Вопрос 3 Основные показатели усилителей

Вопрос 2.2 Оконечные устройства

Оконечные устройства радиоприемников предназначены для представления полезной информации (речевой, кодовой, радио­локационной и т. п.) в таком виде (звуковой сигнал в телефонах, показания стрелочных индикаторов, отметки на экранах индика­торов или кодированные сигналы для вычислительной машины и т. д.), который требуется потребителю (оператору, летчику, ЭВМ и т. д.) для ее восприятия и использования.

Так, например, оконечными устройствами радиоприемников авиационных связных и командных радиостанций, как правило, являются телефоны и громкоговорители, преобразующие электри­ческую энергию в звук, а также системы звукозаписи, буквопечатания, декодирования и др.

Электронно-лучевая трубка — наиболее распространенное око­нечное устройство радиолокационных и телевизионных радиопри­емников. Кроме того, радиолокационные приемники могут иметь в качестве оконечных устройств системы обработки информации, вычислительные машины и т. д.

Оконечные устройства радиоприемников навигационных систем также отличаются многообразием: пилотажно-навигационные при­боры, телефоны, вычислительные машины и т. д.

Для радиоприемников вход оконечного устройства является нагрузкой. Поэтому при проектировании радиоприемного устрой­ства необходимо заранее знать входные параметры оконечного устройства: вид электрического сигнала; входную мощность и входное напряжение (или ток); диапазон рабочих частот; входное активное и реактивное сопротивления и т. п.

Свойство усилителей звуковой частоты характеризуются следующими показателями:

1. коэффициентом усиления;

2. выходной мощностью;

3. диапазоном частот или полосой пропускания;

4. динамическим диапазоном усиления;

5. коэффициентом полезного действия;

6. искажениями (линейными и нелинейными).

Коэффициент усиления – одна из важнейших характеристик усилителя. Различают коэффициент усиления напряжения К и коэффициент усиления мощности К_р.

Коэффициент усиления напряжения численно равен отношению амплитуды напряжения на выходе усилителя U_{m вых} к амплитуде напряжения на его входе U_{m вх}:

К = U_{m вых} / U_{m вх}.

Коэффициентом усиления мощности электронного усилителя называется отношение мощности P_вых, развиваемой на сопротивлении нагрузки усилителя, к мощности P_вх, получаемой усилителем от источника входного сигнала:

К_р = P_вых / P_вх.

Можно легко показать, что коэффициент усиления многокаскадного усилителя численно равен произведению коэффициентов усиления всех каскадов:

К_общ = К₁ К₂ … К_п ,

где К₁, К₂,…, К_п – коэффициенты усиления 1 – го, 2 – го, …, п – го каскадов.

Часто коэффициент усиления выражают в логарифмических единицах, т.е. в децибелах (дБ):

К _|дБ| = 20lg К;

К_{р |дБ|} = 10lg К_р.

Тогда для последовательно включенных усилительных каскадов общий коэффициент усиления в логарифмическом масштабе будет равен сумме коэффициентов усиления отдельных каскадов:

К_{общ |дБ|} = 20lg К₁ К₂ … К_п = 20lg К₁ + 20lg К₂ + … +20lg К_п =

= К_{1 |дБ|} + …+ К_{п |дБ|}.

Аналогично для коэффициента усиления мощности.

Выходная мощность усилителя – это мощность электрических колебаний в нагрузке усилителя. В зависимости от нагрузки усилителя (типа оконечного устройства) выходная мощность может изменяться в широких пределах: от милливатт до сотен ватт. Максимальная мощность, которую можно получить на выходе усилителя при допустимом уровне искажений сигнала, называется номинальной мощностью.

Диапазон частот или полоса пропускания усилителя. Полоса пропускания электронного усилителя П_F (рисунок 1.1) – это полоса частот, на границах которой коэффициент усиления напряжения электронного усилителя уменьшается по отношению к наибольшей величине в установленное число раз.

Рисунок 3.1 – Полоса пропускания электронного усилителя

Чаще всего устанавливают допустимым уменьшение коэффициента усиления на границах полосы пропускания на 3 дБ или в = 1,41 раза. При таком снижении коэффициента усиление человеческое ухо не воспринимает искажений речевого сигнала.

Необходимая полоса частот определяется назначением усилителя. УЗЧ радиоприемников связных и командных радиостанций имеют диапазон частот от 300 до 3400 Гц. Такая полоса пропускания обеспечивает получение внятной и разборчивой речи.

В НТЧ радиоприемников импульсных сигналов применяются широкополосные усилители, имеющие диапазон частот от десятков герц до нескольких мегагерц. Полоса пропускания таких усилителей определяется длительностью и формой импульсов.

Искажения. Под искажениями, вносимыми усилителями, следует понимать изменение формы сигнала на выходе усилителя по сравнению с формой входного сигнала.

В зависимости от причин, вызывающих изменение формы сигнала, различают следующие виды искажений: линейно частотные и фазовые и нелинейные.

Частотные искажения. Любой сложный сигнал можно представить в виде набора гармонических составляющих, отличающихся своими параметрами: амплитудой, частотой и фазой. При прохождении через усилитель все гармонические составляющие сигнала должны усиливаться одинаково. В этом случае форма сложного сигнала не изменится. Усилитель, у которого коэффициент усиления остается постоянным во всем диапазоне частот, является идеальным.

Коэффициент усиления реального усилителя уменьшается на границах диапазона рабочих частот, что является причиной возникновения частотных искажений. Это уменьшение вызвано наличием в схеме усилителя частотно – зависимых реактивных сопротивлений: емкостей и индуктивностей.

Зависимость коэффициента усиления напряжения от частоты входного сигнала называется амплитудно–частотной характеристикой (АЧХ) усилителя. На рисунке 3.1 приведены амплитудно–частотные характеристики идеального 1 и реального 2 усилителей.

F_н и F_в – нижняя и верхняя граничные частоты, т.е. минимальная и максимальная частоты полосы пропускания электронного усилителя соответственно. К₀ – коэффициент усиления в области средних частот диапазона, а К_н и К_в – коэффициенты усиления на нижней и верхней граничных частотах рабочего диапазона частот усилителя.

Наиболее удобно и широко распространено изображение амплитудно–частотных характеристик в полулогарифмической и логарифмической системах координат. При полулогарифмической системе координат по оси ординат откладывают коэффициент усиления К, а по оси абсцисс – логарифмы значений частот F.

Логарифмическая система отличается от полулогарифмической тем, что в ней по оси ординат откладываются значения коэффициента усиления в децибелах (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 – Логарифмическая система в децибелах

Для количественной оценки уровня частотных искажений применяют коэффициент частотных искажений М, который равен отношению коэффициента усиления в области средних частот к коэффициенту усиления на крайних нижней и верхней частотах диапазона:

М = К₀ / К;

М_н = К₀ / К_н;

М_в = К₀ / К_в.

Коэффициент частотных искажений многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов частотных искажений всех каскадов:

М_общ = М₁ М₂ … М_п;

М_{н. общ} = М_н1 М_н2 … М_нп;

М_{в. общ} = М_в1 М_в2 … М_вп.

Коэффициент частотных искажений можно определять в логарифмических единицах:

М _|дБ| = 20lg М.

Допустимая величина частотных искажений определяется назначением усилителя. Допустимым уровнем частотных искажений считается: М_н. = М_в. = = 3 дБ. В этом случае полоса пропускания усилителей определяется на уровне 0,707 от К₀.

Для удобства сравнения АЧХ разных усилителей их обычно нормируют, т.е. строят график у = К / К₀ = f (F).

Фазовые искажения. Фазовые искажения, как и частотные, определяются наличием в схеме усилителя реактивных элементов. При прохождении гармонического колебания через усилитель происходит его сдвиг по фазе, т.е. фаза колебаний на выходе усилителя отличается от фазы на входе усилителя. Колебания разных частот при прохождении через усилитель получают разные фазовые сдвиги. Следовательно, при усилении сложных сигналов, состоящих из набора гармонических составляющих различных частот с определенными соотношениями фаз, соотношения фаз гармонических составляющих сложного сигнала на выходе усилителя изменяется, что и вызовет искажения сложного сигнала, называемые фазовыми искажениями.

Зависимость угла сдвига фаз от частоты называется фазово–частотной характеристикой.

Если фазовый сдвиг одинаков во всем диапазоне рабочих частот, то фазовые искажения сигнала отсутствуют. Условием отсутствия фазовых искажений является также линейность фазово–частотной характеристики, т.е. изменение фазового сдвига пропорционально частоте гармоник. На рисунке 3.3 приведены идеальная (а) и реальная (б) фазово–частотные характеристики. Нелинейность фазово–частотной характеристики – признак наличия фазовых искажений.

Рисунок 3.3 – Фазово–частотные характеристики

В усилителях звуковой частоты фазовые искажения, как правило, не учитываются, так как их уровень настолько мал, что человеческое ухо такие искажения не воспринимает.

Другое дело – широкополосные усилители, применяемые в радиолокации, телевидении и т.д.

Здесь фазовые искажения могут заметно изменить изображение на электронно–лучевой трубке. Допустимым, уровнем фазовых искажений считается такой, при котором сдвиги фаз на крайних частотах диапазона рабочих частот не превышают 15⁰ …20⁰.

Нелинейные искажения усилителей. Применяемые в усилителях активные приборы (транзисторы и лампы), а также трансформаторы и дроссели с ферромагнитными сердечниками являются нелинейными элементами. Это вызвано кривизной входных и выходных характеристик усилительных элементов и характеристик намагничивания трансформаторов. Эта нелинейность проявляется тем сильнее, чем в больших пределах изменяются токи и напряжения. Поэтому усилитель можно рассматривать как линейную систему только при относительно небольших амплитудах напряжений и токов.

К характеристикам нелинейных искажений усилителя относятся амплитудная характеристика АХ и коэффициент гармоник к _г.

Амплитудная характеристика – это зависимость амплитуды выходного напряжения U_{m вых} от амплитуды U_{m вх} напряжения, действующего на входе усилителя (рисунок 3.4).

Рисунок 3.4 – Амплитудная характеристика

Идеальная АХ имеет вид прямо, проходящей через начало координат. Реальная АХ начинается не от нуля, что свидетельствует о наличии собственных шумов усилителя U_ш при U_{m вх} = 0. Угол наклона АХ определяет усиление усилителя.

При больших амплитудах входного сигнала нарушается пропорциональная зависимость U_{m вых} и U_{m вх}, АХ отклоняется от идеальной. При этом возникают перегрузки нелинейных элементов, содержащихся в схеме усилителя, так как амплитуда сигнала выходит за пределы рабочего участка характеристики – появляются нелинейные искажения.

Реальный усилитель может усиливать сигналы с амплитудой напряжения не ниже U_{m вх min}, так как более слабые сигналы будут заглушать напряжением собственных шумов U_ш, и не выше U_{m вх max}, так как иначе усилитель будет вносить нелинейные искажения.

Сущность нелинейных искажений заключается в том, что в амплитудно–частотном спектре усиливаемого сигнала появляются новые гармонические составляющие. Чем больше нелинейность АХ, тем выше уровень новых гармоник и тем сильнее искажения сигнала.

Амплитудная характеристика позволяет лишь качественно оценивать нелинейные искажения. А для количественной оценки используется другая характеристика – коэффициент гармоник:

к _г = =,

где U_m1, U_m2, U_m3,…; I_m1, I_m2, I_m3,… – амплитуды гармоник напряжения или тока в спектре выходного сигнала.

Допустимая величина коэффициента гармоник зависит от назначения усилителя и составляет единицы процентов.

Динамический диапазон усилителя. Динамический диапазон электронного усилителя D (D_P) называется отношение максимальной амплитуды входного сигнала электронного усилителя U_{m вх max} (Р_{вх max}), при которой искажения сигнала достигают предельно допустимого значения, к чувствительности усилителя U_{m вх min} (Р_{вх min}):

D = U_{m вх max} / U_{m вх min}; D _|дБ| = 20lg D;

D_р = Р_{вх max} / Р _{вх min}; D_{р |дБ|} = 10lg D_р.

Чувствительность электронного усилителя называются минимальные напряжения, ток или мощность на входе электронного усилителя, при которых обеспечивается заданное превышение полезного сигнала над шумами усилителя, или заданные напряжение, ток или мощность в нагрузке усилителя.

Коэффициент полезного действия усилителя ŋ численно определяется отношением полезной мощности Р, отдаваемой усилителем в нагрузку, к мощности Р₀, отдаваемой источником питания:

ŋ = Р / Р₀.

С помощью коэффициента полезного действия оценивают экономичность усилителя.

Дата добавления: 2014-01-07