Шумы усилителей. Динамический диапазон

Краткое содержание лекции

Нелинейные искажения определяют вид амплитудной характеристики.

Амплитудной характеристикой (АХ) усилителя называют зависимость амплитудного (или действующего) значения выходного напряжения от амплитудного (или действующего) значения входного напряжения при воздействии на вход усилителя гармони­ческого колебания постоянной частоты. Реальная АХ усилителя приведена на рис. 1. Штриховой линией на рис. 1 показана иде­альная АХ. Она представляет со­бой прямую линию, выходящую из начала координат под углом . Угол определяется коэффициен­том усиления по напряжению уси­лителя.

Реальная АХ совпадает с иде­альной лишь в области средних значений напряжений (участок А — Б рис. 1). При больших напряжениях изгиб АХ обусловливается нелинейностью характеристик элементов усилителя и со­провождается появлением нелинейных искажений. При Uвх = Uвх.ном (точка Б) на выходе действует напряжение Uвых.= Uвых.ном, при котором обеспечивается заданный Кг.

Рис.1. Амплитудная характеристика.

Изгиб АХ при малых напряжениях связан с наличием в усилителе собственных помех Uп, которые действуют на выходе и при отсутствии сигнала. Помехи могут полностью забивать или сильно маскировать слабый сигнал. Для нормальной работы усилителя наименьшее выход­ное напряжение должно в несколько раз превышать напря­жение помех. Этому выходному напряжению соответствует минимально возможное входное напряжение Uвх.мин. (точка А на рис. 2.15). Лишь в пределах Uвх.мин < Uвх.< Uвх.макс.усилитель можно считать линейным, т.е. при работе усилителя с сигналами больше Uвх.мин. и меньше, чем Uвх.макс усилитель не создает нелинейных искажений.

Сигнал, действующий на входе усилителя, не постоянен по амплитуде, меняется в течение периода от своего минимального значения до максимального. Его удобно характеризовать динами­ческим диапазоном сигнала .

Усилитель, принимающий сигнал, должен иметь свой динами­ческий диапазон:

Динамические диапазоны обычно выражаются в децибелах:

Чтобы усиление сигнала было без заметных искажений, долж­но соблюдаться следующее неравенство

т.е, динамический диапазон усилителя должен быть больше или равен динамическому диапазону сигнала. Обычно принимают .

- уровень собственных шумов усилителя. Если бы уси­литель не "шумел", то его АХ начиналась бы от 0 и . Но в усилителе есть собственные шумы, которые складываются из шумов самого усилительного элемента, тепловых шумов резисторов и т.д. Уровень собственных шумов усилителя определяется в ос­новном шумами первого каскада. Поэтому снижать уровень шумов, повышать чувствительность усилителя и улучшать соотношение сигнал/шум надо в первом каскаде усилителя.

Из-за наличия напряжения собственных шумов усилителя входной минимальный сигнал его должен быть больше шумового, иначе мы не услышим сигнал на фоне шума.

Максимальный входной сигнал определяется допустимыми то­ками и напряжениями для данного усилительного элемента.

Динами­ческий диапазон является важным техническим показателем усилителя и обычно задается ГОСТ. В настоящее время для лучших усилителей ДДУ> 120 дБ. Динамический диапазон звучания симфоническо­го оркестра может превышать 80 дБ, художественного чтения - 30 дБ.

Если ДДУ<ДДС, то можно либо увеличить ДДУ, либо умень­шить ДДС. Для увеличения ДДУ можно:

1) уменьшить уровень собствен­ных помех усилителя;

2) взять УЭ с более линейной характеристикой (например, более мощные УЭ);

3) применить в усилителе ручную или автоматическую регулировку усиления.

Задание на СРС

3.1. Конспект Собственные помехи усилителя [ОЛ6.2] стр 20.

Задание на СРСП

4.1.Построить АХ, рассчитать ДДУ и ДДС, сделать вывод о качестве усилителя.

Глоссарий

ЛЕКЦИЯ №22

Обратная связь в усилителях

Краткое содержание лекции

Чтобы усилительные элементы позволили реализовать требуемые очень высокие технические показатели, практически во всех совре­менных электронных усилителях вводятся специальные цепи обратной связи (ОС), оказывающие влияние на все технические показатели уси­лителей. При ОС энергия сигнала передается в направлении, обратном направлению усиливаемого сигнала от последующих цепей в пред­шествующие (из выходных цепей усилителя во входные цепи).

Рис.1

Обратная связь может появиться в усилителе по трем причинам:

· из-за физических свойств и устройства усилительных элементов (внутренняя обратная связь);

· из-за введения в схему специ­альных цепей (внешняя обратная связь);

· вследствие паразитных емкостных, индуктивных и других связей, создающих пути для обратной передачи сигнала (паразит­ные обратные связи).

Все виды обратной связи могут очень сильно изменять свойст­ва усилителя. Как внутренними, так и паразитными связями нель­зя управлять, и они нередко изменяют свойства усилителя в нежелательном направлении, например, приводят к самовозбуждению усилителя. Внешняя же обратная связь легко управляема, ее вводят для улучшения свойств усилителя: повышения стабиль­ности коэффициента усиления, снижения искажений всех видов, уменьшения собственных помех и т. д.

Виды обратной связи

· По количеству петель ОС в усилителе:

1) Замкнутый контур, образуемый цепью обратной связи и частью схемы усилителя, к которой эта цепь присоединена, называ­ют петлей обратной связи. Если в усилителе имеется только одна петля обратной связи, связь называют однопетлевой (рис. 2а).

2) Еесли петель несколько, обратную связь на­зывают многопетлевоц (рис. 2б и в).

· По количеству каскадов, охватываемых петлей ОС:

1) Связь, охватывающую один каскад усилителя, называют местной обратной связью (рис. 2б, в).

2) Связь, охватывающую весь усилитель, называют общей обратной связью (рис. 2а, в).

Рис. 2. Виды обратной связи:а — однопетлевая; б — двухпетлевая с независимыми петлями; в — многопет­левая с местной петлей

· По знаку петлевого усиления:

1) Обратную связь называют положительной, если ее напряжение находится точно в фазе с ЭДС источника сигнала, подводимой ко входу устройства, и складывается с последней, увеличивая таким образом напряжение сигнала на входе.

2) Если же напряжение об­ратной связи находится точно в противофазе с ЭДС источника сигнала, а следовательно, вычитается из нее, уменьшая сигнал на входе, обратную связь называют отрицательной.

3) При сдвиге фаз между напряжением обратной связи и ЭДС источника сигнала, отличающимся от 0° и от 180°, обратную связь называют комплекс­ной.

· В зависимости от частоты сигнала:

1) Если отношение напряжения на выходе цепи обратной связи к напряжению на ее входе от частоты не зависит (цепь обратной связи не содержит индуктивностей и емкостей), обратную связь называют частотно-независимой;

2) если же указанное отношение на­пряжений от частоты завсит, связь называют частотно-зависимой.

· По способу присоединения ОС к выходу усилителя:

1) Если цепь ОС присоединить к вы­ходу схемы параллельно нагрузке, то напряжение обратной связи будет пропорционально напряжению на нагрузке; такую обратную связь называют обратной связью по напряжению (рис. 3а).

2) Если же цепь обратной связи присоединить к выходу устройства после­довательно с нагрузкой, напряжение ОС связи будет пропорцио­нально току в нагрузке и обратную связь называют обратной связью по току (рис. 3в).

3) Если в схеме осуществлена комбина­ция обоих способов (рис. 2.3б), связь называют комбинированной по выходу обратной связью.

По способу присоединения ОС ко входу усилителя:

1) последовательно с источником сигнала (рис. 4а) - последовательная об­ратная связь,

2) параллельно ему (рис. 4б) — параллельная обратная связь

3) смешанным способом (рис. 4в) — смешанная по входу обратная связь

Параметры цепи ОС:

· - коэффициент передачи цепи ОС показывает какая часть сигнала снимается с выхода усилителя и подается на его вход;

· - петлевое усиление

· - глубина обратной связи.

Контрольные вопросы

2.1. Что такое обратная связь? По каким причинам она может появиться в усилителе?

2.2. Какие существуют способы введения обратной связи и чем они отлича­ются друг от друга?

2.3. Какие существуют способы снятия обратной связи и чем они отличаются друг от друга?

2.4. Чем отличается отрицательная обратная связь от положительной и комп­лексной обратной связи?

2.5. Чем отличается частотно-независимая обратная связь от частотно-зави­симой?

2.6. Какими параметрами характеризуется цепь ОС?

Задание на СРС

3.1. Письменно пояснить методы определения разновидности ОС по способу введения и снятия [ОЛ6.1] стр 37,39.

Задание на СРСП

4.1. Изобразить структурные схемы усилителей с ОС а) Последовательной по току.

б) Параллельной по току.

в) Последовательной по напряжению.

г) Параллельной по напряжению.

Глоссарий

ЛЕКЦИЯ №23