезного сигнала, превыша­ющий уровень собственных шумов усилителя.

Нелинейный искажения на слух практически незаметны, если коэффициент гармоник не превышает 0,2... 0,3%.

В усилителях многоканальной связи линейность должна быть высокой, чтобы гармоники и комбинационные частоты не попадали из одного канала в другой, т.е. чтобы не было перекрёстных искажений. В таких усилителях нелинейность оценивается затуханием а или же, затуханием нелинейности второй а 2 или а 3 гармоник:

a =20lgU m1 /(VU 2 m2 +U 2 m3); a 2 =20·1gU m1 /U m2 , a 3 = 20·1gU m1 /U m3 . (1.23)

ж- Коэффициент шума . Помехами называют посторонние, не связанные с сигналом и не зависящие от него напряжения на выходе включенного усилителя Помехи возникают в цепях усилителя по раз­ным причинам. Обычно их делят на тепловые шумы резисторов и про­водников, шумы усилительных элементов, шумы микрофонного эффек­та, фон переменного тока от источника электропитания и наводки от посторонних источников.

Тепловой шум активных сопротивлений создается хаотическим тепловым движением свободных электронов, которые можно рассматривать как ток, беспорядочно изменяющийся по величине и направле­нию при отсутствии внешнего напряжения.

Шумы усилительных элементов создаются из-за неравномерной
эмиссии или инжекции носителей заряда, неравномерного распределе­ния тока между электродами, теплового шума и других причин, зависящих от свойств и физических процессов при работе усилительного
элемента.

Шумы микрофонного эффекта возникают при механических воздействиях на элементы усилителя вибраций, звуковых волн, толчков, которые приводят к изменению расстояний между соединительными проводами во входных цепях или между электродами лампы и вызыва­ют изменения тока и появление на выходе напряжения шума. Транзисторы и печатный монтаж практически не обладают микрофонным эф­фектом; ему подвержены соединительные шланги, входные трансфор­маторы с пермаллоевым сердечником и монтаж, выполненный проводни­ками.

Помехи в виде фона переменного тока представляют собой колеба­ния с частотой, кратной частоте питающей сети (50, 100, 150Гц), и прослушиваются в громкоговорителе как гудение.

Наводками называют помехи, возникающие из-за наведения напряжения в цепях усилителя за счёт влияния внешних электрических и магнитных полей, токов утечки, гальванических связей.

Количественной оценкой шумовых свойств усилителя является коэффициент шума. Поэтому коэффициент шума определяется по формуле

К ш =1+Р ш.собст./(Р ш.вх.·К р), (1.24)

где- Р ш.собст. - собственная мощность шумов (мощ­ность добавляемых в сигнал

шумов);
Р ш.вх.- мощность шумов на входе усилителя;
К р - коэффициент усиления по мощности.

Коэффициент шума всегда больше единицы. Для нормального усиления напряжения сигнала должно превышать напряжение шума в 2..3 раза. Коэффициент К ш не определяет однозначно абсолютный уровень шумов на

выходе. Поэтому для оценки усилителей высокого класса важным параметром является отношение сигнал / шум, пред­ставляющее собой отношение выходного напряжения сигнала (при номинальной выходной мощности усилителя Р н.ном.) к суммарно­му напряжению шумов на выходе. В усилителях высокого класса отношение сигнал/шум составляет 60... 100 дБ (1000 и более раз).

з – Амплитудная характеристика усилителя представляет собой зависимость установившегося значения выходного напряже­ния сигнал от входа. Так как коэффициент усиления идеального уси­лителя, постоянная величина, не зависящая от величины входного сиг­нала, то его амплитудная характеристика - прямая, проходящая через начало координат, под углом, определяемым коэффициентом усиления усилителя (пунктирная линия на рисунке 1.9).

Амплитудная характеристика реального усилителя не проходит через начало координат, а изгибается при малых входных напряжениях, пересекая вертикальную ось в точке U п, так как в отсутствие входно­го сигнала выходное напряжение усилителя равно напряжению собственных шумов в его выходной цепи U п.

Рисунок 1.9 - Амплитудная характеристика усилителя

При слишком больших входных напряжений реальная амплитудная характеристика также расходится с идеальной, искривляясь из-за перегрузки усилительных элементов, содержащихся в схеме уси­лителя. Из рисунка 1.9 видно, что реальный усилитель может усили­вать подводимые к его входу сигналы с напряжением не ниже U вх.мин., так как более слабые сигналы будут заглушаться напряжени­ем собственных шумов усилителя U п и не выше U вх.макс., иначе усилитель будет вносить большие нелинейные искажения.

Отношение U в x .макс / U в x .мин. характеризуется диапазон напряжений сигнала, усиливаемых данных усилителем без чрезмерных помех и искажений, и называется динамическим диапазоном усилителя D y с.

D ус. = 20lg(U вх.макс./U вх.мин.). (1.25)

Для того чтобы при усиления минимального и максимального сигна­лов не возникло чрезмерных искажений, динамический диапазон уси­лителя должен быть не меньше динамического диапазона сигнала. В тех случаях, когда это условие выполнить не удается, диапазон сигнала сжимают с помощью ручной или автоматической регулировки усиления. Динамический диапазон магнитной фонограммы 40-50 дБ, студийных микрофонов и магнитофонов высокого качества - 60 дБ.

Особенностью нелинейных искажений является такое искажение фо рмы сигнала, при котором в его спектре появляются новые частотные составляющие.

Нелинейность усилителя вызывается наличием в нем нелинейных элементов (транзисторы, лампы, трансформаторы, диоды). Нелинейный элемент содержит нелинейные параметры (входные сопротивления транзисторов, диодов, динамическая магнитная проницаемость материала сердечника трансформатора).

Нелинейные искажения оцениваются на основе динамической характеристики, представляющей собой зависимость между мгновенными значениями токов или напряжений на выходе и входе усилителя. Динамическая характеристика определяется для больших пределов изменения сигналов, приводящих к заходу в области нелинейных зависимостей между напряжениями и токами.

Различают следующие виды динамических характеристик:

• 1. Выходная динамическая характеристика типа
• 2. Входная динамическая характеристика типа
• 3. Проходная динамическая характеристика типа
• 4. Сквозная динамическая характеристика типа

Здесь i 2 и u 2 - мгновенные значения токов и напряжений на выходе, i 1 и u 1 - мгновенные значения токов и напряжений на входе, e 1 - ЭДС источника сигналов на входе усилителя.

В качестве примера рассмотрим типичную по форме проходную характеристику используемую часто для расчета нелинейных искажений (рис. 1.14, а).

Рис. 1.14.

а) реальная, б) идеальная

Динамическая характеристика, соответствующая отсутствию вносимых усилителем искажений приведена на рис. 1.14, а.

При отклонении динамической характеристики от прямолинейной возникают нелинейные искажения. Основные нелинейные искажения вносят оконечные и предоконечные каскады, активные усилительные элементы в которых работают в режиме большого сигнала.

Методы количественной оценки нелинейных искажений

Величина нелинейных искажений может определяться:

• 1. непосредственно по форме динамической характеристики;
• 2. по спектру образующихся нелинейных искажений (гармоники, комбинационные частоты).

При оценке нелинейных искажений по первому способу, используемому в телевидении, величина искажений определяется отношением среднего изменения крутизны динамической характеристики, происходящего при колебаниях напряжения сигнала в пределах от u 1 max до u 1 min , к исходному значению крутизны при u 1 0 , равному tg , что соответствует коэффициенту нелинейных искажений

Сказанное поясняется рисунком 1.15.

Рис. 1.15.

При оценке нелинейных искажений по второму способу необходимо предположить, что:

• а) входной сигнал представляет собой установившееся гармоническое колебание определенной частоты;
• б) входной сигнал представляет собой установившиеся периодические колебания сложной формы.

Случаи (а) и (б) существенно отличаются как по характеру образующихся нелинейных искажений, так и в отношении методики их расчета и измерений.

В случае (а) вследствие нелинейности усилителя, помимо колебаний с частотой сигнала на входе образуются колебания гармоник с частотами, и т.д. При этом величина нелинейных искажений определяется коэффициентом гармоник К г, представляющим собой отношение суммарного действующего значения напряжения (или тока) гармоник к напряжению (или току) основной частоты.

Обычно коэффициент гармоник выражается в процентах таким образом:

Очевидно, что значение К г не изменяется, если вместо действующих значений напряжений или токов подставить в эти выражения их амплитудные значения. При чисто активном характере сопротивления нагрузки усилителя коэффициент гармоник, найденный из выражений (1.13) и (1.14), имеет одно и то же значение, так как напряжения и токи всех гармоник связаны между собой неизменной величиной сопротивления. При комплексном характере сопротивления нагрузки значения К г, найденные из указанных выражений, получаются различными, и следует использовать (1.13) или (1.14) в зависимости от того, что является в рассматриваемом случае существенным - нелинейные искажения напряжения или тока.

В любом случае коэффициент гармоник может быть выражен через отношение суммарной мощности гармоник к мощности основной частоты, т.е.

Допустимая величина коэффициента гармоник для усилителей звуковой частоты в зависимости от качества соответствующего тракта воспроизведения колеблется в пределах от 0,1% до (3...5)%. Особенно жесткие требования в отношении нелинейных искажений предъявляются к усилителям измерительной аппаратуры (К г порядка сотых и тысячных долей процента). В телевизионных усилителях нелинейные искажения, приводящие к изменению соотношения яркостей, могут быть значительной величины (Кг = 10... 15%), не оказывая существенного влияния на качество изображения. То же относится и к импульсным усилителям, использующим к тому же в ряде случаев ограничение сигналов по максимуму.

Нелинейные искажения.

Если на вход усилителя подано синусоидальное напряжение, то усиленное напряжение на выходе будет не синусоидальным, а более сложным. Оно состоит из ряда простых синусоидальных колебаний - основного и высших гармоник. Таким образом, усилитель добавляет лишние гармоники, которых не было на входе усилителя.

Рис.2 - Нелинейные искажения

На рис.2 показано синусоидальное напряжение на входе усилителя Uвx и искаженное несинусоидальное напряжение на выходе Uвых. В данном случае усилитель вносит вторую гармонику. На графике напряжения Uвых штрихом показаны полезная первая гармоника (основное колебание), имеющая одинаковую частоту со входным напряжением, и вредная вторая гармоника с удвоенной частотой. Выходное напряжение является суммой этих двух гармоник.
Искажения формы усиливаемых колебаний, т.е. добавление лишних гармоник к основному колебанию, называют нелинейными искажениями. Они проявляют себя в том, что звук становится хриплым, дребезжащим. Для оценки нелинейных искажений служит коэффициент нелинейных искажений kH, который показывает, какой процент составляют все лишние гармоники, созданные самим усилителем, по отношению к основному колебанию 1
Если kn меньше 5%, т. е. если добавленные усилителем гармоники в сумме составляют не более 5% первой гармоники, то ухо не замечает искажения. При коэффициенте нелинейных искажений больше 10% хриплость звука и дребезжание уже портят впечатление от художественных передач. При kH более 20% искажения недопустимы и даже речь становится неразборчивой.
Нелинейные искажения возникают и при усилении колебаний сложной формы при передаче речи и музыки. В этом случае также искажается форма усиливаемых колебаний и добавляются лишние гармоники. Сложные колебания сами состоят из гармоник, которые должны быть правильно воспроизведены усилителем. Их не следует путать с добавочными гармониками, которые создает сам усилитель. Гармоники входного напряжения являются полезными, так как они определяют тембр звука, а гармоники, внесенные усилителем,- 1 вредны. Они создают нелинейные искажения.
Причинами нелинейных искажений в усилителях являются: непрямолинейность характеристик ламп и транзисторов, наличие тока управляющей сетки в лампах и магнитное насыщение сердечников трансформаторов или дросселей низкой частоты. Значительные нелинейные искажения создаются также в громкоговорителях, телефонах, микрофонах, звукоснимателях.
3. Другие виды искажений . Наличие в усилительном устройстве реактивных сопротивлений приводит к появлению фазовых искажений. Фазовые сдвиги между различными колебаниями на выходе усилителя получаются не такими, как на входе. При воспроизведении звуков эти искажения не играют роли, так как органы слуха человека не ощущают их, но в ряде случаев, например в телевидении, они оказывают вредное влияние.
Каждый усилитель создает искажения динамического диапазона. Происходит его сжатие, т. е. отношение самого сильного колебания к самому слабому на выходе усилителя получается меньше, чем на входе. Это нарушает естественность звучания. С целью уменьшения таких искажений иногда вводят специальное устройство для расширения динамического диапазона, называемое расширителем (экспандером). Сжатие динамического диапазона происходит также и в электроакустических приборах.

Основные параметры усилителей

Любой усилитель, предназначенный для обработки медико-биолгических сигналов, может быть представлен в виде активного четырехполюсника (рис.1.1). Источник сигнала с ЭДС Евх и внутренним сопротивлением Ri подключается ко входу усилителя. Во входной цепи протекает входной ток Iвх, величина которого зависит от входного сопротивления усилителя Rвх и внутреннего сопротивления источника сигнала. За счет падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника сигнала напряжение на входе, которое собственно и усиливается усилителем, отличается от ЭДС источника сигнала:

Рисунок 1.1 - Эквивалентная схема усилителя

Выходным током усилителя является ток нагрузки Rн. Величина этого тока зависит от выходного напряжения, которое отличается от напряжения холостого хода kUвх за счет выходного сопротивления усилителя

Для оценки свойств усилителя вводится ряд параметров.
- Коэффициенты усиления по напряжению и току

Эти коэффициенты показывают во сколько раз изменяются значения напряжения и тока на выходе по сравнению с входными значениями. Коэффициент усиления по мощности может быть найден как

У любого усилителя K P >>1, в то время как коэффициенты усиления по току и напряжению могут быть меньше единицы. Однако если одновременно K I <1 и K U <1, устройство не может считаться усилителем.
Необходимо отметить, что большинство схем усилителей содержат в своем составе реактивные элементы (емкости и индуктивности) , поэтому в общем случае коэффициент усиления усилителя будет комплексным

Где угол определяет величину сдвига фазы сигнала при его прохождении со входа на выход.
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителя определяет зависимость коэффициента усиления от частоты усиливаемого сигнала. Примерный вид АЧХ усилителя показан на рис.1.2. За коэффициент усиления К 0 принимают максимальное значение коэффициента на так называемой "средней" частоте. Две характерные точки на АЧХ определяют понятие "полоса пропускания" усилителя. Частоты, на которых коэффициент усиления уменьшается в раз (или на 3дб) называются граничными частотами. На рис. 1.2 f 1 является нижней граничной частотой f Н, а f 2 – верхней граничной частотой усиления (f В). Разность:

F = f В – f Н

называется полосой пропускания усилителя, которая определяет рабочий частотный диапазон усилителя.
В общем АЧХ показывает, как изменяется амплитуда выходного сигнала при неизменной амплитуде входного сигнала в частотном диапазоне, при этом считается, что форма сигнала не изменяется. Для оценки изменения коэффициента усиления с изменением частоты вводится понятие частотных искажений

М Н = М В = . Частотные искажения относятся к разряду линейных, т.е. появление которых не приводит к искажению формы исходного сигнала.
По виду АЧХ усилители можно разделить на несколько классов.
Усилители постоянного тока: f Н = 0Гц, f В = (103 3 - 108 8) Гц;
Усилители звуковой частоты: f Н = 20 Гц, f В = (15 - 20) · 10Гц;
Усилители высокой частоты: f Н = 20*103 Гц, f В = (200 - 300) · 103 3 Гц.
Узкополосные (избирательные) усилители. Отличительной особенностью последних является то, что они, практически, усиливают одну гармонику из всего спектра частот сигнала и у них отношение верхней и нижней граничных частот составляет:

Рисунок 1. 2- АЧХ усилителя

Амплитудная характеристика усилителя отражает особенности изменения величины выходного сигнала при изменении входного. Как видно из рис. 1.3 выходное напряжение не равно нулю (UВЫХmin) при отсутствии входного напряжения. Это обусловлено внутренними шумами усилителя, за счет чего ограничивается минимальное значение входного напряжения, которое может быть подано на вход усилителя и определяет его чувствительность:

Значительное увеличение входного напряжения(точка 3) приводит к тому, что амплитудная характеристика становится нелинейной и дальнейшее нарастание выходного напряжения прекращается (точка 5). Это связано с насыщением каскадов усилителя. Допустимым считается такое значение входного напряжения, при котором выходное напряжение не превышает UВЫХmax , которое, как видно из рис.1.3, располагается на границе линейного участка амплитудной характеристики. Амплитудная характеристика определяет динамический диапазон усилителя:

Иногда для удобства динамический диапазон вычисляют в децибеллах, как:

Рисунок 1. 3 - Амплитудная характеристика усилителя

Коэффициент нелинейных искажений (коэффициент гармоник) усилителя определяет степень искажения формы синусоидального сигнала в процессе усиления. Искажения сигнала означают, что в его спектре наряду с основной (первой) гармоникой появляются гармоники более высоких порядков. Исходя из этого, коэффициент нелинейных искажений может быть найден, как:

где U i – напряжение гармоники с номером i>1. Нетрудно увидеть, что при отсутствии в выходном сигнале высших гармоник, К Г = 0, т.е. синусоидальный сигнал со входа на выход передается без искажений. Входное и выходное сопротивление оказывают довольно ощутимое влияние на работу усилителя. При усилении изменяющихся или переменных сигналов сопротивления могут быть найдены как:

На постоянном токе эти параметры могут быть определены по упрощенным формулам

При определении входного и выходного сопротивлений необходимо помнить, что в ряде случаев они могут иметь комплексный характер за счет реактивных элементов схемы. В этом случае могут возникнуть значительные частотные искажения сигнала, особенно в диапазоне высоких частот. Усиление сотовой связи: усилитель сотового сигнала gsm.

Рассмотрим основные характеристики усилителей.

Амплитудная характеристика – это зависимость амплитуды выходного напряжения (тока) от амплитуды входного напряжения (тока) (рис. 9.2). Точка 1 соответствует напряжению шумов, измеряемому при Uвх=0, точка 2 – минимальному входному напряжению, при котором на выходе усилителя можно различать сигнал на фоне шумов. Участок 2–3 – это рабочий участок, на котором сохраняется пропорциональность между входным и выходным напряжением усилителя. После точки 3 наблюдаются нелинейные искажения входного сигнала. Степень нелинейных искажений оценивается коэффициентом нелинейных

искажений (или коэффициентом гармоник):

,

где U1m, U2m, U3m, Unm – амплитуды 1-й (основной), 2, 3 и n-ой гармоник выходного напряжения соответственно.

Величина характеризует динамический диапазон усилителя.

Рис. 9.2. Амплитудная характеристика усилителя

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителя – это зависимость модуля коэффициента усиления от частоты (рис. 9.3). Частоты fн и fв называются нижней и верхней граничными частотами, а их разность

(fн–fв) – полосой пропускания усилителя.

Рис. 9.3. Амплитудно-частотная характеристика усилителя

При усилении гармонического сигнала достаточно малой амплитуды искажения формы усиленного сигнала не возникает. При усилении сложного входного сигнала, содержащего ряд гармоник, эти гармоники усиливаются усилителем неодинаково, так как реактивные сопротивления схемы по-разному зависят от частоты, и в результате это приводит к искажению формы усиленного сигнала.

Такие искажения называются частотными и характеризуются коэффициентом частотных искажений:

Где Кf – модуль коэффициента усиления на заданной частоте.

Коэффициенты частотных искажений

И называются соответственно коэффициентами искажений на нижней и верхней граничных частотах.

АЧХ может быть построена и в логарифмическом масштабе. В этом случае она называется ЛАЧХ (рис. 9.4), коэффициент усиления усилителя выражается в децибелах, а по оси абсцисс откладываются частоты через декаду (интервал частот между 10f и f).

Рис. 9.4. Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика

усилителя (ЛАЧХ)

Обычно в качестве точек отсчета выбирают частоты, соответствующие f=10n. Кривые ЛАЧХ имеют в каждой частотной области определенный наклон. Его измеряют в децибелах на декаду.

Фазо-частотная характеристика (ФЧХ) усилителя – это зависимость угла сдвига фаз между входным и выходным напряжениями от частоты. Типовая ФЧХ приведена на рис. 9.5. Она также может быть построена в логарифмическом масштабе.

В области средних частот дополнительные фазовые искажения минимальны. ФЧХ позволяет оценить фазовые искажения, возникающие в усилителях по тем же причинам, что и частотные.

Рис. 9.5. Фазо-частотная характеристика (ФЧХ) усилителя

Пример возникновения фазовых искажений приведен на рис. 9.6, где показано усиление входного сигнала, состоящего из двух гармоник (пунктир), которые при усилении претерпевают фазовые сдвиги.

Рис. 9.6. Фазовые искажения в усилителе

Переходная характеристика усилителя – это зависимость выходного сигнала (тока, напряжения) от времени при скачкообразном входном воздействии (рис. 9.7). Частотная, фазовая и переходная характеристики усилителя однозначно связаны друг с другом.

Рис. 9.7. Переходная характеристика усилителя

Области верхних частот соответствует переходная характеристика в области малых времен, области нижних частот – переходная характеристика в области больших времен.

По характеру усиливаемых сигналов различают:

o Усилители непрерывных сигналов. Здесь пренебрегают процессами установления. Основная характеристика – частотная передаточная.

o Усилители импульсных сигналов. Входной сигнал изменяется настолько быстро, что переходные процессы в усилителе являются определяющими при нахождении формы сигнала на выходе. Основной характеристикой является импульсная передаточная характеристика усилителя.

По назначению усилителя делятся на:

o усилители напряжения,

o усилители тока,

o усилители мощности.

Все они усиливают мощность входного сигнала. Однако собственно усилители мощности должны и способны отдать в нагрузку заданную мощность при высоком коэффициенте полезного действия.

1. Составить фрагменты программ в мнемокодах и машинных кодах для следующих операций:

Основным параметром электронного усилителя является коэффициент усиления К. Коэффициент усиления мощности (напряжения, тока) определяется отношением мощности (напряжения, тока) выходного сигнала к мощности (напряжению, току) входного и характеризует усилительные свойства схемы. Выходной и входной сигналы должны быть выражены в одних и тех же количественных единицах, поэтому коэффициент усиления является безразмерной величиной.

В отсутствие реактивных элементов в схеме, а также при определенных режимах ее работы, когда исключается их влияние, коэффициент усиления является действительной величиной, не зависящей от частоты. В этом случае выходной сигнал повторяет форму входного и отличается от него в К раз только амплитудой. В дальнейшем изложении материала речь пойдет о модуле коэффициента усиления, если нет особых оговорок.

В зависимости от требований, предъявляемых к выходным параметрам усилителя переменного сигнала, различают коэффициенты усиления:

а) по напряжению, определяемый как отношение амплитуды переменной составляющей выходного напряжения к амплитуде переменной составляющей входного, т. е.

б) по току, который определяется отношением амплитуды переменной составляющей выходного тока к амплитуде переменной составляющей входного:

в) по мощности

Так как , то коэффициент усиления по мощности можно определить следующим образом:

При наличии реактивных элементов в схеме (конденсаторов, индуктивностей) коэффициент усиления следует рассматривать как комплексную величину

где m и n - действительная и мнимая составляющие, зависящие от частоты входного сигнала:

Положим, что коэффициент усиления К не зависит от амплитуды входного сигнала. В этом случае при подаче на вход усилителя синусоидального сигнала выходной сигнал также будет иметь синусоидальную форму, но отличаться от входного по амплитуде в К раз и по фазе на угол .

Периодический сигнал сложной формы согласно теореме Фурье можно представить суммой конечного или бесконечно большого числа гармонических составляющих, имеющих разные амплитуды, частоты и фазы. Так как К - комплексная величина, то амплитуды и фазы гармонических составляющих входного сигнала при прохождении через усилитель изменяются по-разному и выходной сигнал будет отличаться по форме от входного.

Искажения сигнала при прохождении через усилитель, обусловленные зависимостью параметров усилителя от частоты и не зависящие от амплитуды входного сигнала, называются линейными искажениями. В свою очередь, линейные искажения можно разделить на частотные (характеризующие изменение модуля коэффициента усиления К в полосе частот за счет влияния реактивных элементов в схеме); фазовые (характеризующие зависимость сдвига по фазе между выходным и входным сигналами от частоты за счет влияния реактивных элементов).

Частотные искажения сигнала можно оценить с помощью амплитудно-частотной характеристики, выражающей зависимость модуля коэффициента усиления по напряжению от частоты. Амплитудно-частотная характеристика усилителя в общем виде представлена на рис. 1.2. Рабочий диапазон частот усилителя, внутри которого коэффициент усиления можно считать с известной степенью точности постоянным, лежит между низшей и высшей граничными частотами и называется полосой пропускания. Граничные частоты определяют уменьшение коэффициента усиления на заданную величину от своего максимального значения на средней частоте .

Введя коэффициент частотных искажений на данной частоте ,

где - коэффициент усиления по напряжению на данной частоте, можно с помощью амплитудно-частотной характеристики определить частотные искажения в любом диапазоне рабочих частот усилителя.

Поскольку наибольшие частотные искажения имеем на границах рабочего диапазона, то при расчете усилителя, как правило, задают коэффициенты частотных искажений на низшей и высшей граничных частотах, т. е.

где - соответственно коэффициенты усиления по напряжению на высшей и низшей граничных частотах.

Обычно принимают , т. е. на граничных частотах коэффициент усиления по напряжению уменьшается до уровня 0,707 значения коэффициента усиления на средней частоте. При таких условиях полоса пропускания усилителей звуковой частоты, предназначенных для воспроизведения речи и музыки, лежит в пределах 30-20 000 Гц. Для усилителей, применяемых в телефонии, допустима более узкая полоса пропускания 300-3400 Гц. Для усиления импульсных сигналов необходимо использовать так называемые широкополосные усилители, полоса пропускания которых располагается в диапазоне частот от десятков или единиц герц до десятков или даже сотен мегагерц.

Для оценки качества усилителя часто пользуются параметром

Для широкополосных усилителей , поэтому

Противоположностью широкополосных усилителей являются избирательные усилители, назначение которых состоит в усилении сигналов в узкой полосе частот (рис. 1.3).

Усилители, предназначенные для усиления сигналов со сколь угодно малой частотой, называются усилителями постоянного тока. Из определения ясно, что низшая граничная частота полосы пропускания такого усилителя равна нулю. Амплитудно-частотная характеристика усилителя постоянного тока дана на рис. 1.4.

Фазочастотная характеристика показывает, как меняется угол сдвига фаз между выходным и входным сигналами при изменении частоты и определяет фазовые искажения.

Фазовые искажения отсутствуют при линейном характере фазочастотной характеристики (пунктирная линия на рис. 1.5), так как в этом случае каждая гармоническая составляющая входного сигнала при прохождении через усилитель сдвигается по времени на один и тот же интервал . Угол сдвига фаз между входным и выходным сигналами при этом пропорционален частоте

где - коэффициент пропорциональности, определяющий угол наклона характеристики к оси абсцисс.

Фазочастотная характеристика реального усилителя представлена на рис. 1.5 сплошной линией. Из рис. 1.5 видно, что в пределах полосы пропускания усилителя фазовые искажения минимальны, однако резко возрастают в области граничных частот.

Если коэффициент усиления зависит от амплитуды входного сигнала, то имеют место нелинейные искажения усиливаемого сигнала, обусловленные наличием в усилителе элементов с нелинейными вольт-амперными характеристиками.

Задавая закон изменения можно проектировать нелинейные усилители с определенными свойствами. Пусть коэффициент усиления определяется зависимостью , где - коэффициент пропорциональности.

Тогда при подаче на вход усилителя синусоидального входного сигнала выходной сигнал усилителя

где - амплитуда и частота входного сигнала.

Первая гармоническая составляющая в выражении (1.6) представляет собой полезный сигнал, остальные являются результатом нелинейных искажений.

Нелинейные искажения можно оценить с помощью так называемого коэффициента гармоник

где - амплитудные значения соответственно мощности, напряжения и тока гармонических составляющих.

Индекс определяет номер гармоники. Обычно учитывают только вторую и третью гармоники, так как амплитудные значения мощностей более высоких гармоник сравнительно малы.

Линейные и нелинейные искажения характеризуют точность воспроизведения формы входного сигнала усилителем.

Амплитудная характеристика четырехполюсников, состоящих только из линейных элементов, при любом значении теоретически является наклонной прямой. Практически же максимальное значение ограничивается электрической прочностью элементов четырехполюсника. Амплитудная характеристика усилителя, выполненного на электронных приборах (рис. 1.6), в принципе нелинейна, однако может содержать участки ОА, где кривая носит приблизительно линейный характер с большой степенью точности. Рабочий диапазон входного сигнала не должен выходить за пределы линейного участка (ОА) амплитудной характеристики усилителя, иначе нелинейные искажения превысят допустимый уровень.

Основным качественным показателем усилителя является точность воспроизведения формы усиливаемого сигнала. В идеальном усилителе форма сигнала на выходе должна точно повторять форму входного сигнала. Отклонение формы выходного сигнала от формы сигнала, подаваемого на его вход, называется искажением . В усилителях различают два вида искажений – линейные и нелинейные. Оба вида искажений изменяют форму входного сигнала, но причины их появления различны.

Линейные искажения обусловлены зависимостью модуля коэф­фициента усиления напряжения или тока, а также фазового сдвига между входными и выходными величинами от часто­ты входного сигнала. Линейные искажения можно разделить на частотные и фазовые.

Форма сложного сигнала на выходе усилителя, работаю­щего в линейном режиме, будет отличаться от входной в том случае, если гармонические составляющие входного сигнала будут усиливаться в усилителе неодинаково, а также, если вносимые усилителем фазовые сдвиги будут различными для отдельных гармонических составляющих. Вызываемые ука­занными причинами изменения формы выходного сигнала на­зывают соответственно частотными и фазовыми искажениями.

Частотные искажения – это искажения, обусловленные изменением значения коэффициента усиления на различных частотах. Идеальная АЧХ должна иметь одинаковый коэффициент усиления во всем диапазоне рабочих частот. Реальная же характеристика имеет «завалы» на частотах, близких к границам диапазона рабочих частот. Снижение коэффициента усиления на низших частотах объясняется возрастанием емкостного сопротивления разделительных конденсаторов

по мере снижения частоты сигнала.

Для количественной оценки частотных искажений используют коэффициент частотных искажений (M), равный отношению коэффициента усиления на средних частотах (K ср) к коэффициенту усиления на данной частоте (K ¦):

M = K ср / K ¦ .

Поскольку наибольшие частотные искажения имеются на границах рабочего диапазона, то при расчете усилителя задают коэффициенты частотных искажений на низшей и высшей частотах, т.е.

M н = K ср / K н и M в = K ср /K в.

Частотные искажения в усилителе всегда сопровождаются появлением фазовых искажений. При усилении синусоидального сигнала с неизменной час­тотой линейные искажения не играет большой роли: на одной определенной частоте всегда можно добиться доста­точного усиления, а фазовые сдвиги скомпенсировать. Проб­лема линейных искажений возникает тогда, когда сигнал имеет сложную форму. Для такого сигнала фазочастотные искажения не менее, а часто более существен­ны, чем амплитудно-частотные.

Фазовые искажения не влияют на спектральный состав и соотношение амплитуд гармонических составляющих сложного сигнала, а вызывают изменение его формы в результате различных фазовых сдвигов, возникающих у отдельных составляющих сигнала после прохождения через усилитель.

Влияние фазовых искажений на форму сигнала, состоящего из двух гармоник, упрощенно поясняется на рис. 6.7, а и б. Построение проведено при условии, что коэффициент усиления не зависит от частоты, но для второй гармоники усилитель вносит сдвиг фаз на угол φ = π/4. Из графика (рис. 6.7, б) видно, что форма выходного сигнала очень сильно отличается от формы входного, следовательно, большие фазовые искажения не менее существенно, чем частотные, влияют на качество работы усилителя.

Фазочастотные искажения от­сутствуют при отсутствии относительного сдвига гармоник. Для этого должно соблюдаться условие:

Это условие выполняется, если фазочастотная характеристика линейна (рис. 6.7, в):

В отличие от линейных искажений, нелинейные искажения в усилителях обусловлены наличием нелинейных элемен­тов, в первую очередь, транзисторов, а также друг