Лекция 2. Показатели и характеристики аналоговых элек-тронных устройств.

Рассматриваемые вопросы:

1. Основные технические характеристики усилительных уст­ройств: aмплитудная, амплитудно-частотная (АЧХ), фазочастотная (ФЧХ) и пе­реходная характеристики.

Основная литература:

1. Ф.И.Вайсбурд, Г.А.Панаев, Б.Н.Савельев. Электроные приборы и усилители. Изд.3-е, стереотипное. – М.: КомКнига, 2005. – 472 с.

2. Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника и МПТ: Учебник для вузов - М.: Высш. шк., 2005. - 799 с.

Амплитудная характеристика (АХ) представляет собой зависимость амплитудного (или действующего) значения напряжения сигнала на выходе усилителя от амплитудного (или действующего) значения напряжения сигнала на его входе при подаче на вход гармонического колебания неизменной частоты (обычно средней частоты полосы пропускания усилителя fср, которая, например, в УЗЧ принимается равной 1000 Гц).

На рис.3.2.1 показаны идеальная (пунктиром) и реальная (сплошной линией) амплитудные характеристики. Идеальная АХ представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат под углом β, определяемым коэффициентом усиления по напряжению tgβ =U_{вых.ср.ч}./U _{вх.ср.ч.}= К_ср.ч.

Рисунок 3.2.1

Реальная АХ отклоняется от идеальной как в области очень малых входных напряжений (вследствие наличия в усилителе собственных помех U_п.вых, действующих на выходе усилителя и при отсутствии сигнала), так и в области слишком больших входных напряжений (вследствие перегрузки УЭ, в основном выходных УЭ, выражающейся в том, что амплитуда сигнала при этом выходит за пределы линейного участка характеристики УЭ, в результате чего нарушается пропорцио-нальность между U_вых и U_вх и возникают нелинейные искажения формы сигнала).

Следует отметить, что нередко АХ представляют в виде зависимости U_вых от входной ЭДС сигнала Е_ист (на рис 3.2.1 Е_ист указано в скобках). Такая АХ называется сквозной, ее угол наклона β характеризует сквозной коэффициент усиления по напряжению К*, который будет меньше К. Сквозная АХ учитывает свойства не только выходной, но и входной цепи усилителя и, в частности, полнее учитывает нелинейные свойства усилителя.

В гармонических усилителях линейные искажения называются амплитудно-частотными (сокращенно, частотными) и фазочастотными (фазовыми). Частотные искажения самого усилителя оцениваются по амплитудно-частотной характеристике усилителя (АЧХ), представляющей собой график зависимости модуля коэффициента усиления по напряжению К от частоты при заданном и неизменном входном напряжении сигнала U_вх, которое, во избежание нелинейных искажений, не должно превышать номинального значения Uвх.ном (обычно берут U_вх<0,5U_вх.ном, что соответствует примерно середине линейного участка амплитудной характеристики усилителя).

На рис. 3.2.2 штрих-пунктирной линией, параллельной оси абсцисс, показана идеальная АЧХ, а сплошной линией – наиболее типичная для усилителей гармонических сигналов реальная АЧХ.

Для удобства анализа реальная АЧХ разбивается на три области частот: средних, нижних и верхних (см. рис. 3.2.2). В области средних рабочих частот реальная АЧХ совпадает с идеальной, так как коэффициент усиления по напряжению в области средних частот практически не зависит от частоты вследствие пренебрежимо малого влияния реактивных элементов и инерционных свойств УЭ усилителя.

Рисунок 3.2.2

В областях нижних и верхних рабочих частот реальная АЧХ отклоняется от идеальной, так как здесь уменьшается относительно коэффициента усиления на средних частотах из-за влияния реактивных составляющих сопротивлений в цепях усилителя и в нагрузке, а также из-за влияния инерционных свойств УЭ (забегая вперед, можно отметить, что завал АЧХ в области нижних частот вызывается влиянием конденсаторов и трансформаторов связи, если они используются в усилителях, а в области верхних частот – влиянием инерционных свойств УЭ и реактивных составляющих нагрузки). Частоты f_н и f_в, на которых К уменьшается до допустимого (заданного) значения относительно К_ср.ч, называются соответственно нижней граничной и верхней граничной частотами. Средняя частота усилителя определяется по выражению. Для усилителей звуковых частот (УЗЧ) и широкополосных усилителей средняя частота принимается равной 1кГц, а для УПТ - равной нулю. Область частот от нижней граничной частоты f_н до верхней граничной частоты f_в, в пределах которой изменения коэффициента усиления не превышают допустимых значений, называется диапазоном рабочих частот или полосой пропускания частот усилителя D_f.

Фазочастотные (фазовые) искажения усилителя оцениваются по его фазочастотной (фазовой) характеристике (ФЧХ), представляющей собой зависимость угла сдвига фазы jК между выходным и входным напряжениями от частоты сигнала.

Идеальными фазовыми характеристиками, при которых фазовых искажений нет, являются прямые, проходящие через начало координат (рис.3.2.3)

Рисунок 3.2.3

Это означает, что при идеальной фазовой характеристике гармонические составляющие сложного гармонического сигнала независимо от их частоты будут запаздывать на одно и то же время и, следовательно, форма сложного гармонического сигнала на выходе усилителя не будет отличаться от формы сигнала на его входе, то есть фазовых искажений не будет. Просто сложный гармонический сигнал на выходе усилителя будет запаздывать по времени относительно входного сигнала. Это запаздывание в большинстве случаев не сказывается на работе тех устройств, в состав которых усилитель входит (если же оно будет нежелательным, то принимают меры по его уменьшению).

Реальные фазовые характеристики обычно отличаются от идеаль-ных. Типичная реальная фазовая характеристика (с логарифмическим масштабом по частоте), измеренная экспериментально, имеет вид, показанный на рис.3.2.4. Как видно, в области средних частот фазовых сдвигов нет, что объясняется пренебрежимо малым влиянием реактивных составляющих усилителя и инерционности УЭ. В областях же верхних и нижних частот появляются фазовые сдвиги, вследствие заметного влияния реактивных элементов усилителя и инерционных свойств УЭ. Отклонения реальной фазовой характеристики от идеальной и приводят к фазовым искажениям сложного гармонического сигнала, так как при этом время запаздывания отдельных его гармонических составляющих будет различным.

Рисунок 3.2.4

Кроме рассмотренных АХЧ и ФХЧ усилителя гармонических сигналов часто применяются амплитудно-фазовые частотные характеристики (АФЧХ) (или годограф коэффициента усиления усилителя). Амплитудно-фазовой частотной характеристикой называют траекторию, которую описывает конец вектора комплексного коэффициента усиления на комплексной плоскости при изменении частоты от 0 до ¥. Годограф строится на основе комплексного выражения для коэффициента усиления по напряжению или сквозного коэффициента усиления откладывая векторы K (или K*) под углами jК (или j К*) на различных частотах, как показано на рис. 3.2.5. Таким образом, комплексные коэффициенты передачи можно представить в виде

K=Ke^{jj К}=K(cosj_К+jsinj_К)= Re_K(w) + jIm_K(w); (3.2.1)

Рисунок 3.2.5

Частотно-фазовая характеристика показывает изменения с частотой как модуля коэффициента усиления К (или К*), так и его аргумента jК (или jК*). Она удобна для оценки устойчивости работы усилителей с отрицательной обратной связью.

В импульсных усилителях линейные искажения усиливаемых импульсов называют переходными искажениями, так как они обусловлены переходными процессами установления токов и напряжений в цепях усилителя, возникающих из-за инерционности УЭ и из-за реактивных составляющих сопротивлений усилителя.

Их оценивают по переходной характеристике (ПХ) усилителя, представляющей собой зависимость от времени мгновенного значения напряжения (или тока) сигнала на выходе усилителя u_вых (t) при воздействии на его вход единичного мгновенного скачка напряжения (или тока), описываемого известной единичной функцией u_вх(t)=1(t) при t>0 (и u_вх(t)=0 при t<0).

В реальном усилителе различают три временных интервала, на которых характер ПХ, причины возникновения переходных искажений и их оценка различны:

- область малых времен, в которой рассматриваются искажения фронта импульса;

- область установившегося режима, когда искажениями в области малых времен можно пренебречь;

- область больших времен (искажения вершины импульса).

На рис. 3.2.6 представлены единичная функция U_вх(t)=1(t) и в общем виде две наиболее типичные реальные ПХ усилителя перемен-ного тока, различающиеся характером нарастания скачка выходного напряжения (в области малых времен): кривая 1 имеет апериодический характер, плавно нарастая до установившегося значения U_{вых.уст}.; кривая 2 иллюстрирует ПХ с колебательным процессом, затухающим до установившегося значения U_{вых.уст}. В области установившегося режима переходной процесс достигает установившегося значения с заданной точностью. В области больших времен происходит спад плоской вершины импульса. Поскольку область малых времен (при оценке искажений фронта импульса) на несколько порядков меньше области больших времен (при оценке искажения вершины импульса), то для анализа переходных искажений пользуются переходными характеристиками с разными масштабами времени.

Рисунок 3.2.6