Література: Колонтаєвський, с.67-69 (пп.1-6); Гершунский, с.235-241 (пп.7-9), Головин, с.15-33)

Література:		Бойко В.І., Гуржій А.М.Основи технічної електроніки, 2007
		Бойко В.І., Гуржій А.М., Жуйков В.Я. Основи схемотехніки електронних систем, 2004
		Гуржій А.М.,Самсонов В.В., Поворознюк Н.І. Імпульсна та цифрова техніка, 2005
		Джонс М.Х. Електроніка-Практичний курс, 2006
		Калабеков Б.А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы, 2002
		Колонтоєвський Ю.П., Сосков А.Г. Промислова електроніка та мікросхемотехніка, 2003
Самостійно	год.	Якубовский С.В., Ниссельсон Л.И. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы, Справочник, 1990 Побудова наскрізної характеристики

Амплітудна характеристика рис.1 являє собою залежність вихідної напруги від вхідної при дії на вхід підсилювача гармонійного коливання постійної частоти. Здебільшого це середня частота робочого діапазону частот, яка, як правило, вибирається рівною 1 кГц. U_вих=f(U_вх).

Рис.1 Рис.2

АХ ідеального підсилювача – це пряма лінія, яка проходить через початок координат під кутом α до додатного напряму осі абсцис.

АХ реального підсилювача лінійна лише в середній частині і відхиляється від прямої лінії в області малих і великих сигналів. Відхилення від прямої в області великих сигналів обумовлено тим, що активний елемент (транзистор) входить у режим насичення і коефіцієнт підсилення його зменшується. Відхилення від прямої в області малих сигналів спричинено дією наводок, завад і власних шумів підсилювача. За АХ можна визначити низку параметрів підсилювача: коефіцієнт підсилення, динамічний діапазон, коефіцієнт нелінійних спотворень тощо.

Графічно коефіцієнт підсилення пропорційний тангенсу кута нахилу лінійної частини АХ до додатного напряму осі абсцис.

Лінійна ділянка обмежена з боку малих сигналів мінімальним значенням вхідного сигналу U_{вх min} (поріг чутливості), а з боку великих сигналів – максимальним значенням вхідного сигналу U_{вх mах} (поріг насичення).

(U_{вх max} - U_{вх min}) -робочий діапазон вхідної напруги.

Величина D = U_{вх max} /U_{вх min} називається динамічним діапазоном підсилювача і визначається в логарифмічних одиницях D_дб = 20lgD

 

Рис.2, рис.3

Рис.3 - Вплив типу навантаження регулювального елемента на частотну характеристику підсилювача

Амплітудно-частотна характеристика (АЧХ)(рис.2,3) – це залежність модуля коефіцієнта підсилення К_u від частоти при сталій величині вхідного сигналу.

На рисунку 2 позначено: К_{u сер} – найбільший коефіцієнт підсилення;

К_uf = К_uсер /√2 – таке зниження підсилення звукового сигналу фіксується чітко вухом людини.

З АЧХ визначають робочий діапазон підсилювального сигналу – від ω_н до ω_в.

Робочий діапазон частот
Робочий діапазон частот (діапазон частот пропускаються або смуга пропускання) представляє собою деякий інтервал значень частоти від f _H до f _B, всередині якого коефіцієнт посилення змінюється за певним законом з відомим ступенем точності. Наприклад, високоякісний підсилювач низької частоти повинен характеризуватися законом К = const в діапазоні частот сигналу від f _min = 10 Гц до f _max = 20 кГц. Якщо до підсилювача не пред'являються будь-які спеціальні вимоги, то робочий діапазон частот визначають на рівні 3 дБ, тобто кордонами смуги пропускання є частоти, на яких коефіцієнт підсилення зменшується не більше ніж у рази.

Фазова характеристика (ФХ) - це залежність від частоти фазового зсуву φ вихідної напруги (струму) щодо вхідної напруги (струму) при дії на вході підсилювача гармонійного (синусоїдального) сигналу або фаза коефіцієнта передачі. Типова ФЧХ показана на рис.2.5 неперервною лінією.

Перехідна характеристика - залежність від часу вихідної напруги підсилювача, на вхід якого поданий миттєвий стрибок напруги.

Власні перешкоди.

При відсутності сигналу на вході підсилювача на його виході діє деяка (невелика) напруга. Ця напруга обумовлена в основному власними перешкодами підсилювача. Розрізняють наступні види перешкод:

ФОН – називають напругу на виході підсилювача, яка обумовлена недостатньою фільтрацією пульсуючої напруги джерела живлення, що працює від мережі змінного струму. Фон можна зменшити, якщо збільшити фільтрацію пульсацій, застосувати негативний зворотний зв'язок, живити перші каскади підсилювача від джерел постійного струму.

НАВЕДЕННЯ (наводки) - утворюються через паразитні електричні, магнітні, гальванічні або електромагнітні зв'язки ланцюгів підсилювача з джерелами перешкод. Джерелами перешкод можуть бути інші могутні підсилювачі (особливо трансформаторні), мережа змінного струму, двигуни внутрішнього згорання, електрозварювання і т.д. Для боротьби з наведеннями застосовують електричне і магнітне екранування, використовують розв'язуючі фільтри в джерелах перешкод, негативний зворотний зв'язок в підсилювачах, петля якої охоплює місце проникнення перешкоди.

МІКРОФОННИЙ ЕФЕКТ - є перетворенням механічних коливань елементів підсилювача або підсилювального елементу (ПЕ) в електричні коливання, що проходять на вихід підсилювача. Мікрофонний ефект сильно виявляється в лампових підсилювачах. У транзисторів він виражений слабо. Мікрофонний ефект звичайно усувається раціональною конструкцією елементів підсилювача, надійнішим кріпленням, демпфуванням, тобто збільшенням маси окремих елементів, і застосуванням амортизуючих пристроїв.

Фон, наведення, мікрофонний ефект можна зменшити до будь-яких заданих значень. Теплові шуми і шуми підсилювального елементу принципове неустраніми.

ТЕПЛОВІ ШУМИ – обумовлені тепловим безладним (випадковим) рухом в об'ємі провідника (або напівпровідника) вільних носіїв зарядів (електронів). З рухом зарядів пов'язаний випадковий струм в провіднику. В результаті на кінцях провідника, що володіє деяким опором, створюється напруга, що не підкоряється якому-небудь певному закону (напруга шумів).

Шумові напруги, через свою випадковість, мають самі різні частоти і фази і тому практично охоплюють всю смугу частот підсилювача. Отже, із збільшенням смуги пропускання підсилювача рівень шуму зростає. Крім того, шум тим більше, чим більше температура і більше величина опору ланцюга, який створює напругу теплових шумів. При температурі 20-25⁰С шумова напруга визначається по формулі

U_т.ш ≈0,13 (f_в – f_н)R,

де U_т.ш – напруга теплових шумів, мкВ;

f_в і f_н - вища і нижча частоти, що пропускаються ланцюгом, КГц;

R – активна складова опору ланцюга в смузі частот від f_в до f_н, КОм.

Шуми підсилювального елементу в основному складаються з наступних складових:

Дробові шуми – пов'язані з випадковим потоком дискретних носіїв зарядів (дробовий ефект).

Шуми струморозподілення – пов'язані з випадковим перерозподілом струму між електродами підсилювального елементу.

Миготливі або надмірні шуми – пов'язані з нерівномірним вильотом носіїв зарядів з окремих ділянок катода і деформацією кристалічних грат в транзисторах.

Найбільшими шумами володіють лампи, найменшими – польові транзистори.

Рівень шумів транзисторів звичайно оцінюють коефіцієнтом шуму, виразимим в децибелах і показуючим, на скільки децибел включений в ланцюг транзистор підвищує рівень шумів в порівнянні з тепловими шумами ланцюга.

 

Спотворення -це зміна форми сигналу на виході підсилювача в порівнянні з формою ЕРС джерела сигналу або формою на вході підсилювача. Залежно від причин, що викликають зміну форми сигналу на виході підсилювача, розрізняють лінійні і нелінійні спотворення.

Лінійні спотворення обумовлені впливом реактивних елементів підсилювача – ємностей і індуктівностей, опори яких залежать від частоти. Ці спотворення мають місце в лінійному підсилювачі (підсилювачі слабких сигналів), тобто їх поява не пов'язана з нелінійністю елементів підсилювача. Лінійні спотворення в підсилювачах гармонійних і імпульсних сигналів оцінюють по-різному. Форма сигналу на виході лінійного підсилювача гармонійних сигналів може відрізнятися від форми сигналу на його вході в двох випадках:

1Гармонійні складові вхідного сигналу підсилюються в підсилювачі неоднаково, оскільки К_U залежить від частоти. Зміни форми сигналу, обумовлені залежністю від частоти тільки модуля комплексного коефіцієнта підсилення, називають амплітудно-частотними спотвореннями.

2. Фазові зрушення, що вносяться підсилювачем, змінюють взаємне зміщення в часі гармонійних складових вхідного сигналу, тобто фазові зрушення в підсилювачі залежать від частоти. Зміни форми вихідного сигналу, обумовлені залежністю від частоти лише аргументу комплексного коефіцієнта підсилення, називають фазочастотними спотвореннями_.

Амплітудно-частотні спотворення можна оцінити по амплітудно-частотній характеристиці (АЧХ). Це залежність від частоти модуля комплексного коефіцієнта підсилення при дії на вході підсилювача гармонійного сигналу.

Ідеальна АЧХ, при якій не виникають амплітудно-частотні спотворення, зображена на рис.2.2 штриховою лінією, паралельної горизонтальної осі. Реальна АЧХ підсилювача звукових частот показана на тому ж малюнку кривої 1, з якої видно, що на дуже малих і великих частотах коефіцієнт підсилення зменшується.

Отже, амплітудно-частотні спотворення обумовлені нерівномірністю АЧХ в діапазоні робочих частот підсилювача. Область АЧХ, в якій К_U практично не залежить від частоти, називають областю середніх частот. Нижньої f_нч або верхньою f_вч граничною частотою називають частоту, на якій К_U зменшується до заданого (допустимого) значення щодо коефіцієнта підсилення на середніх частотах К_{U ср.} Область частот від f_нч до f_вч називають робочим діапазоном частот (смугою пропускання підсилювача). За середню частоту звичайно приймають

f_ср ≈ √ f_нч ∙ f_вч. Для підсилювачів звукової частоти звичайно

f_ср ≈ 400 Гц або 1 кГц. Область АЧХ, де розташована частота f_нч або f_вч , називають відповідно областю нижніх або верхніх частот.

Для порівняння АЧХ підсилювачів з різними значеннями К_{U сер} (криві 1 і 2 на рис.2.2.) або для оцінки змін АЧХ підсилювача при змінах К_U зручно користуватися нормованою АЧХ. Вона є залежністю від частоти відношення модуля коефіцієнта підсилення на деякій частоті К_{U (f)} до коефіцієнта підсилення на середніх частотах:

Y = [К_U (f)] / К_{U сер}.

Нормована АЧХ підсилювача (крива 2 на рис.2.3) забезпечує менші частотні спотворення (в порівнянні з кривою 1).

На практиці для кількісної оцінки АЧХ часто використовують коефіцієнт частотних спотворень

М= К_{U сер}/ К_U (f)= 1/ Y.

На частотах, де М=Y=1, амплітудно-частотні спотворення відсутні. Чим більше М або Y відрізняється від одиниці, тим більше спотворення. У техніці радіо- і проводному зв'язку прийнято амплітудно-частотні спотворення виражати в логарифмічних одиницях:

М_ДБ=20 lg М; Y_ДБ=20 lg Y= -20 lg М = - М_[ДБ].

Частіше вибирають М= √ 2 = 1,41. Y=1/√ 2 = 0,707.

Фазочастотні спотворення оцінюють по фазочастотної характеристиці (ФЧХ).

При φ>0 вихідна напруга випереджає вхідна, при φ<0 вихідна напруга відстає від вхідної.

Не створююча спотворень форми сигналу ФЧХ є лінійною залежністю фазового зсуву від частоти:

φ(ω)= -t_з ω= - 2π t_зf.

Така ідеальна ФЧХ приведена на рис.2.5 штриховою лінією. Кутом нахилу цієї лінії, що проходить через початок координат, визначається груповий час запізнювання tз сигналу на виході підсилювача. При цьому всі спектральні складові вхідного сигналу запізнюються на однаковий час t_з. Якщо пряма пропорційність порушується, тобто ФЧХ стає нелінійною, то різні спектральні складові вхідного сигналу запізнюватимуться на різний час і форма вихідного сигналу спотворюватиметься.

Перехідні спотворення. Оцінюють за перехідною характеристикою, як дає можливість визначити перехідні спотворення, які в області малих часів характеризуються фронтом вихідної напруги і оцінюються часом установлення і викидом фронту.

Лінійні спотворення в підсилювачах імпульсних сигналів називають перехідними спотвореннями. Оцінюються вони по перехідній характеристиці підсилювача. Реальна ПХ зображена на рис.2.8. Штриховою прямою показана ідеальна ПХ підсилювача, що не містить реактивних елементів.

Ідеальна ПХ відрізняється від одиничної функції лише постійним множником, рівним коефіцієнту підсилення «ідеального» підсилювача. Для оцінки перехідних спотворень порівнюють реальну ПХ з ідеальною.

Перехідні спотворення розділяють на два види: спотворення початку або фронту імпульсу і спотворення плоскої вершини імпульсу

Нелінійні спотворення. Зміни форми сигналу, обумовлені нелінійністю характеристик елементів підсилювача, називають нелінійними спотвореннями. Нелінійні спотворення в підсилювачах в першу чергу пов'язані з нелінійністю вольт-амперних характеристик ПЕ і діодів, особливо у вихідних каскадах. Нелінійні спотворення по-різному оцінюють в підсилювачах гармонійних і імпульсних сигналів.

Спотворення гармонійних сигналів. Нехай на нелінійну ВАХ ПЕ (рис.2.10) діє одна синусоїдальна напруга u_вх з частотою f.

Форма вихідного струму і ПЕ через нелінійність характеристики стає несинусоїдальною (нижній напівперіод струму помітно змінюється).

Чим більше нелінійність підсилювача, тим сильніше спотворюється їм синусоїдальна напруга, що подається на вхід. Відомо (теорема Фурье), що всяка несинусоїдальна періодична крива може бути представлена сумою гармонійних коливань основної частоти і вищих гармонік. Таким чином, в результаті нелінійних спотворень на виході підсилювача з'являються вищі гармоніки, тобто абсолютно нові коливання, яких не було на вході. Ступінь нелінійних спотворень оцінюють величиною коефіцієнта нелінійних спотворень (коефіцієнта гармонік).

Під коефіцієнтом гармонік розуміють відношення усередненої квадратичної суми вищих гармонік до першої гармоніки, тобто відношення діючого значення всіх вищих гармонік до діючого значення першої гармоніки струму, %

Де І_n - діючі значення відповідних гармонік струму;

U_mn – амплітудні значення відповідних гармонік напруги.

Вимоги до k_г залежать від призначення підсилювача. Мінімальним коефіцієнт гармонік повинен бути в групових підсилювачах багатоканального зв'язку (десяті частки відсотка). У підсилювачах звукових частот κ_г<0,2…0,5%.