Переходные искажения и переходная характеристика

1. Краткое содержание лекции

В усилителях импульсных сигналов линейные искажения уси­ливаемых импульсов обусловлены переходными процессами уста­новления токов и напряжений в цепях, содержащих реактивные сопротивления (емкости и индуктивности). Частотные и фазовые характеристики, определяющие свойства усилителя в установив­шемся режиме, в импульсных усилителях непригодны.

· Переходные искажения – это линейные искажения в импульсных усилителях.

Причиной их появления являются те же линейных реактивных элементов,сопротивление которых зависят от частоты.

Переходные искажения на слух не воспринимаются, а проявляются при усилении видеосигналов.

Оцениваются при помощи переходной характеристики.

Переходная характеристика представляет (ПХ) собой зависимость

мгновенного значения выходного напряжения ивых (или тока) сигнала от времени t при мгновенном скачкообразном изменении напряжения (или тока) во входной цепи усилителя. Общий вид переходной характеристики усилителя переменного тока изобра­жен на рис. 1; здесь же показан и входной сигнал в виде мгно­венного скачка напряжения. Для анализа и практических расче­тов удобны нормированные переходные характеристики, в которых по вертикальной, оси откладывают Y, равный отношению мгновенного значения выходного напряжения ивых к его значению по окончании процесса установления фронта импульса ивы. устх, а по горизонтальной оси — нормированное время х — безразмерную величи­ну, пропорциональную времени и связанную с электрическими дан­ными схемы.

Рис. 1.Общий вид переход- Рис. 2.Переходная характеристика в области малых времен

ной характеристики усилителя

Переходные искажения разделяют на искажения фронтов им­пульса и искажения вершины импульса. Искажения фронта харак­теризуются временем установления ty и выбросом фронта им­пульса .

У большинства усилителей процесс установления фронта происходит за время, много меньшее длительности усиливаемых импульсов, для оценки искажений фронтов пользуются переходной характеристикой за малый отрезок времени с сильно растянутым масштабом горизонтальной оси (рис. 2), которую на­зывают переходной характеристикой в области малых времен.

За время установления принято считать отрезок времени, в течение которого выходной сигнал (переходная характеристика) на­растает от 0,1 до 0,9 своего установившегося значения (см. рис. 1.6):

Время установления выражают в секундах или долях секунды.

Выброс фронта оценивают в относительных (безразмерных) единицах или процентах как отношение разности максимальной umax и полученной после установления фронта uуст ординат пере­ходной характеристики к uуст.

При сигналах небольшой амплитуды, когда усилитесь можно считать линейным устройством, время установления и выброс оди­наковы как для фронта, так и для спада усиливаемых импульсов.

Для оценки искажений вершины импульсов пользуются пере­ходной характеристикой за большой отрезок времени с сильно сжа­тым масштабом по горизонтали (рис. 1.7), называемой переходной характеристикой в области больших времен.

Рис. 3. Переходные характеристики в обла­сти больших времен

Искажения плоской вершины импульсов оцениваются относительной величиной изменения ординаты в течение длительности Т прямоугольного импульса. В зависимости от вида переходной характеристики искажения вершины импульсов определяют по выражениям:

для характеристики типа рис. 3а(подъем)

для характеристики типа рис. 3б (спад)

Допустимая величина переходных искажений зависит от назначения усилителя и предъявляемых к нему технических требований.

Так, например, в усилителях импульсных осциллоскопов допуска­ют время установления не выше 0,3—0,5 наименьшего времени ус­тановления исследуемых этим осциллоскопом процессов, выброс — не более 1—2%, искажения вершины —не выше 2—3% для им­пульсов небольшой длительности. У телевизионных видеоусилите­лей время установления не должно превышать 0,5—0,7 длительно­сти элемента телевизионного изображения, а выброс и искажения, вершины допускают порядка 5—10%.

Частотная, фазовая и переходная характеристики большинства используемых в усилителях линейных электрических цепей однозначно связаны между собой:

· ПХ в области малых времен соответствует АЧХ в области верхних частот, т.к. фронты импульсов формируются высшими гармониками, и причиной их искажений в резисторном каскаде является малая Со=Свх.тр.+См+Свых.тр.

ПХ в области больших времен соответствует АЧХ в области нижних частот, т.к. плоская вершина импульса формируются низшими гармониками, и причиной их искажений в резисторном каскаде является большая по величине Ср.

2. Контрольные вопросы

2.1. Переходные искажения в области малых времен определяются ........

2.2. Как переходные искажения воспринимаются на слух?

2.3. Что такое переходные искажения?

2.4. Переходные искажения в области больших времен определяются ........

2.5. Каковы причины возникновения переходных искажений?

2.7. Какими параметрами оцениваются ПИ в области малых времен?

2.8. Какими параметрами оцениваются ПИ в области больших времен?

Задание на СРС

3.1. Конспект Собственные помехи в усилителе [ОЛ6.2] стр 20.

Задание на СРСП

4.1. Пояснить причины появления каждой разновидности помех.

Глоссарий

ЛЕКЦИЯ №20

Нелинейные искажения.

1. Краткое содержание лекции

6.2. Нелинейные искажения (НИ) - это появление в выходном сигнале дополнительные гармонические со­ставляющие, отсутствующие в сигнале на входе и искажающие форму выходного сигнала.

Основная причина появления нелинейных искажений в усилителе — нелинейность входных и выходных характеристик транзисторов и электронных ламп. Значительные нелинейные ис­кажения могут вносить и трансформаторы усилителя вследствие нелинейности характеристики намагничивания материала их сер­дечников.

На рис. 1а показано, как нелинейность входной характеристи­ки биполярного транзистора при подведении к его входной цепи синусоидального напряжения ивх приводит к нелинейным иска­жениям формы входного тока, а так как выходной ток транзисто­ра в первом приближении пропорционален входному току, тo не­линейные искажения последнего передаются в выходную цепь.

На рис. 1б показано возникновение нелинейных искажений в выходной цепи биполярного транзистора; при синусоидальности входного тока (положительная и отрицательная полуволны по 3мА) у выходного тока из-за снижения коэффициента усиления тока транзистора при больших выходных токах искажается форма верхушки верхней полуволны, а не нижней, как это имеет место при нелинейных искажениях, вносимых входной цепью (см. рис. 1.9а). В результате при подаче на транзистор сигналов большой амплитуды вершина нижнего полупериода выходного тока притупляется от криволинейности начала входной характеристики, а вершина верхнего — от сближения выходных характеристик при больших токах.

Рис. 1.Возникновение нелинейных искажений: а — во входной цепи транзистора; б — в вы­ходной цепи

И т.к. сигнал на выходе усилителя будет несинусоидальным, значит, появились дополнительные гармонические составляющие, которых не было во входном сигнале.

Рис.2

При работе электронной лампы без сеточных токов и полево­го транзистора без токов затвора во, входной цепи нелинейные искажения не возникают.

Чем больше нелинейность усилителя, тем сильнее искажается им синусоидальный сигнал, поданный на вход, и тем больше отно­сительная амплитуда появившихся в выходном сигнале высших гармоник. Нелинейные ис­кажения оценивают величиной коэффициента гармоник Кг,который показывает, какой процент, составляют все высшие гармоники тока или на­пряжения появившиеся в выходном сигнале от первой гармоники при активном сопротивлении нагрузки усилителя и по­даче на его вход напряжения от генератора синусоидальной ЭДС.

где I1m, I2m, I3m и т. д. — действующие или амплитудные значения первой, второй, третьей и т. д. гармоник выходного тока; U1m, U2m, U3m и т. д. — действующие или амплитудные значения первой, второй, третьей и т. д. гармоник выходного напряжения.

На слух НИ воспринимаются как ухудшение разборчивости, дребезжания, гула.

На величину НИ влияют:

· нелинейность характеристик усилительного элемента;

· положение точки покоя на характеристиках;

· амплитуда входного сигнала.

Причем, чем больше амплитуда входного сигнала, тем боль­ше нелинейные искажения. Поэтому, если рассматривать весь уси­литель в целом, то нелинейные искажения могут возникать только

в КПУ, ПОК и ОК, но наибольший сигнал будет действовать на входе оконечного каскада, а в усилителях большой мощности - и предоконечного.

Таким образом, НИ будут возникать в ОК и реже в ОК и ПОК. В каскадах предварительного усиления их не принимают во внима­ние.

В усилителях звуковых частот нелинейные искажения не ощу­щаются на слух, если коэффициент гармоник невелик (менее 0,2— 0,6%).

Допустимая величина коэффициента гармоник зависит от на­значения усилителя. Так, в усилителях для высококачественного усиления речи и музыки допускают коэффициент гармоник поряд­ка 1—2%; в таких же усилителях среднего качества — порядка 5—8%. В усилителях дальней проводной (многоканальной) связи для устранения перекрестных искажений между каналами затуха­ние нелинейности отдельных гармоник должно, быть порядка 60— 90 дБ, что соответствует коэффициенту гармоник 0,2—0,01%.

2. Контрольные вопросы

2.1. Что такое нелинейные искажения?

2.2. Поясните причины появления нелинейных искажений?

2.3. Как нелинейные искажения проявляются на слух?

2.4. Чем оцениваются нелинейные искажения?

2.5. Коэффициент гармоник, зависимость от режима работы усилитель­ного элемента и амплитуда входного сигнала.

2.6. Каковы причины возникновения нелинейных искажений в транзисторных я ламповых усилителях?

2.7. Какова допустимая величина нелинейных искажений в транзисторных и ламповых усилителях?

2.8. Какова допустимая величина нелинейных искажений в усилителях раз­личного назначения?

Задание на СРС

3.1. Конспект Нелинейность по отдельным гармоникам [ОЛ6.2] стр 27.

Задание на СРСП

4.1. Пояснить почему в импульсных усилителях оценка нелинейности при помощи ко­эффициента гармоник непоказательна. Как оценивают нелинейность таких усилителей? [ОЛ6.2] стр 28.

Глоссарий

ЛЕКЦИЯ №21

Поиск по сайту: