Многосигнальная избирательность 4 страница

Величину, обратную ординате y на краях заданной полосы П_y, называют также коэффициентом частотных искажений (дБ). Для апериодического усилителя ее обозначают М_П=20lg(1/y), а для селективного s_п=20lg(1/y). Широко применяют значения y=0,707 (M=3 дБ), y=0,5 (M=6 дБ).

Полоса задерживания, заграждения – интервал частот, в пределах которого подавление мешающего сигнала s_f=1/y не меньше заданного. Для апериодического и для селективного усилителей, соответственно

s_F = K_F0/K_F ; s_f = K_f0/K_f .

Коэф. прямоугольности нормированной АЧХ по заданной ее ординате y

k_прм.y = П_y/П_y=0,7 ³ 1.

Чем ближе значение k_прм.y к единице, тем прямоугольнее форма АЧХ, тем лучше полосовые и селективные качества усилителя. Полосу частот, оцениваемую по ординатам АЧХ y=0,0001; 0,001; 0,01; 0,1 (или по подавлению мешающего воздействия на 80, 60, 40 и 20 дБ, соответственно) в стандартах радиосвязи называют полосой мешания (от слова помеха, а не перемешивать). Тогда коэф. прямоугольности АЧХ есть отношение полосы мешания к полосе пропускания. Например, k_прм-60=П_-60/П_-3.

Односигнальная селективность селективного усилителя – выраженное в децибелах отношение единичной ординаты нормированной АЧХ на резонансной частоте фильтра f₀ и ординаты y_f на заданной частоте f:

s_f = 1/ y_f = K_f0/K_f >>1.

Селективность радиоприемников определяют по нескольким видам регулярных и комбинационных помех (см ст. 17.30, 17.31).

В анализаторах спектра сигналов селективность косвенно определяет также разрешающую способность по частоте – минимальную разность частот, при которой можно различить заданные уровни спектральной плотности амплитуд сигналов.

Коэффициент перекрытия диапазона частот – отношение k_дп=f_0max/f_0min.Используется в селективных перестраиваемых усилителях для оценки характера изменения отношения резонансных коэффициентов усиления K_0max/K_0minпри настройке в заданном диапазоне частот.

Искажения управляющего сигнала – изменения его формы и других параметров на выходе вследствие отклонения характеристик усилителя от идеальных, желаемых.

Линейные искажения (частотные, фазовые, переходные) – те, что обусловлены пассивными реактивными элементами цепей: полезными, которые используют как элементы связи, и паразитными.

За меру отклонений формы АЧХ от плоской в границах полосы пропускания принимают величину, обратную ординате y на краях заданной полосы П_y. Ее называют коэффициентом частотных искажений (дБ) и для апериодического усилителя обозначают М_П=20lg(1/y), для селективного s_п=20lg(1/y). Мерой фазовых искажений (отклонения формы ФЧХ реального усилителя от линейной) принято групповое время задержки(ГВЗ) – мгновенное запаздывание фазы каждого спектрального компонента выходного сигнала относительно входного t_гр=dj(f)/df, а также разность между максимальным и минимальным значениями этой производной в диапазоне частот.

Переходные искажения оценивают отклонением нормированной ПХ h(t) от единичного скачка напряжения (см. ст.1.7) с помощью трех параметров: времени нарастания (установления) t_уст или спада t_сп ПХ, в течение которых h(t) изменяется от 0,1 до 0,9 (или наоборот) своего установившегося значения; относительного выброса d, возникающий при переходном процессе; скалывания D вершины импульса за время его длительности t_имп.

Нелинейные искажения и нелинейные явления, связанные с нелинейностью сквозной ДХ, сопровождаются появлением на выходе усилителя спектральных компонентов с частотами, отсутствующими на входе.

Коэффициент нелинейных (гармонических) искажений (КГИ) n-го порядка сигнала или его огибающей – выраженное в процентах отношение эффективного значения n-й гармоники сигнала к среднеквадратическому значению всего выходного сигнала в нагрузке.

Коэффициент гармоник полный – корень квадратный из суммы квадратов КГИ всех порядков согласно ТЗ.

Коэффициент нелинейности пилообразных импульсных сигналов

k_нл = (tga_max–tga_min) / tga_max.

Здесь в числителе – наибольшее и наименьшее значения производной dU_вых/dt, a – угол между искаженной, дугообразной «пилой» и касательной к ней в точках максимальной и минимальной кривизны.

Линейные и нелинейные искажения, несмотря на различную природу, взаимосвязаны и могут вызывать комбинированные искажения (не путать с комбинационной помехой, описанной в ст. 17.31).

Нелинейные явления возникают при перегрузке транзистора большим входным сигналом или при одновременном действии на его входе нескольких колебаний, если уровень хотя бы одного из них или суммарного сигнала перегружает (насыщает) транзистор. Нелинейные явления при U_вх→0 (начальныйучасток ВАХ) не учитывают даже в аппаратуре высшей категории качества (Hi–Fi). В селективном усилителе нелинейной является зависимость первой гармоники выходного тока от уровня сигнала. Коэф. гармоник k-го порядка огибающей модулированного ВЧ сигнала, коэффициенты блокирования, перекрестных искажений, взаимной (интер-) модуляции, по которым оценивают многосигнальную селективность,– см. ст. 17.13, 17.31.

В апериодических усилителях важнейшим показателем является коэффициент интермодуляционных (взаимных) искажений n-го порядка – выраженное в децибелах или в процентах отношение среднеквадратического значения напряжения, представленного суммой спектральных компонентов с частотами

F_c = F₂±(n–1)F₁,

к напряжению с частотой F₂, где n>>2 – целое число, а F₁<F₂. Полный коэффициент интермодуляционных искажений – корень квадратный из суммы квадратов коэффициентов всех n порядков, согласно техническому заданию.

Входные параметры: полное и резистивное входное сопротивление (проводимость) в диапазоне рабочих частот при известных максимальной и минимальной ЭДС e_г генератора с внутренним сопротивлением Z_г. Для ОУ вводят дополнительные входные параметры (см. ст. 24.17).

Выходные параметры (на примере звукотехнических устройств): выходное сопротивление (проводимость); номинальное выходное напряжение; КПД и выходныемощности – номинальная (ограниченная заданным полным коэффициентом гармоник сигнала k_г), максимальная (ограниченная k_г<10%) и кратковременная(пиковая, или «музыкальная» – в зарубежных стандартах),под которой понимают Р_вых при воздействии непродолжительного сигнала, не успевающего снизить напряжение автономного источника питания. У высококачественных мощных УЗЧ задают также коэффициент демпфирования – отношение сопротивления резистивной нагрузки R_н.рзс к выходному сопротивлению R_вых усилителя; значение

k_дмп = R_н.рзс / R_вых = 10 ¾ 100

обеспечивает высококачественное, естественное воспроизведение музыкальных программ усилителем и громкоговорителем категории Hi-Fi.

Внутренние помехи: шумы, фоны, дрейф нуля – причины сокращения снизу полного динамического диапазон усилителя.

Шумы – флюктуационные напряжения, токи хаотического движения свободных носителей (электронов, «дырок») – теплового, дробового т. п. Шумы важно учитывать при усилении слабыхсигналов операционным усилителем (см. ст.24.17), устройствами обработки сигналов на базе ОУ (см. ст.24.1), радиоприемником (см. ст. 17.32).

Фон – мешающее постороннее переменное напряжение на выходе устройства, вызванное пульсациями выпрямленного напряжения в цепях источника питания, а также наводками электрических и магнитных полей в цепях и межэлементных соединениях с частотой сети или ее гармоник. Фон оценивают допустимым фоновым напряжением на заданной резистивной нагрузке с сопротивлением R_н.

Дрейф нуля – изменение выходного напряжения усилителя постоянного тока при строго неизменном (или нулевом) входном сигнале вследствие колебания температуры среды, параметров источника питания, влияния радиации, старения АЭ. Абсолютный дрейф нуля оценивают в микровольтах на выходе устройства при подключении к его входу эквивалента внутреннего сопротивления R_г источника сигнала. Приведенный ко входу усилителя дрейф нуля – отношение абсолютного дрейфа к коэффициенту усиления К.

Режим работы активного элемента– определенное соотношение между амплитудой сигнала и постоянными напряжением и током выходного электрода АЭ (положением рабочей точки покоя), которое обеспечивает заданное время прохождения выходного тока в течение действия периода сигнала. Угол отсечки выходного тока Θ – выраженная в угловых единицах (градусах, радианах) половина части периода гармонического сигнала, в течение которой через АЭ проходит переменный выходной ток. Общепринятые режимы обозначаются литерами А, АВ, В, С.

Режим А: угол отсечки Θ=p, точка покоя А (Рис.24.99) лежит на середине сквозной динамической характеристики (ДХ, см. Рис.24.43), амплитуда выходного тока не превышает значение постоянного тока в рабочей точке I_0А, выходной ток существует на протяжении всего периода сигнала е_г, КПД h_max<25¾ 30%, коэф. гармоник k_г=2¾ 5%.

Режим В – идеализированный, соответствует искусственно выпрямленной сквозной ВАХ для получения удобных упрощенных формул; угол отсечки Q=p/2, точка покоя В лежит на оси Е_см справа от начала координат, ток покоя I_0В=0, выходной ток проходит в течение полупериода входного сигнала, теоретический КПД η_max→78%. Коэф. гармоник k_г→43%, и для усиления гармоническихсигналов приемлем лишь симметричный двухтактный каскад (см. ст. 24.16) с компенсацией четных гармоник.

Режим АВ – реальный: угол отсечки Θ_АВ>π/2 (лежит в пределах π>Θ>π/2), выходной переменный ток существует дольше полупериода входного сигнала, в соответствии с нелинейной на малых уровнях формой ДХ.

Режим С: угол отсечки Θ>π/3 (лежит в пределах π/2>Θ>π/3), выходной ток равен нулю не только при отсутствии входного сигнала, но и при малых уровнях е_г, поскольку точка покоя С находится слева от начала координат. Этот режим более экономичен, чем режим АВ, но характеризуется большими нелинейными искажениями, из-за чего применяется в мощных селективных усилителях и радиопередатчиках (см. ст. 16.1) с подавлением четных и нечетных гармоник выходного тока.

Общий недостаток режимов А, В, С – уменьшение КПД с уменьшением амплитуды сигнала. Этот недостаток в разной мере устраняют режимы АD, BD, E, ABE.

В режиме D АЭ работает как электронный ключ: он то закрыт, то открыт. В первом состоянии ток I_вых→0, а во втором – напряжение E_K→0, так что в обоих состояниях АЭ потребляемая им мощность незначительна и КПД η→90%. Режим D применяют в вычислительной технике, где уровень выходных импульсов не должен зависеть от уровня входного сигнала. Для усиления в режиме D гармоническихсигналов их предварительно преобразуют в сигналы с широтно-импульсной модуляцией одинаковой амплитуды: длительность импульса пропорциональна мгновенному значению напряжения сигнала.

В режиме AD формируют униполярные, а в режиме BD – двуполярные импульсы и осуществляют двухтактное усиление с двойным управлением AЭ; в обоих случаях нужен интегратор импульсов, например ФНЧ. Пример схемы усилителя в режиме AD показан на Рис.24.47,б.

Режим Е (Рис.24.100) отличается от предыдущих тем, что точка покоя АЭ не зафиксирована, а изменяет свое положение от АВЕ₁ (при уровне входного сигнала U_m1) до АВЕ₂ (при уровне U_m2). В обоих положениях падение напряжения на АЭ, в его активной зоне(см. ст. 24.18), – минимальное, что достигается использованием вторичных, регулируемых источников питания (известных как РИП). В режиме АВЕ, как и в режиме АВ, угол отсечки Θ>π/2. Μинимальные потери напряжения в активной зоне транзистора обусловлены одинаковыми максимальными коэффициентами использования напряжения ξ=U_вых/E_п (см. ст. 16.1) независимо от уровня сигнала, что недостижимо в режимах А, В, С. Результат – очень высокий КПД (свыше 90%). Экономичность режима АВЕ крайне важна для сигнала с большим одновременным динамическим диапазоном (см. эту ст., выше); нелинейные искажения и коэф. гармоник значительно меньше, чем в режиме D, благодаря работе АЭ в активной зоне его ВАХ.

Усилительный активный элемент(АЭ) – электронный прибор, предназначенный для преобразования энергии источника питания в энергию полезных выходных сигналов (см. Рис.24.98). Это основной элемент усилителя, в котором используется явление электронной проводимости в полупроводнике, вакууме, газах; значения его параметров изменяются в зависимости от управляющего сигнала – тока, напряжения. Свойства конкретных АЭ – см. гл. 11 и 29.

Цепь межкаскадной связи усилителя (ЦМС)– полезная составляющая полной нагрузки каскада, совокупность электрорадиоэлементов, с помощью которых сигнал от одного АЭ с выходным сопротивлением R_i через элементы связи и согласования ЭС (см. Рис.24.98), передается на вход следующего каскада с сопротивлением Z_вх.сл. Примеры ЦМС – один или несколько резисторов, конденсаторов, дроссель, трансформатор, колебательный контур, сложный электрический фильтр, а также транзисторы или диоды с цепями питания (динамическая нагрузка). Полную нагрузку каскада представляет параллельная цепочка с сопротивлением

Z_н = Z_ЦМС║Z_вх.сл,

где Z_ЦМС – сопротивление ЦМС.

Элемент связи усилителя– согласующее звено (Рис.24.98) для подключения двух АЭ усилителя к цепи межкаскадной связи (ЦМС) – полезной составляющей полной нагрузки каскада (см. ст.24.24, выше). Согласующее звено – это резисторы, конденсаторы, дроссели, трансформаторы. Некоторые из этих элементов могут одновременно также выполнять разделительную функцию для путей переменного и постоянного тока (Рис.24.67,б). Полное включение АЭ в ЦМС или гальваническое соединение двух АЭ, как, например, в УПТ, свидетельствует о том, что элементом связи является обычный проводник, провод.

1 Здесь и далееполужирным шрифтом выделены параметры, учитывающие действие обратной связи.

1 Выделение параметров полужирным шрифтом свидетельствует о наличии ОС.

[1] Полужирным шрифтом здесь и далее выделены параметры, учитывающие влияние внешней ОС (см. ст. 24.17. – ОУ).