Амплітудно-частотна та фазо-частотна характеристики

Паралельний Коливальний контур. Резонанс струмів. Резонансний підсилювач.

Колива́льний ко́нтур або коливний контур — електричне коло, складене з резистора, ємності та індуктивності, в якому можливі коливання напруги й струму. Коливальні контури широко застосовуються в радіотехніці та електроніці, зокрема в генераторах електричних коливань, в частотних фільтрах. Вони використовуються практично в кожному електротехнічному пристрої.

Резонанс струмів

Розглянемо тепер випадок, коли біля паралельно сполученого конденсатора і котушки опинилися рівними їх реактивні опори, тобто XLL = XC.
Якщо ми, як і раніше, вважатимемо, що котушка і конденсатор не володіють активним опором, то при рівності їх реактивних опорів (YL = YC) загальний струм в нерозгалуженій частині кола виявиться рівним нулю, тоді як у вітках протікатимуть рівні струми найбільшої величини. У колі в цьому випадку наступає явище резонансу струмів.

При резонансі струмів діючі значення струмів в кожному розгалуженні, визначаються відношеннями IL = U / XL і IC = U / XC будуть рівні між собою, так XL = ХC.

Висновок, до якого ми прийшли, може здатися на перший погляд досить дивним. Дійсно, генератор навантажений двома опорами, а струму в нерозгалуженій частині кола немає, тоді як в самих опорах протікають рівні і притому найбільші по величині струми.

Пояснюється це поведінкою магнітного поля котушки і електричного поля конденсатора. При резонансі струмів, як і при резонансі напруг відбувається коливання енергії між полем котушки і полем конденсатора. Генератор, об`єднавши одного разу енергію кола, позначається як би ізольованим. Його можна було б зовсім відключити, і струм в розгалуженій частині кола підтримувався б без генератора енергією, яку на самому початку запасло коло. Так само і напруга на затискачах кола залишалася б такою самою, яку розвивав генератор.

Таким чином, і при паралельному з'єднанні котушки індуктивності і конденсатора ми отримали коливальний контур, що відрізняється від описаного вище тільки тим, що генератор, що створює коливання, не включений безпосередньо в контур і контур виходить замкнутим.

Графіки струмів, напруги і потужності в колі при резонансі струмів: а — активний опір дорівнює нулю, коло потужності не споживає; б — коло володіє активним опором, в нерозгалуженій частині кола з'явився струм, коло споживає потужність.

Значення L, С і f, при яких наступає резонанс струмів, визначаються, як і при резонансі напруг (якщо нехтувати активним опором контура), з рівності:

ωL = 1 / ωC

Отже:

fрез = 1 / 2π√LC
Lрез = 1 / ω2С
Срез = 1 / ω2L

Змінюючи будь-яку з цих трьох величин, можна добитися рівності Xl = Xc, тобто перетворити коло на коливальний контур.

Отже, ми отримали замкнутий коливальний контур, в якому можна викликати електричні коливання, тобто змінний струм. І коли б не активний опір, яким володіє всякий коливальний контур, в ньому безперервно міг би існувати змінний струм. Наявність же активного опору приводить до того, що коливання в контурі поступово затухають і, щоб підтримати їх, необхідне джерело енергії - генератор змінного струму.

У колах несинусоїдального струму резонансні режими можливі для різних гармонійних складових.

Резонанс струмів широко використовується в практиці. Явище резонансу струмів використовується в смугових фільтрах як електрична «пробка», що затримує певну частоту. Оскільки струму з частотою f виявляється значний опір, то і падіння напруги на контурі при частоті f буде максимальним. Ця властивість контура набула назви вибірковість, воно використовується в радіоприймачах для виділення сигналу конкретній радіостанції. Коливальний контур, що працює в режимі резонансу струмів, є одним з основних вузлів електронних генераторов.

Резонансний підсилювач - це підсилювач, в якості навантаження якого використовується коливальний контур. Схема найбільш часто використовується резонансного підсилювача з загальним емітером наведена на рис. 4. Тут в якості колекторної навантаження використовується па раллельно коливальний контур.

Властивості паралельного коливального контуру використовуються при роботі резонансного підсилювача. Подамо на вхід каскаду напру ження з частотою ю, рівній резонансній частоті коливального кон туру. З такою ж частотою буде змінюватися струм коллек тора, викликаючи коливання в контурі. Як відомо, на резонансній частоті індуктивна і ємнісна складові провідності конту ра однакові, а їх сума дорівнює нулю:

Отже, змінний струм колектора буде протікати тільки по резисторам Rк і RH. Так як, як правило, Rк >> RH, то більша частина струму надходить на вихід каскаду, створюючи на резистори нагруз ки RH велику вихідну напругу. Якщо частота вхідного сигналу про більше або менше резонансної частоти wр, то взаємної компен сації провідностей котушки і конденсатора контуру не відбувається і змінний струм починає відгалужуватися через котушку або конден саторі, не надійшов на вихід каскаду.

Амплітудно-частотна характеристика резонансного підсилювача наведена на рис. 5. На малюнку відзначені резонансна частота підсилю теля fp, максимальний коефіцієнт посилення Ко і смуга пропуску ня підсилювача П, обумовлена ​​за рівнем 0,707 Ko.

Знайдемо основні показники резонансного підсилювача: коефіцієн ент посилення, АЧХ і смугу пропускання. Використовуючи формулу (7.1.1) для підсилювача з загальним емітером і враховуючи, що провідність па раллельно контуру дорівнює

отримаємо

де RCH - сумарний опір паралельно з'єднаних Rке, RH "і rке. На резонансній частоті вираження в круглих дужках у знаме Натела формули (1) дорівнює нулю і модуль коефіцієнта посилення ра вен К0 = SRCH. Так як резонансний підсилювач використовується на часто тах поблизу резонансу, то зручно ввести расстройку частоти  w = w - wp. Враховуючи, що  w << wр формулу (1) перетворимо до виду

де Q = RCH / p - добротність контуру, р = wРL / wРC - характе ристических опір контуру. Модуль отриманого виразу (2) дає АЧХ резонансного підсилювача.

Підставляючи в ліву частину рівності (3) значення АЧХ, відпо вующее кордоні смуги пропускання (точка А на рис. 5), а в праву частину замість расстройки величину П / 2, отримаємо формулу для смуги пропускання підсилювача

П = fp / Q.

З формули випливає, що смуга пропускання резонансного підсилю теля при заданій резонансній частоті визначається добротністю коливального контуру. На практиці добротність Q> 10. Тому резонансні підсилювачі, як правило, мають підвищену избира ності, тобто здатністю пропускати сигнали тільки поблизу резонансної частоти і не пропускати сигнали, частоти яких су нням відрізняється від частоти резонансу. ФЧХ підсилювачів під робно розглянуті в книзі [13].

Резонансні підсилювачі широко використовуються в приймачах для виділення і посилення сигналів потрібної радіостанції і придушення сигналів інших радіостанцій. Для підвищення вибірковості у високоякісних резонансних підсилювачах замість найпростішого паралельного коливального контуру використовуються складні поло сові фільтри, що містять кілька коливальних контурів.

33. Зворотній зв*язок у підсилювачів. Коефіцієнт підсилення.

Зворотним зв’язком називають дію вхідного сигналу на вихідний сигнал підсилювача, при якому частина енергії підсиленого сигналу з виходу підсилювача подається на його вхід. Зворотні зв’язки створюють спеціально.

Зворотний зв'язок може бути корисним, якщо він виникає в результаті застосування спеціальних схем для покрахення властивостей підсилювача, або паразитним, якщо він виникає самочинно.

На рис. 1. Показано різні способи відімкнення кола зворотного з зв’язку до вхідного і вихідного кіл підсилювача.

Елемент схеми позначений буквою β ,є елементом зворотного зв’язку , завдяки якому частина напруги з виходу підсилювача попадає знову на його вхід . Якщо коло зворотного зв’язку під’єднується до виходу підсилювача,паралельно його навантаженню ,то напруга зворотного зв’язку ,буде прямо пропорційною напрузі на виході ; такий зв’язок називається зворотнім зв’язком за напругою (рис.1. а). Якщо коло зворотного зв’язку підімкнено до виходу підсилювача послідовно з його навантаженням , то напруга прямо пропорційною струму в навантаженні ;такий зворотній зв’язок називається зворотнім за струмом ./рис.1, б/. Можлива комбінація цих способів відімкнення кола зворотного зв’язку до виходу ,при якій напруга складається з двох складових ,пропорційних вихідні напрузі і струму ; такий зворотній зв’язок називається змішаним . Якщо коло зворотного зв’язку підмикається до виходу підсилювача послідовно з джерелом вхідного сигналу ,то зворотній зв’язок називається послідовним (рис.1, а). Якщо коло зворотного зв’язку підмикається до входу паралельно джерелу сигналу ,то зворотній зв’язок називається паралельним /рис.1 б/. Зворотній зв’язок може бути позитивний або негативним . Позитивний зворотній зв’язок виникає тоді коли напруга зворотного зв’язку збігається за фазою з вхідною напругою Uвх . Негативним зворотним зв’язком називається такий зв’язок між виходом і входом підсилювача ,коли напруга зворотного Uβ протилежна за фазою вхідній напрузі Uвх ,тобто ці напруги зсунуті між собою за фазою на 1800. Найпоширенішими у підсилювачах є послідовний негативний зворотній зв’язок за напругою .

У першому випадку ( >0) зворотний зв'язок називається позитивним. При <0 зворотний зв'язок називається негативним. Позитивний зворотний зв'язок підвищує коефіцієнт підсилення одночасно зменшується стабільність підсилювача та підвищується рівень нелінійних спотворень. Тому позитивний зворотний зв'язок у підсилювачах майже

не застосовується.

У загальному випадку сигнал на виході підсилювача:

де верхній знак береться при позитивному, а нижній при негативному зворотному зв'язку. Якщо (1) поділити на та використати введені коефіцієнти, можна отримати:

34 Підсилювачі низької частоти. До підсилювачів низької частоти відносяться підсилювачі звукових частот, які підсилюють електричні коливання в смузі частот, які сприймаються людським вухом ( Df = 20Гц ¸ 20кГц ). Підсилювачі низьких частот призначені переважно для підсилення і перетворення первинних коливань давачів.

Каскад попереднього посилення призначений для посилення струму або напруги сигналу, створюваного джерелом сигналу, до величини, необхідної для подачі на вхід каскаду потужного посилення. В залежності від умов роботи каскади попереднього підсилення різноманітні по використанню в них типів підсилюючих елементів, способів їх включення, схем каскадів і пр. Для зменшення числа каскадів попереднього підсилення в них використовують підсилювальні елементи з високим коефіцієнтом посилення (транзистори з великим коефіцієнтом передачі струму h _21е). Спосіб їхнього включення, режим роботи, положення точки спокою на характеристиках підсилювального елемента, електричні дані схеми межкаскадной зв'язку вибирають таким чином, щоб отримати від каскаду найбільше посилення при допустимих частотних або перехідних спотвореннях і можливо менше споживання потужності від джерел живлення. Специфічною особливістю каскаду попереднього підсилення є неповне використання характеристик підсилювального елемента через малої амплітуди вхідного сигналу, внаслідок чого параметри підсилювального елемента за період сигналу змінюються незначно. Ось чому коефіцієнти підсилення, струму і напруги таких каскадів зазвичай визначаються аналітично, без побудови динамічних характеристик змінного струму, використовуючи малосигнальні параметри підсилювальних елементів, знайдені для точки спокою (або взяті з довідника, якщо використовується зазначений у довіднику типовий режим).
У каскадах попереднього посилення для зменшення нелінійних спотворень і підвищення стабільності показників підсилювача майже завжди використовують режим А; з енергетичної точки зору це не викликає труднощів, так як споживання потужності харчування каскадами попереднього посилення невелике. Через малої амплітуди сигналу і роботи в режимі А що вносяться каскадами попереднього посилення нелінійні спотворення незначні, і розрахунок коефіцієнта гармонік таких каскадів зазвичай не виробляють. Якщо напруга сигналу на вході каскаду попереднього підсилення велике (і перевищує кілька десятих вольта), то розрахунок коефіцієнта гармонік k _r проводять так само, як для каскаду потужного посилення. Транзистори в каскадах попереднього посилення зазвичай включають з загальним емітером (витоком); включення транзистора із загальним колектором (стоком) використовується лише в особливих випадках для вхідних або вихідних каскадів підсилювача, коли ці каскади повинні мати спеціальні властивості. Включення транзистора із загальною базою (затвором) доцільно лише для вхідних каскадів, що працюють від джерела сигналу з дуже низьким внутрішнім опором (близько вхідного опору транзистора при такому включенні); в цьому випадку наскрізний коефіцієнт посилення каскаду може виявитися не нижче, ніж при включенні з загальним емітером (витоком), а багато показників каскаду покращаться. Напруга джерела живлення кінцевого (вихідного) каскаду підсилювача зазвичай виявляється цілком достатнім і для харчування всіх каскадів попереднього посилення з урахуванням включення в ланцюг живлення розв'язують і згладжуючих фільтрів. Для скорочення витрати енергії харчування в каскадах попереднього посилення застосовують малопотужні підсилювальні елементи. У транзисторних каскадах попереднього посилення як звукової частоти, так і широкосмугових немає необхідності будувати навантажувальні прямі постійного струму для вибору точки спокою; струм спокою вихідний ланцюга транзисторів вибирають можливо малий, лише забезпечує необхідну для подачі на наступний каскад амплітуду струму сигналу та задовільні підсилювальні властивості використовуваного транзистора .

Амплітудно-частотна та фазо-частотна характеристики.

Амплітудно-частотна та фазо-частотна характеристики. Лінійні спотворення. Залежність модуля коефіцієнта підсилення від частоти називається частотною характеристикою підсилювача, графічне зоб­раження якої для підсилювачів змінної напруги показане на рис.а. Оскільки модуль коефіцієнта підсилення на різних часто­тах має різні значення, гармонічні складові вхідного сигналу підсилю­ються неоднаково, і форма вихідного сигналу відмінна від форми вхід­ного сигналу. Це явище називається частотним спотворенням і спричи­нене реактивними елементами підсилювача, опір яких залежить від частоти. Крім того, від частоти залежать і фізичні параметри напівпро­відникових приладів — активних елементів схеми підсилювача. Частотні спотворення, які вносить підсилювач на частоті f, врахо­вує коефіцієнт частотних спотворень М, що дорівнює відношенню модулів коефіцієнтів підсилення на середній і даній робочій частоті: М = K_П0 /Knf. Для багатокаскадного підсилювача

Як правило, коефіцієнт частотних спотворень знаходять на граничних частотах fн.гр та fв.гр умовної смуги пропускання підсилювача, яка РИС являє собою діапазон частот Df=fв.гр—fн.гр. в межах якого зміна модуля коефіцієнта підсилення не перевищує заданої величини Mн = Кпо/Кп.н і Мв=Кпо/Кп.в. В ідеальному випадку, коли підсилювач не вносить частотних спотворень (М = 1), частотна характеристика повинна бути прямою (рис. а), паралельною осі частот. Фазочастотна характеристика відображає залежність кута зсуву фази між вхідною та вихідною напругами, або аргументу коефіцієнта підсилення К від частоти (рис.). Позитивне значення кута j відповідає випередженню, а від'ємне — відставанню вихідної напруги відносно вхідної. Відзначимо, що під фазовим розуміють зсув, зумов­лений реактивними елементами підсилювача, а той, що вноситься ак­тивними елементами на 180 ел. град., не беруть до уваги. За фазочастотною характеристикою оцінюють фазові спотворення, які вносить підсилювач, порушуючи фазові співвідношення між ок­ремими гармонічними складовими складного сигналу і змінюючи його форму на виході. Якщо фазовий кут j пропорційний частоті, то це означає, що будь-яка гармоніка складного сигналу має той самий ча­совий зсув t і фазова характеристика j = -2pft, зображена на рис. штриховою лінією, є ідеальною. Сигнал при проходженні через підсилювач зсувається в часі, однак його форма залишається не­змінною . Нелінійний характер реальної фазо-частотної характеристи­ки вказує на різні часові зсуви для окремих гармонік сигналу склад­ної форми. Тому фазові спотворення, які оцінюються так, як і частот­ні спотворення на нижній fн.гр і верхній fв.гр граничних частотах смуги пропускання, визначаються не абсолютним значенням кута j, а різницею ординат Ф фазочастотної характеристики і дотичних до неї (штрихпунктирні лінії на рис.). Очевидно, Фн = jн і Фв<jв . З порівняння амплітудно-частотної і фазо-частотної характеристик видно, що фазові спотворення свідчать про існування й частотних спотворень. Всі вони зумовлені лінійними елементами схеми, тому їх ще називають лінійними спотвореннями.

Децибел - логарифмічна одиниця рівнів, затуханий і підсилень. [1]

Величина, виражена в децибелах, чисельно дорівнює десятковому логарифму безрозмірного відносини фізичної величини до однойменної фізичної величини, прийнятої за вихідну, помноженому на десять:

де AdB - величина в децибелах, A - виміряна фізична величина, A0 - величина, прийнята за базис.

Децибел - це безрозмірна одиниця, застосовувана для вимірювання відношення деяких величин - «енергетичних» (потужності, енергії, щільності потоку потужності і т. п.) або «силових» (сили струму, напруги тощо). Іншими словами, децибел - це відносна величина. Чи не абсолютна, як, наприклад, ват або вольт, а така ж відносна, як кратність («трикратне відмінність») або відсотки, призначена для вимірювання відношення («співвідношення рівнів») двох інших величин, причому до отриманого відношенню застосовується логарифмічний масштаб. Російське позначення одиниці «децибел» - «дБ», міжнародне - «dB» [2] (неправильно: дб, Дб). Децибел не є офіційною одиницею в системі одиниць СІ, хоча за рішенням Генеральної конференції з мір та ваг допускається його застосування без обмежень спільно з СІ, а Міжнародне бюро мір і ваг рекомендувала включити його в цю систему.

Області застосування

Децибели широко застосовуються в будь-яких областях техніки, де потрібна вимір величин, змінних в широкому діапазоні: в радіотехніці, антеною техніці, в системах передачі інформації, в оптиці, акустиці (в децибелах вимірюється рівень гучності звуку) та ін Так, в децибелах прийнято вимірювати динамічний діапазон (наприклад, діапазон гучності звучання музичного інструменту), загасання хвилі при поширенні в поглинаючої середовищі, коефіцієнт посилення і коефіцієнт шуму підсилювача.

Децибели використовуються не тільки для вимірювання відношення фізичних величин другого порядку (енергетичних: потужність, енергія) і першого порядку (напруга, сила струму). У децибелах можна вимірювати відносини будь-яких фізичних величин, а також використовувати децибели для подання абсолютних величин (див. опорний рівень

Поиск по сайту: