Фазово-частотная характеристика

Соотношение (3.4) можно представить в следующем виде:

. (3.8)

Отсюда найдем аргумент комплексного выражения (3.8):

. (3.9)

Полученная формула позволяет рассчитать фазовый сдвиг, который получит гармонический сигнал с некоторой частотой f при его прохождении через один усилительный каскад. Так, например, на частоте отношение и фазовый сдвиг сигнала будет равен - 45⁰. При увеличении частоты в об­ласти , фазовый сдвиг сигнала будет стремиться к j = -90⁰ асимптотически. Если операционный усилитель составлен из нескольких, последовательно соединенных каскадов, то фазовые сдвиги сигнала во всех каскадах суммируются. и фазовая характеристика усилителя равна сумме фазовых характеристик всех каскадов, входящих в состав усилителя.

Изменение ЛАЧХ усилителя при включении отрицательной

обратной связи.

Допустим, что однокаскадный усилитель без обратной связи характеризуется зависимостью коэффициента усиления от частоты вида:

. (3.15)

Для коэффициента усиления этого усилителя, охваченного ООС с коэффициентом ООС, равным b , имеем соотношение:

. (3.16)

Подставив (3.15) в (3.16), получим:

(3.17)

Здесь К₀ − это величина коэффициента усиления усилителя, охваченного обратной связью, на нулевой частоте,

, (3.18)

-. это величина коэффициента усиления на нулевой частоте усилителя без обратной связи. Как видно, в результате действия ООС величина коэффициента усиления уменьшилась в раз по сравнению с первоначальным коэффициентом усиления А₀. Обычно на практике . Логарифмируя (3.18 ) и учитывая, что , можно записать

. (3.19) Это соотношение отражено графически на рис. 3.1 указателями в виде стрелок.

Вместе с тем, из выражения (3.17) видно, что в результате действия ООС полоса пропускания усиления увеличилась и составляет не f_гр, как ранее, а значительно большую величину:

. (3.20)

Полоса пропускания увеличилась в раз. Рост полосы пропускания практически пропорционален величине петлевого усиления .

Нормируемые характеристики инструментального усилителя:

• Диапазон частот;

• Диапазон изменения модуля коэффициента передачи;

• Допустимая погрешность модуля коэффициента передачи;

• Нестабильность модуля коэффициента передачи в полосе частот;

• Уровень шума;

• Входное сопротивление;

• Выходное сопротивление;

• Выходное напряжение;

• Коэффициент нелинейных искажений;

Основным требованием к измерительным усилителям является точность, для обеспечения которой необходимо выполнение следующих условий:

• стабильность коэффициента усиления,;

• бесконечно большой коэффициент ослабления синфазного сигнала;

• равенство нулю входного и выходного напряжений смещения;

• равенство нулю входного импеданса.

Указанным условиям удовлетворяют схемы измерительных усилителей на базе операционных усилителей (ОУ) с глубокой отрицательной обратной связью.

Идеальный измерительный усилитель обладает следую­щими характеристиками: постоянный коэффициент усиления, не завися­щий от времени, частоты и амплитуды входного сигнала, сопротивления нагрузки, температуры и влажности; бесконечный коэффициент подавле­ния синфазного напряжения и изменений напряжения питания; нулевые входное и выходное напряжения смещения и дрейфы этих смещений, а также нулевой выходной импеданс при любых амплитудах сигнала, от­даваемого усилителем в нагрузку.

Динамические характеристики определяют инерционные свой­ства измерительных усилителей и представляют собой зависимость информативного параметра выходного сигнала от меняющихся во времени параметров входного сигнала. К динамическим относятся переходная, амплитудная и фазово-частотная характеристики уси­лителя. Динамические свойства измерительных усилителей характери­зуются также быстродействием — скоростью и временем измерения (временем установления показаний).

Скорость измерения опреде­ляется максимальным числом измерений в единицу времени, вы­полняемых с нормированной погрешностью.

Время измерения — время, прошедшее с момента начала измерения до получения ре­зультата с нормированной погрешностью. Наряду с условиями эксплуатации для всех измерительных усилителей задаются предельные условия транспортирования и хра­нения, не изменяющие метрологических свойств усилителей после их возвращения в рабочие условия.

Классификация и обозначения инструментальных усилителей.

Усилители высокочастотные — приборы для усиления напряжения переменного тока высоких и сверхвысоких частот.

Усилители низкочастотные— приборы для усиления напряжения переменного тока инфразвуковых, звуковых или ультразвуковых частот (до 200 кГц).

Усилители универсальные — приборы для усиления напряжения постоянного и переменного тока.

Усилители селективные.

Усилением называют увеличение мощности полезного сигнала при сохранении его формы. Различают апериодические и селективные усилители. Апериодические усилители не содержат избирательных систем, имеют широкую полосу пропускания и плоскую АЧХ. Селективные усилители обеспечивают частотную избирательность благодаря включению в них избирательных систем. В супергетеродинном приемнике усилители частоты сигнала имеют один или два каскада, усилители промежуточной частоты обеспечивают основное усиление и избирательность по соседнему каналу приема и являются многокаскадными.

Электрические характеристики селективных усилителей

Основные электрические характеристики селективного усилителя:

– резонансный коэффициент усиления – коэффициент усиления на частоте настройки избирательной системы усилителя;

– полоса пропускания – полоса частот, в которой неравномерность амплитудно-частотной характеристики не превышает заданной величины

(обычно определяется по уровню половинной мощности);

– частотная избирательность – степень уменьшения коэффициента

усиления при частотной расстройке;

– коэффициент шума – показатель уровня собственных шумов усилителя;

– диапазон рабочих частот – диапазон изменения резонансных частот усилителя;

– динамический диапазон – диапазон допустимых уровней входного сигнала;

– устойчивость при изменении внешних условий (питание, температура);

– линейные, нелинейные и переходные искажения.

Резонансный коэффициент усиления K0 , полоса пропускания П и частотная избирательность при расстройке Δf определяются по амплитудно-

частотной характеристике усилителя (рис. 2.1).

Рисунок 2.1 – Амплитудно-частотная характеристика усилителя.

Коэффициент шума определяется отношением двух величин: отношение сигнал/шум на входе усилителя делится на отношение сигнал/шум на его выходе. Динамический диапазон в случае амплитудной модуляции определяется по линейной части амплитудной характеристики. Устойчивость усилителя предполагает сохранение его электрических параметров при изменении температуры или режима питания. Оценку искажений производят для закона модуляции, соответственно амплитудной или частотной. Переходные искажения характеризуют временем установления и запаздывания сигнала при подаче на вход усилителя радиоимпульса с прямоугольной огибающей.

Селективные усилители применяют там, где из совокупности принимаемых сигналов необходимо выделить только сигналы, занимающие определенный участок спектра частот. Полосу частот, в которой сигналы усиливаются, называют полосой пропускания (прозрачности).

Полосу частот, в которой сигналы подавляются, называют полосой заграждения (задержания). В зависимости от взаимного расположения полос пропускания и заграждения различают следующие виды усилителей: нижних частот, верхних частот, полосовые пропускающие, полосовые заграждающие.