Частотная характеристика усилителя как снимается

ЧАСТОТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА УСИЛИТЕЛЯ

Частотная характеристика усилителя показывает зависимость коэффи­циента усиления К от частоты f сигнала, поданного на вход усилителя. Это один из важнейших параметров, так как если К<>) неравномерна, т. е. не пря­молинейна, то это сигнализирует о том, что усилитель по-разному усиливает сигналы разных частот, тем самым внося частотные искажения. Правда, частот­ная характеристика реального усилителя (рис. 19) никогда не бывает абсолютно прямолинейной, на ней есть подъемы и провалы, причем часто эти неравномерности в усилении создают искусственно, чтобы ком­пенсировать неравномерности ча­стотных характеристик головок громкоговорителей и модуляции высокочастотного сигнала, зава­лы частотной характеристики маг­нитных лент при звукозапи­си и т. п.

clip image002 thumb51

Рис. 19. Частотная характеристика УЗЧ

clip image004 thumb46

Рис. 20. Включение измерительных приборов для измерения параметров УЗЧ

Помимо номинальной выходной мощности усилителя иногда определяют мощность, при которой коэффициент гармоник равен 10%, т е максимальную мощность Рmах.

Итак, допустим, что номинальное входное напряжение UBX ном измерено Очевидно, что это будет то максимальное напряжение, которое может ока заться на входе усилителя в реальных условиях Уровень входного сигнала при определении частотной характеристики усилителя выбирают 0,5UВ1 ном, ис исходя из следующих соображений. Если принять уровень испытательного сиг­нала равным Uвх ном, то возникнут некоторые ограничения по максимуму в каскадах усилителя в насыщении магнитопровода выходного трансформатора и т п, а ведь именно по этим причинам возрастают нелинейные искажения Все это, влияя на форму частотной характеристики, исказит ее по сравнению с характеристикой при работе усилителя с меньшими уровнями входного сиг­нала Если же выбрать очень малый уровень испытательного сигнала, то бу­дут сказываться нелинейные начальные участки характеристик транзисторов вы-ходного каскада, напряжения шумов, паразитные наводки, что тоже приведет к искажению формы частотной характеристики Поэтому выбирают «золотую середину» — 0,5Uвх ном, что, кстати, соответствует наиболее вероятному в ра­бочих условиях уровню входного сигнала

clip image006 thumb39

Рис 21 Амплитудная характе ристика УЗЧ

При определении возможных уровней входного сигнала можно определить и амплитудную характеристику усилителя на частоте 1000 Гц Для этого уста­навливают UBx = l,5UBX ном, измеряют и записывают соответствующее ему ивых Затем уменьшают UBZ (делителем на выходе ЗГ), вновь измеряют Uвых, и так до минимально возможного напряжения входного сигнала (уровня, при ко­тором сигнал на выходе менее чем на 3 дБ, т е примерно в 1,5 раза, превышает шумы усилителя) По результатам измерений строят амплитудную характе­ристику усилителя (рис 21) Масштаб оси мвх лучше брать логарифмическим, так как входное напряжение изменяется в боль ших пределах от милливольт до деся­тых долей вольта Желательно чтобы эта характеристика быча более линейной, хотя иногда нужны усилители с опреде ленной формой амплитудной характери стики, например с логарифмической за висимостью усиления Для обычных УЗЧ допустимы небольшие отклонения от ли­нейности, особенно в области минимальных и максимальных входных напряжений.

Как уже говорили, при определении частотной характеристики усилителя Уровень входного сигнала устанавливают равным 0,5U„х ном, затем измеряют и записывают выходное напряжение на частоте 1000 Гц, которое будет нуле вым уровнем Затем частоту ЗГ последовательно изменяют в сторону снагаала Уменьшения затем увеличения, поддерживая уровень его входного напряже ния равным 0,5U„х ном Для каждой частоты записывают соответствующее вы­ходное напряжение Поскольку UBX в процессе измерения неизменно, то UВЫх, нанесенные на график в координатах UBha(f), покажут зависимость коэффи­циента усиления К=Uвыт/Uвх от частоты f (см рис 19) Ее можно построить и в значениях коэффициента частотных искажений Af=20 lg(UBbiX mafUBblx f).

При градуировке выходных делителей ЗГ в децибелах частотную характеристику можно получить и без вычислений. Для этого замечают показания вольтмегра на выходе усилителя, а затем для каждой из частот устанавливают делителем выходное напряжение ЗГ, при котором отклонение стрелки вольтетра остается неизменным. Тогда коэффициент частотных искажений в децибелах для данной частоты будет равен изменению выходного напряжения ЗГ. Например, если при сигнале частотой 1000 Гц для отклонения стрелки вольт­метра на некоторый угол при уровне входного сигнала UВх = 0,5Uвх.ввм де­литель ЗГ будет установлен в положение 24 дБ, а при переходе на частоту 4000 Го, для такого же отклонения стрелки вольтметра на выходе усилителя делитель генератора приходится поставить в положение 27 дБ, то на этой ча­стоте мы имеем подъем частотной характеристики усилителя на 3 дБ относи­тельно уровня на частоте 1000 Гц. Но не следует забывать, что при пере­стройке ЗГ с одной частоты на другую, его выходное напряжение может из­меняться, поэтому по встроенному вольтметру генератора надо следить, чтобы напряжение на входе делителя на частоте 4000 Гц было таким же, как и при сигнале частотой 1000 Гц.

Источник

Что такое АЧХ и ФЧХ

Амплитудно-частотная характеристика

Аббревиатура АЧХ расшифровывается как амплитудно-частотная характеристика. На английском этот термин звучит как «frequency response», что в дословном переводе означает «частотный отклик». Амплитудно-частотная характеристика цепи показывает зависимость уровня сигнала на выходе данного устройства от частоты передаваемого сигнала при постоянной амплитуде синусоидального сигнала на входе этого устройства. АЧХ может быть определена аналитически через формулы, либо экспериментально. Любое устройство предназначено для передачи (или усиления) электрических сигналов. АЧХ устройства определяется по зависимости коэффициента передачи (или коэффициента усиления) от частоты.

Коэффициент передачи

Что такое коэффициент передачи? Коэффициент передачи — это отношение напряжения на выходе цепи к напряжению на ее входе. Или формулой:

K u

Uвых — напряжение на выходе цепи

Uвх — напряжение на входе цепи

radio circuit other

В усилительных устройствах коэффициент передачи больше единицы. Если устройство вносит ослабление передаваемого сигнала, то коэффициент передачи меньше единицы.

Коэффициент передачи может быть выражен через децибелы:

coef amp

Строим АЧХ RC-цепи в программе Proteus

Для того, чтобы досконально разобраться, что такое АЧХ, давайте рассмотрим рисунок ниже.

Итак, имеем «черный ящик», на вход которого мы будем подавать синусоидальный сигнал, а на выходе черного ящика мы будем снимать сигнал. Должно соблюдаться условие: нужно менять частоту входного синусоидального сигнала, но его амплитуда должна быть постоянной.

Что нам делать дальше? Надо измерить амплитуду сигнала на выходе после черного ящика при интересующих нас значениях частоты входного сигнала. То есть мы должны изменять частоту входного сигнала от 0 Герц (постоянный ток) и до какого-либо конечного значения, которое будет удовлетворять нашим целям, и смотреть, какая амплитуда сигнала будет на выходе при соответствующих значениях на входе.

Давайте разберем все это дело на примере. Пусть в черном ящике у нас будет самая простая RC-цепь с уже известными номиналами радиоэлементов.

rc circuit

Как я уже говорил, АЧХ может быть построено экспериментально, а также с помощью программ-симуляторов. На мой взгляд, самый простой и мощный симулятор для новичков — это Proteus. С него и начнем.

Собираем данную схему в рабочем поле программы Proteus

HIGHPASS

Для того, чтобы подать на вход схемы синусоидальный сигнал, мы кликаем на кнопочку «Генераторы», выбираем SINE, а потом соединяем его со входом нашей схемы.

input voltage

Для измерения выходного сигнала достаточно кликнуть на значок с буквой «V» и соединить выплывающий значок с выходом нашей схемы:

output

Для эстетики, я уже поменял название входа и выхода на sin и out. Должно получиться как-то вот так:

rc circuttt

Ну вот, пол дела уже сделано.

Теперь осталось добавить важный инструмент. Он называется «frequency response», как я уже говорил, в дословном переводе с английского — «частотный отклик». Для этого нажимаем кнопочку «Диаграмма» и в списке выбираем «frequency»

frequency response

На экране появится что-то типа этого:

diagramma frequency response

Кликаем ЛКМ два раза и открывается вот такое окошко, где в качестве входного сигнала мы выбираем наш генератор синуса (sin), который у нас сейчас задает частоту на входе.

frequency resp

Здесь же выбираем диапазон частоты, который будем «загонять» на вход нашей цепи. В данном случае это диапазон от 1 Гц и до 1 МГц. При установке начальной частоты в 0 Герц Proteus выдает ошибку. Поэтому, ставьте начальную частоту близкую к нулю.

frequ

Далее нажимаем ПКМ на самой табличке Frequency Response и видим вот такой выплывающий список, в котором нажимаем «Добавить трассы»

add traces

Долго не думая, выбираем в первом же окошке наш выход out

trace

и в результате должно появится окошко с нашим выходом

fre resp

Нажимаем пробел и радуемся результату

ready amp freq

Итак, что интересного можно обнаружить, если взглянуть на нашу АЧХ? Как вы могли заметить, амплитуда на выходе цепи падает с увеличением частоты. Это означает, что наша RC-цепь является своеобразным частотным фильтром. Такой фильтр пропускает низкие частоты, в нашем случае до 100 Герц, а потом с ростом частоты начинает их «давить». И чем больше частота, тем больше он ослабляет амплитуду выходного сигнала. Поэтому, в данном случае, наша RC-цепь является самым простейшим фильтром низкой частоты (ФНЧ).

Полоса пропускания

В среде радиолюбителей и не только встречается также такой термин, как полоса пропускания. Полоса пропускания — это диапазон частот, в пределах которого АЧХ радиотехнической цепи или устройства достаточно равномерна, чтобы обеспечить передачу сигнала без существенного искажения его формы.

bandwith

coef

Для нашего случая расчетная частота получилась 159,2 Гц, что подтверждает и Proteus.

count

Кто не желает связываться с децибелами, то можно провести линию на уровне 0,707 от максимальной амплитуды выходного сигнала и смотреть пересечение с графиком. В данном примере, для наглядности, я взял максимальную амплитуду за уровень в 100%.

freq sreza 1

Как построить АЧХ на практике?

Как построить АЧХ на практике, имея в своем арсенале генератор частоты и осциллограф?

Итак, поехали. Собираем нашу цепь в реале:

RC circuit in real

Ну а теперь цепляем ко входу схемы генератор частоты, а с помощью осциллографа следим за амплитудой выходного сигнала, а также будем следить за амплитудой входного сигнала, чтобы мы были точно уверены, что на вход RC-цепи подается синус с постоянной амплитудой.

oscil and generator

Для экспериментального изучения АЧХ нам потребуется собрать простенькую схемку:

oscill

Наша задача состоит в том, чтобы менять частоту генератора и уже наблюдать, что покажет осциллограф на выходе цепи. Мы будем прогонять нашу цепь по частотам, начиная от самой малой. Как я уже сказал, желтый канал предназначен для визуального контроля, что мы честно проводим опыт.

Постоянный ток, проходящий через эту цепь, на выходе будет давать амплитудное значение входного сигнала, поэтому первая точка будет иметь координаты (0;4), так как амплитуда нашего входного сигнала 4 Вольта.

Следующее значение смотрим на осциллограмме:

Частота 15 Герц, амплитуда на выходе 4 Вольта. Итак, вторая точка (15;4)

pic1

Третья точка (72;3.6). Обратите внимание на амплитуду выходного красного сигнала. Она начинает проседать.

pic2

Четвертая точка (109;3.2)

pic3

pic4

Шестая точка (201;2.4)

pic5

Седьмая точка (273;2)

pic6

Восьмая точка (361;1.6)

pic7

Девятая точка (542;1.2)

pic8

Десятая точка (900;0.8)

pic9

Ну и последняя одиннадцатая точка (1907;0.4)

pic11

В результате измерений у нас получилась табличка:

tab lic

Строим график по полученным значениям и получаем нашу экспериментальную АЧХ 😉

graphic

Получилось не так, как в технической литературе. Оно и понятно, так как по Х берут логарифмический масштаб, а не линейный, как у меня на графике. Как вы видите, амплитуда выходного сигнала будет и дальше понижаться с увеличением частоты. Для того, чтобы еще более точно построить нашу АЧХ, требуется взять как можно больше точек.

Давайте вернемся к этой осциллограмме:

pic4

Здесь на частоте среза амплитуда выходного сигнала получилась ровно 2,8 Вольт, которые как раз и находятся на уровне в 0,707. В нашем случае 100% это 4 Вольта. 4х0,707=2,82 Вольта.

freq sreza 1

АЧХ полосового фильтра

Существуют также схемы, АЧХ которых имеет вид холма или ямы. Давайте рассмотрим один из примеров. Мы будем рассматривать так называемый полосовой фильтр, АЧХ которого имеет вид холма.

Собственно сама схема:

polos filter

polosaaa

poloso

Так как в дБ смотреть график неудобно, поэтому я переведу его в линейный режим по оси Y, убирая маркер

marker disable

В результате перестроения получилась такая АЧХ:

polos filt

Максимальное значение на выходе составило 498 мВ при амплитуде входного сигнала в 10 Вольт. Мдя, неплохой «усилитель») Итак, находим значение частот на уровне в 0,707х498=352мВ. В результате получились две частоты среза — это частота в 786 Гц и в 320 КГц. Следовательно, полоса пропускания данного фильтра от 786Гц и до 320 КГц.

На практике для получения АЧХ используются приборы, называемые характериографами для исследования АЧХ. Вот так выглядит один из образцов Советского Союза

charter

Фазо-частотная характеристика

ФЧХ расшифровывается как фазо-частотная характеристика, phase response — фазовый отклик. Фазо-частотная характеристика — это зависимость сдвига по фазе между синусоидальными сигналами на входе и выходе устройства от частоты входного колебания.

Разность фаз

Думаю, вы не раз слышали такое выражение, как » у него произошел сдвиг по фазе». Это выражение не так давно пришло в наш лексикон и обозначает оно то, что человек слегка двинулся умом. То есть было все нормально, а потом раз! И все :-). И в электронике такое тоже часто бывает) Разницу между фазами сигналов в электронике называют разностью фаз. Вроде бы «загоняем» на вход какой-либо сигнал, а выходной сигнал ни с того ни с сего взял и сдвинулся по времени, относительно входного сигнала.

Для того, чтобы определить разность фаз, должно выполняться условие: частоты сигналов должны быть равны. Пусть даже один сигнал будет с амплитудой в Киловольт, а другой в милливольт. Неважно! Лишь бы соблюдалось равенство частот. Если бы условие равенства не соблюдалось, то сдвиг фаз между сигналами все время бы изменялся.

Для определения сдвига фаз используют двухканальный осциллограф. Разность фаз чаще всего обозначается буквой φ и на осциллограмме это выглядит примерно так:

phaze minus

Строим ФЧХ RC-цепи в Proteus

Для нашей исследуемой цепи

HIGHPASS

Для того, чтобы отобразить ее в Proteus мы снова открываем функцию «frequency response»

diagramma frequency response

Все также выбираем наш генератор

frequency resp

Не забываем проставлять испытуемый диапазон частот:

frequ

Далее нажимаем ПКМ на самой табличке Frequency Response и видим вот такой выплывающий список, в котором нажимаем «Добавить трассы»

add traces

Долго не думая, выбираем в первом же окошке наш выход out

trace

И теперь главное отличие: в колонке «Ось» ставим маркер на «Справа»

Нажимаем пробел и вуаля!

phchh RC

Можно его развернуть на весь экран

add traces fullscreen

При большом желании эти две характеристики можно объединить на одном графике

together achh

Обратите внимание, что на частоте среза сдвиг фаз между входным и выходным сигналом составляет 45 градусов или в радианах п/4 (кликните для увеличения)

big oscil achh

В данном опыте при частоте более 100 КГц разность фаз достигает значения в 90 градусов (в радианах π/2) и уже не меняется.

Строим ФЧХ на практике

ФЧХ на практике можно измерить также, как и АЧХ, просто наблюдая разность фаз и записывая показания в табличку. В этом опыте мы просто убедимся, что на частоте среза у нас действительно разность фаз между входным и выходным сигналом будет 45 градусов или π/4 в радианах.

Итак, у меня получилась вот такая осциллограмма на частоте среза в 159,2 Гц

phase diffrence

Нам надо узнать разность фаз между этими двумя сигналами

phase diffrence phase

Весь период — это 2п, значит половина периода — это π. На полупериод у нас приходится где-то 15,5 делений. Между двумя сигналами разность в 4 деления. Составляем пропорцию:

proportion

Отсюда х=0,258п или можно сказать почти что 1/4п. Следовательно, разница фаз между двумя этими сигналами равняется п/4, что почти в точности совпало с расчетными значениями в Proteus.

Если Вы лучше воспринимаете информацию через видео, то к Вашему вниманию:

Резюме

Амплитудно-частотная характеристика цепи показывает зависимость уровня сигнала на выходе данного устройства от частоты передаваемого сигнала при постоянной амплитуде синусоидального сигнала на входе этого устройства.

Фазо-частотная характеристика — это зависимость сдвига по фазе между синусоидальными сигналами на входе и выходе устройства от частоты входного колебания.

Коэффициент передачи — это отношение напряжения на выходе цепи к напряжению на ее входе. Если коэффициент передачи больше единицы, то электрическая цепь усиливает входной ссигнал, если же меньше единицы, то ослабляет.

Полоса пропускания — это диапазон частот, в пределах которого АЧХ радиотехнической цепи или устройства достаточно равномерна, чтобы обеспечить передачу сигнала без существенного искажения его формы. Определяется по уровню 0,707 от максимального значения АЧХ.

Источник

Частотная характеристика усилителя

Частотной характеристикой усилителя ( рис. 136, б ) называется графически выраженная зависимость коэффициента усиления от частоты: К = φ (F). Коэффициенты усиления реального усилителя уменьшаются в области нижних и верхних частот, образуя «завалы» частотной характеристики на этих крайних частотах.

Обычно при построении частотной характеристики по оси абсцисс откладывают частоты в логарифмическом масштабе, а по оси ординат — коэффициент усиления в децибелах.

Рис. 137. Эквивалентные схемы усилителя на сопротивлениях: а — полная; б — на средних частотах; в — на нижних частотах; г — на верхних частотах.

Известно, что коэффициент усиления на средних частотах, согласно определению, равен

osnel f s320 1

Тогда, исходя из эквивалентной схемы, напряжение на выходе (на нагрузке)

osnel f s320

osnel f s321 1

osnel f s321 2

osnel f s321 3

osnel f 227(227)

Если усилитель собран на пентоде, то, пренебрегая влиянием R с на усилительные свойства каскада, можно рассчитать коэффициент усиления на средних частотах по приближенной формуле

osnel f 228(228)

Исходя из указанных условий, коэффициент усиления на нижних частотах определяется по формуле

osnel f 229(229)

где Ω н = 2πF н — угловая частота сигнала самой нижней частоты.

Исходя из указанных условий, коэффициент усиления на верхних частотах определяется по формуле

osnel f 230(230)

где Ω в = 2πF в — угловая частота сигнала самой верхней частоты F в ; R э = R i R а /R i +R а — эквивалентное сопротивление усилителя.

Частотные искажения усилительного каскада на сротивлениях определяют последующим формулам:

на нижних частотах

osnel f 231(231)

на верхних частотах

osnel f 232(232)

Человеческое ухо почти не замечает наличия частотных искажений, если они не превышают 25—30%, что соответствует изменению коэффициента усиления в полосе рабочих частот на 2—3 децибела.

Фазовая характеристика усилителя на сопротивлениях определяется следующими соотношениями:

osnel f 233

osnel f s323 2

После несложных преобразований получаем

osnel f 235(235)

Частота F 0 называется квазирезонансной, на этой частоте коэффициент усиления максимален. Она расположена и середине полосы пропускания.

Следует иметь в виду, что фазовые искажения в усилителях низкой частоты не оказывают практического влияния на их работу и на качество воспроизведения сигнала.

Обычно в усилительном каскаде, выполненном на триоде,

Усилительный каскад на сопротивлениях, или, как его часто называют, реостатный каскад, прост и дешев в изготовлении, имеет малые частотные и нелинейные искажения. Однако, как уже отмечалось выше, коэффициент усиления реостатного усилителя значительно меньше статического коэффициента усиления лампы μ.

Так, при использовании триода

при использовании пентода

К недостаткам реостатного усилительного каскада следует отнести также и значительное бесполезное падение напряжения источника анодного питания на сопротивлении нагрузки.

Источник

Adblock
detector
osn el137