Спотворення сигналів в підсилювачах електричних сигналів - студопедія
Якість роботи підсилювача, в основному, визначається ступенем спотворення сигналів, що вносяться підсилювачем. Під спотвореннями посиленого сигналу слід розуміти зміна форми вихідного сигналу в порівнянні з формою вхідного сигналу підсилювача.
Будь-підсилювач в тій чи іншій мірі спотворює сигнал. Залежно від причин, що змінюють форму вихідного сигналу, розрізняють такі види спотворень:
Определеніе.Іскаженія, які проявляються в зміні співвідношення амплітуд спектральних складових сигналу, називаються частотними спотвореннями.
Іншими словами, окремі гармонійні складові вхідного сигналу посилюються не однаково. Це відбувається за рахунок наявності в підсилювачі реактивних елементів: ємностей і індуктивностей.
Частотні спотворення відносяться до спотворень лінійного характеру, так як вони не залежать від нелінійних властивостей елементів схеми, наприклад, від нелінійності характеристик ламп і транзисторів.
Кількісна оцінка частотних спотворень характеризується коефіцієнтом частотних спотворень М. який дорівнює відношенню коефіцієнта підсилення по напрузі на середніх частотах КСР до його значенню даної частоті
Як правило, на крайніх частотах коефіцієнт посилення зменшується, отже, М> 1. На середніх частотах М = 1. Дослідження показали, що людське вухо не відчуває спотворень, якщо їх величина не перевищує 30-40%, тобто М = 1,3-1,4. Для багатокаскадних підсилювачів коефіцієнт частотних спотворень визначається виразом
М1. М2 ... коефіцієнт частотних спотворень першого, другого і т.д. каскадів.
Коефіцієнт частотних спотворень може бути визначений і в логарифмічних одиницях (децибелах)
Тоді для многокаскадного підсилювача
Більш повне уявлення про частотних властивостях підсилювача при гармонійному вхідному сигналі можна отримати по амплітудно-частотній характеристиці підсилювача (АЧХ) (рис.2.5).
Амплітудно-частотної характеристикою електронного підсилювача називається залежність коефіцієнта посилення напруги (струму) підсилювача від частоти гармонійного вхідного сигналу.
Іноді АГЧ називається частотною характеристикою. Ідеальною АЧХ є пряма лінія паралельна осі частот (рис.2.5), а реальна АЧХ (ріс.2.5б) має «завали» в областях нижніх і верхніх частот.
АЧХ може бути представлена і в системі координат, де по вертикальній осі відкладено коефіцієнт посилення у відносних одиницях
або в логарифмічних одиницях Y = -20 1gM [дБ]. а по горизонтальній осі - частота.
Область Область Область
нижніх середніх верхніх
частот частот частот
Рис.2.5. Амплітудно-частотна характеристика підсилювача:
а) ідеальна; б) реальна
Определеніе.Іскаженія, викликані порушенням фазових співвідношень між окремими спектральними складовими сигналу під час передачі будь-якої ланцюга, називаються фазовими.
Ці спотворення тісно пов'язані з частотними спотвореннями, так як причина їх появи загальна - наявність в схемі підсилювача реактивних елементів. Фазові спотворення, як і частотні, що не залежать від нелінійності характеристик підсилювальних елементів і тому є лінійними.
Людський слух практично не реагує на фазові спотворення і тому при проектуванні підсилювачів звукової частоти ці спотворення не враховуються.
При визначенні фазових спотворень враховуються тільки фазові зрушення, створювані реактивними елементами схеми (рис.2.6), і не враховуються повороти фази, викликані УЕ. При проходженні через УЕ відбувається запізнювання окремих складових на однаковий час # 916; t (рис.2.7). Фазові властивості підсилювача характеризуються його фазочастотной характеристикою. ФЧХ показує залежність різниці фаз вхідного і вихідного гармонійних сигналів (# 966;) підсилювача від частоти (f).
Определеніе.Фазо-частотної характеристикою (ФЧХ) електронного підсилювача називається залежність аргументу передавальної функції підсилювача від частоти гармонійного вхідного сигналу.
Ідеальна фазочастотная характеристика (коли відсутні фазові спотворення) має вигляд прямої лінії (рис.2.8). Така характеристика висловлює пропорційну залежність кута зсуву фази від зміни частоти. Реальна ФЧХ представлена на малюнку 2.8б. При оцінці фазових частот беруться не абсолютні значення фазових зрушень, а величина відхилення # 916; # 966; 0 реальної характеристики від ідеальної.
Фазочастотную характеристику підсилювача можна побудувати, використовуючи співвідношення, що зв'язує між собою частотні і фазові спотворення
UВХ 1-я гармоніка UВХ 1-я гармоніка
2-я гармоніка 2-я гармоніка
U вих 1-я гармоніка U вих 1-я гармоніка
2-я гармоніка 2-я гармоніка
Мал. 2.6. Фазові зрушення Рис.2.7. Поворот фази сигналу
окремих гармонік сигналу підсилювальним елементом
Рис.2.8. Фазочастотная характеристика:
а) ідеальна; б) реальна
Величина фазових спотворень і вимоги, що пред'являються до фазочастотной характеристиці, залежать від призначення підсилювача. При цьому для отримання необхідної форми характеристики використовуються спеціальні коригувальні ланцюга.
У багатокаскадного підсилювачі фазовий зсув дорівнює сумі фазових зрушень окремих каскадів
Определеніе.Іскаженія вихідного імпульсу в порівнянні з вхідним прямокутним імпульсом називаються перехідними спотвореннями.
Перехідні спотворення створюються за рахунок присутності в схемі підсилювача реактивних елементів (індуктивностей, ємностей). Ці спотворення також відносяться до лінійних, тому що не залежать від нелінійних елементів схеми.
Основною характеристикою імпульсного сигналу є його форма. На малюнку 2.9а показаний вхідний прямокутний імпульс, а на малюнку 2.9б вихідний спотворений імпульс.
На початку імпульсу (рис. 2.9б) відбувається швидке наростання напруги до амплітудного значення Um. Протягом деякого часу напруга порівняно повільно зменшується на величину # 916; UC. потім швидко падає. Можна виділити три частини реального прямокутного імпульсу: фронт, вершину (плоска частина) і спад. Крім того, внаслідок перехідних процесів в кінці фронту і спаду імпульсу може виникнути викид напруги або струму. Після викиду спостерігаються затухаючі паразитні коливання.
Рис.2.9. Спотворення прямокутного імпульсу при посиленні
а) вхідний прямокутний імпульс; б) вихідний спотворений імпульс
Для оцінки спотворень прямокутного імпульсу використовуються наступні величини:
tф - тривалість фронту,
# 916; UC - спад вершини,
tC - тривалість спаду,
# 916; UB - викид фронту.
Прийнято вважати, що імпульс має «активну» тривалість, яка відраховується на деякому певному рівні, зазвичай на рівні 0,1Um. Тривалість фронту tф дорівнює проміжку часу між моментами, коли напруга або струм з рівня 0,1Um досягне рівня 0,9Um.
Тривалість імпульсу tи визначається на рівні 0,1Um (0,1Іm) або на рівні 0,5 Um (0,5Іm). Тривалість спаду, а також фронту, не повинні перевищувати 0,1-0,3 тривалості імпульсу tи. Величина спаду вершини імпульсу визначається виразом
При цьому величина # 916; з не повинна перевищувати 3-5%.
Величина викиду фронту визначається виразом
Ця величина також не повинна перевищувати 3-5%.
Якщо підсилювач багатокаскадний, то вищевказані параметри прямокутного імпульсу будуть знаходитися так:
де n - кількість каскадів підсилювача.
Определеніе.Нелінейнимі спотвореннями називаються спотворення, які проявляються в появі в частотному спектрі вихідного сигналу складових, відсутніх в спектрі вхідного сигналу.
Нелінійні спотворення викликаються нелинейностью характеристик УЕ (ламп, транзисторів), а також нелінійністю намагнічування осердя трансформатора підсилювача.
Поява нелінійних спотворень відбувається наступним чином. На вхід поданий гармонійний сигнал (рис.2.10). На виході підсилювача за рахунок нелінійних спотворень виходить спотворений сигнал. На малюнку 2.10б він позначений як «результат». Спотворений вихідний сигнал, як і будь-який не гармонійний сигнал, може бути представлений сумою гармонійних сигналів з частотами f і 2f.
Таким чином, на виході підсилювача в сигналі з'являються додаткові частотні складові, яких немає на вході. При цьому, чим більше нелінійності характеристик УЕ, тим більше спотворюється вихідний сигнал, тим більше частотних складових з'являються в його спектрі.
Нелінійні спотворення оцінюються за допомогою коефіцієнта гармонік, який дорівнює відношенню середньоквадратичної напруги суми гармонік сигналу, крім першої, до ефективного значенням напруги першої гармоніки, при впливі на вхід підсилювача синусоїдального сигналу
де U1. U2. U3 ... Un - напруга 1-й, 2-й, 3-й ... n-й гармонік вихідного сигналу.
Іноді замість значень напруги можуть використовуватися значення струму
де I1. I2. I3 ... In - струм 1-й, 2-й, 3-й ... n-й гармонік вихідного сигналу.
Рис.2.10. Спотворення форми сигналу при посиленні
Можна знайти такий коефіцієнт другий, третій і т.д. гармонік
В цьому випадку загальний коефіцієнт гармонік також знаходиться через коефіцієнт другий, третій і т.д. гармонік
Загальний коефіцієнт гармонік многокаскадного підсилювача КГ ОБЩ визначається через коефіцієнти гармонік окремих каскадів
де кг1. Кг 2, ... КГn - коефіцієнт гармонік першого, другого і т.д. каскадів підсилювача.
Допустима величини коефіцієнта гармонік залежить від призначення підсилювача. Так, в підсилювачах високого класу КГ не повинен перевищувати 1%, для середнього класу 5-7%.
Висновки по 2-му питанню:
1. Розглянуті спотворення виникають практично у всіх підсилювачах і завдання інженерів зводиться до їх максимального зниження.
2. Нелінійні спотворення виникають у багатьох радіоелектронних пристроях і грають, крім того, важливу роль в генерації сигналів і синтезі частот.
3. Підсилювачі електричних сигналів є основними функціональними елементами засобів зв'язку:
- радіопередавальних пристроїв (РПДУ),
- радіоприймальних пристроїв (РПУ),
- пристроїв обробки сигналу.
4. Підсилювач відрізняється від інших електричних ланцюгів здатністю збільшувати не тільки амплітуду напруги (струму), а й збільшувати потужність сигналу.
5. Підсилювач повинен мати в своєму складі наступні складові частини:
- джерело вхідного сигналу,
6. Основні параметри підсилювача можуть змінюватися в відносних або логарифмічних одиницях (децибелах). У разі многокаскадного підсилювача відносні одиниці перемножуються, а логарифмічні складаються.
7. Будь-який підсилювач спотворює проходить через нього сигнал. Розрізняються частотні, фазові, перехідні, нелінійні спотворення.
8. Величини допустимих спотворень визначаються призначенням підсилювача.
Дана лекція має важливе значення в підготовці майбутнього офіцера-зв'язківця, інженера. Розглянуті в лекції питання відображають значущі для фахівця радіозв'язку моменти: розкрита фізична суть основних характеристик і параметрів будь-якого підсилювача електричних сигналів. Варто відзначити, що зазначені параметри характеризують не тільки підсилювачі, але і інші електронні пристрої, а також і такі засоби зв'язку, як радіоприймач, радіопередавач і ін.
Знання основних параметрів і характеристик підсилювача багато в чому допоможе швидше і глибше розібратися в принципах побудови і функціонування підсилювачів і інших електронних пристроїв. При цьому слід враховувати, що компетенція інженера багато в чому визначається здатністю вільно оперувати технічними термінами.