Амплитудно-частотная характеристика

Амплитудно-частотная характеристика усилителя есть зависи­мость модуля коэффициента усиления от частоты , которая по­казывает неравномерность усиления различных составляющих. В лите­ратуре эту характеристику для краткости называют частотной харак­теристикой.

Более наглядное представление дает графическое изображение (рис.2.4) частотной характеристики , которая строится в по­лулогарифмическом масштабе. Идеальной характеристикой является прямая, параллельная горизонтальной оси (штриховая линия на рис. 2.2).

Рис.2.2 - Амплитудно-частотная характеристика.

 

На практике из-за влияния реактивных элементов имеет место спад частотной характеристики в области низких и высоких частот.

По частотной характеристике определяют следующие количествен­ные показатели усилителей:

- верхняя f _в и нижняя f _н граничные частоты, на которых коэффициент усиления К_в=К_н=0,707К₀=К₀ / , или частоты, на которых указаны другие допустимые частотные искажения;

- полоса пропускания усилителя или диапазон усиливаемых час­тот

П = f _в - f _н » f _в

- частотные искажения, вызываемые неодинаковым усилением различных частот. Эти искажения оцениваются коэффициентами час­тотных искажений на нижних и верхних частотах М_н и М_в, определяемых из следующих выражений:

М_н = К₀ / К_н, М_в = К₀ / К_в.

Коэффициенты М_н и М_в обычно задаются в децибелах:

М_ндБ = 20 lg М_н; М_вдБ = 20 lgM _в.

Для высокочастотных стереофонических музыкальных центров коэффициент частотных искажений не превышает 1,2 дБ.

 

2.5. Фазовая характеристика.

Фазовой характеристикой называют зависимость угла сдвига фазы  между выходным и входным напряжениями от частоты. При графическом построении обычно используют линейный масштаб и рас­сматривают отдельно на низких и высоких частотах, рис. 2.3.

 

Рис.2.3 - Фазовая характеристика усилителя:

а – в области нижних частот; б - в области высоких частот

 

Фазовая характеристика позволяет оценить фазовые искажения Ф сигнала. Не всякий фазовый сдвиг создает искажения сигнала. Если фазовый сдвиг пропорционален частоте усиливаемого сигнала , то усилитель не имеет искажений формы усиливаемых сигналов, т. е. Ф =0. Следовательно, идеальной фазовой характеристикой усилите­ля является прямая, проходящая через начало координат под любым углом к горизонтальной оси. Поэтому фазовые искажения оцениваются не , а разностью ординат Ф фазовой характеристики и касательной к ней, проведенной через начало координат. На низких часто­тах эта прямая совпадает с горизонтальной осью и поэтому любой фазовый сдвиг создает фазовые искажения Ф_н = .

 

2.5. Амплитудная характеристика.

Амплитудная характеристика усилителя представляет собой за­висимость установившегося значения выходного напряжения от входного. График амплитудной характеристики строится в линейном мас­штабе, рис.2.4.

Рис.2.4 -   Амплитудная характеристика.

 

 Угол наклона амплитудной характеристики зависит от коэффициента усиления и определяется = arctg К. В рабочей области входных напряжений она обычно прямолинейна. При больших значениях  амплитудная характеристика искривляется из-за перегрузки усилительного элемента, при малых значениях  она от­клоняется вследствие наличия собственных помех усилителя. Обычно сигнал, поступающий на усилитель, не остается неизменным, а ме­няется от U _{с min} до U _{с max .}

Отношение U _{с max} / U _{с min} =Д_с называется динамическим диапа­зоном сигнала, который часто задается в децибелах

Д_{с дБ} = 20lg U _{с max} / U _{с min}

Из амплитудной характеристики видно, что усилитель может усиливать сигнал при U _с > U _{вх min} и U _с < U _{в x max}.

Отношение U _{вх max} / U _{вх min} =Д_у есть динамический диапазон усилителя.

Для безыскаженного усиления должно быть удовлетворено следующее соотношение Д_у>Д_с.

Собственные помехи U_n состоят из нескольких составляющих:

- наводки;

- фон;

- внутренние шумы.

Наводками называют посторонние шумы напряжения, наводимые на цепи усилителя соседними приборами. Устранение наводок достигает­ся экранированием.

Фоном называют напряжение в выходной цепи усилителя с часто­той, кратной частоте сети переменного тока, питающей усилитель.

Для устранения фона необходимо улучшить сглаживание напряжения источника питания с помощью стабилизаторов напряжения.

Внутренние шумы рассмотрены в последней лекции.

 

Нелинейные искажения.

Нелинейные искажения возникают вследствие нелинейности характеристик усилительного элемента. За счет появления кратных гармоник происходит изменение формы выходного сигнала.

Нелиней­ные искажения оцениваются коэффициентом гармоник, определяемым по формуле

 ,

где I ₁ и I_n - амплитуда токов 1-й и n -й гармоник.

Другим показателем, характеризующим нелинейные искажения, является коэффициент интермодуляционных искажений К_н. При подаче на вход усилителя двух напряжений с частотами f ₁ и f ₂ на выходе появятся составляющие с частотами f ₁, f ₂, f ₂ - f ₁ и f ₂ + f ₁.

Коэффициент интермодуляционных искажений определяется отношением амплитуды составляющей разностной частоты к амплитуде выходного напряжения с частотой f ₁,

К_Н = U_{f 2 – f 1} / U_{f 1}

Для усилителей звуковоспроизводящей аппаратуры высшего класса допускаются К_Н = 0,5 - 1%, а в усилителях среднего ка­чества К_Н = 3 - 5 %.

2.7. Переходная характеристика.

Переходной характеристикой называют зависимость мгновенного значения выходного напряжения усилителя от времени при подаче на вход единичного импульса. Переходная характеристи­ка является основной характеристикой импульсного усилителя.

По этой характеристике определяются основные количественные показатели:

- время установления t_y,

- спад плоской вершины _сп,

- выброс переднего фронта d (рис. 2.5).

 

Рис. 2.5 - Переходная характеристика.

Время установления t_y  определяется как интервал времени, в течение которого нормированная переходная характеристика h (t) меняется от уровня 0,1 до уровня 0,9, т.е. t_y = t _0,9 - t _0,1. Спад плоской вершины _сп характеризуется искажением переходной характеристики, который определяется _сп= 1- h (t _и), где t _и - длительность усиливоемого импульса. Выброс переднего фронта d появляется при наличии в схеме индуктивных элементов и определяется превышением h (t) над единичным уровнем.