Качественные показатели и характеристики аналоговых электронных устройств

Размещено на http://www.allbest.ru/

Качественные показатели и характеристики аналоговых электронных устройств

Основные определения

В курсе "Схемотехника аналоговых электронных устройств" рассматриваются основы аналоговой схемотехники, т.е. принципы построения аналоговых электронных устройств. АЭУ предназначены для аналоговой обработки сигналов. К ним относятся широкий класс усилительных устройств, дифференцирующие и интегрирующие устройства, логарифмирующие усилители, суммирующие и вычитывающие устройства и различного рода преобразователи. В курсе АЭУ подробно рассматриваются обеспечение режима и стабилизация рабочей точки, использование различных видов обратной связи.

Схемотехника аналоговых электронных устройств базируется на дисциплинах "Основы теории цепей", "Радиотехнические цепи и сигналы", "Электроника". Без твердого усвоения принципов построения АЭУ невозможно освоить специальные дисциплины.

Рассмотрим общую структурную схему АЭУ, которая приведена на рис.1. В состав аналоговых электронных устройств входит широкий класс усилителей. Усилителем называется устройство, управляющее передачей усиленной энергии от источника питания в нагрузку. Другими словами, усиление сигнала представляет собой процесс преобразования энергии источника питания в результате воздействия на него усиливаемого сигнала через усилительный элемент. Усиливаемый сигнал с незначительной мощностью Рвых управляет мощностью источника питания Ро, отдавая часть этой энергии Рвых в нагрузку.

Рис.1. Общая структурная схема АЭУ

Устройство, с которого снимается усиливаемый сигнал, называется источником сигнала. В радиовещательной аппаратуре источником сигнала могут служить приемная антенна, предыдущий каскад приемника, микрофон, звукосниматель и т.д. Устройство, являющееся потребителем усиленных сигналов, называют нагрузкой усилителя. Нагрузкой усилителя могут быть акустическая система, телефон, последующий каскад усилителя и т.д. Источник управляемой энергии, преобразуемой усилителем в энергию усиливаемого сигнала, называют источником питания.

В свою очередь усилительное устройство состоит из входного, предварительного и выходного каскадов, рис. 2.2.

Рис.2. Структурная схема усилителя

Входной каскад кроме функции усиления выполняет функцию согласования с источником сигнала. Предварительные каскады предназначены для усиления сигнала по напряжению. Выходной каскад, как правило, усиливает сигнал по мощности и выполняет функцию согласования усилителя с внешней нагрузкой.

Усилительный каскад можно рассматривать как линейный четырехполюсник, имеющий пару входных и пару выходных зажимов, рис.2.3.

Рис.3. Функциональная схема усилительного устройства.

На основании теоремы эквивалентных схем любой источник сигнала, а также выходную цепь усилителя можно охарактеризовать напряжением холостого хода Ес и сопротивлением источника сигнала Rс. Источник сигнала подключается к входным клеммам усилителя.

Входные и выходные показатели

Со стороны входа усилитель характеризуется входным сопротивлением Zвх, который имеет в общем случае комплексный характер. Обычно Zвх представляет собой параллельное соединение активной составляющей Rвх и реактивной составляющей, обусловленной входной емкостью Cвх. Таким образом, входная цепь усилителя характеризуется входным напряжением Uвх, входным током Iвх, входным сопротивлением Rвх, а также входной мощностью Pвх.

Выходная цепь усилителя, в которую подключается нагрузка, характеризуется эквивалентной схемой, состоящей из генератора ЭДС и выходного сопротивления Rвых (генератора тока SUвх и выходной проводимости Gвых), а также сопротивлением нагрузки Rн. По этим параметрам легко определить основные выходные данные усилителя: выходное напряжение Uвых усиленного сигнала на нагрузке, выходной ток Iвых и полезную выходную мощность Рвых, отдаваемую усилителем в нагрузку.

Хотя выходное сопротивление и сопротивление нагрузки в общем случае имеют комплексный характер, но в рабочей полосе частот усилителя эти сопротивления можно считать чисто активными Rвых и Rн. При этом условии выходная мощность и напряжение усиленного сигнала на нагрузке определяются выражениями

Выходная мощность, отвечающая заданной норме нелинейных искажений, называется номинальной.

Типовым значением сопротивления нагрузки Rн современных акустических систем является Rн=8 Ом. Высокая верность воспроизведения акустических систем или громкоговорителя может быт только при эффективном демпфировании свободных колебаний подвижной части. Это возможно лишь в случае выполнения условия Rвых<Rн. Поэтому для современных высококачественных усилителей вводят понятие коэффициента демпфирования, определяемого отношением

Коэффициент усиления

Известно, что любой четырехполюсник характеризуется комплексным коэффициентом передачи

,

который определяется как отношение комплексных амплитуд выходного и входного напряжений или токов. Комплексный коэффициент передачи для усилителей представляет собой функцию от частоты.

Частотную передаточную функцию удобно представлять в форме

где - модуль комплексного коэффициента усиления;

- сдвиг фазы между входным и выходным напряжениями. Зависимость модуля коэффициента усиления от частоты называют амплитудно-частотной характеристикой или просто частотной характеристикой, а - фазочастотной или фазовой характеристикой усилителя.

Коэффициент усиления по напряжению

представляет собой безразмерное отношение комплексных амплитуд или отношение эффективных значений напряжений сигнала на выходе и на входе.

Соответственно представляется комплексный коэффициент усиления по току

Коэффициент усиления по мощности -величина всегда вещественная, так как она связана с модулями коэффициентов усиления напряжения и тока

В связи с тем, что восприятие слуховых органов человека подчиняется логарифмическому закону, безразмерное значение коэффициента усиления на практике часто выражается в децибелах (дБ).

Если мощность возрастает от Pвх до Рвых, то восприятие громкости человеком возрастает на величину

,

которую условились выражать в белах (бел равняется 10 дБ). Таким образом, если мощность возрастает в 1000 раз, то логарифмическая величина усиления будет равна 3 Б или 30 дБ:

КpдБ = 10IgKp

Так как мощность пропорциональна квадрату напряжения или тока

,

то формулы перехода для коэффициентов усиления по напряжению и по току имеют вид:

КдБ = 20 IgK; КIдБ = 20 IgK

Реже встречаются логарифмические единицы (неперы). Коэффициент усиления в этих единицах

Кнеп = ln К = КдБ/ 8,68 = 0,115 КдБ

Из указанных единиц наиболее распространенной в радиотехнике является децибел. Единица непер используется лишь в технике проводной связи.

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. 4).

Рис.4. 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 fв и нижняя fн граничные частоты, на которых коэффициент усиления Кв=Кн=0,707К0=К0/, или частоты, на которых указаны другие допустимые частотные искажения;

- полоса пропускания усилителя или диапазон усиливаемых частот

П = fв- fн fв

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

Мн = К0 / Кн, Мв = К0 / Кв

Коэффициенты Мн и Мв обычно задаются в децибелах:

МндБ = 20 lgМн; МвдБ = 20 lgMв

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

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. 5.

Рис.5. 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 Фн =.

Амплитудная характеристика

Амплитудная характеристика усилителя представляет собой зависимость установившегося значения выходного напряжения от входного. График амплитудной характеристики строится в линейном масштабе, рис.6.

Рис.6. Амплитудная характеристика

Угол наклона амплитудной характеристики зависит от коэффициента усиления и определяется =arctgК. 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 Uсmin до Uсmax.

Отношение Uсmax/Uсmin=Дс называется динамическим диапазоном сигнала, который часто задается в децибелах

ДсдБ=20lgUсmax/Uсmin

Из амплитудной характеристики видно, что усилитель может усиливать сигнал при Uс > Uвхmin и Uс < Uвxmax.

Отношение Uвхmax/Uвхmin=Ду есть динамический диапазон усилителя. Для безыскаженного усиления должно быть удовлетворено следующее соотношение Ду>Дс. Собственные помехи Un состоят из нескольких составляющих: наводки, фон и 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 I1 и In - амплитуда токов 1-й и n-й гармоник.

Другим показателем, характеризующим нелинейные искажения, является коэффициент интермодуляционных искажений Кн. При подаче на вход усилителя двух напряжений с частотами f1 и f2 на выходе появятся составляющие с частотами f1, f2, f2-f1 и f2+f1. Коэффициент интермодуляционных искажений определяется отношением амплитуды составляющей разностной частоты к амплитуде выходного напряжения с частотой f1,

Кн = Uf2 -f1/Uf1

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

усилитель коэффициент искажение нелинейный

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 ty, спад плоской вершины сп, выброс переднего фронта (рис. 2.7).

Рис. 7. Переходная характеристика

Время установления ty определяется как интервал времени, в течение которого нормированная переходная характеристика h (t) меняется от уровня 0,1 до уровня 0,9, т.е. ty =t0,9 - t0,1. Спад плоской вершины сп характеризуется искажением переходной характеристики, который определяется сп=1-h(и), где и- длительность усиливоемого импульса. Выброс переднего фронта появляется при наличии в схеме индуктивных элементов и определяется превышением h (t) над единичным уровнем.

Размещено на Allbest.ru