Частотные и переходные характеристики усилителей.

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 15Следующая ⇒

Искажение формы сигнала на входе усилителя или сокращение полосы пропускания за счет неправильного согласования источника сигнала с входом усилителя может произойти при наличии во входных цепях реактивных элементов. Оценим влияние некоторых часто встречающихся случаев.

На рисунке 2.2 показано наличие не только входного сопротивления усилителя, но и его входной емкости.

Рисунок 2.2

Наличие входной емкости присуще любым усилителям. Ее незримое присутствие не всегда приводит к нежелательным результатам. Однако часто возникают непредвиденные проблемы.

Рассмотрим типичный случай. Пусть это входной усилитель обыкновенного электронного осциллографа. При рассмотрении схемы, изображенной на рисунке 2.2, необходимо к входной емкости усилителя добавлять еще емкость проводов, соединяющих источник сигнала с входом усилителя. На передней панели возле входного разъема электронного осциллографа обычно приводят данные об его входном сопротивлении и входной емкости. Их типичные значения R_вх=1Mom, C_вх=25 pF, соответственно. Как правило, сигнал на вход осциллографа подается по отрезку экранированного кабеля. Емкость экранированного кабеля имеет величину порядка 100pF на метр его длины. Суммарная емкость, шунтирующая вход осциллографа, окажется равной Cвх=100pF, если использовать кабель длиною 75см. В дальнейшем будем исходить из этой величины. С учетом наличия этой емкости, между источником сигнала и входом осциллографа образуется интегрирующая цепь с постоянной времени τ равной:

В результате, при большом внутреннем сопротивлении источника сигнала, форма сигнала на входе осциллографа сильно искажается. Так при R_г=100kOm импульс прямоугольной формы длительностью в 10 mks превращается в импульс, состоящий из отрезков экспонент и становиться полностью не похожим на прямоугольный импульс источник сигнала. (см. рисунок 2.3)

Рисунок 2.3

Уменьшение искажений формы сигнала можно получить двумя способами. Во-первых, необходимо зашунтировать вход усилителя сопротивлением, с целью уменьшения постоянной времени интегрирующей цепочки. При этом искажения сигнала уменьшаются, но одновременно уменьшается и величина амплитуды входного сигнала. Во-вторых, можно использовать выносной предварительный усилитель. Этот усилитель должен иметь одновременно большое входное сопротивление и малую входной емкость. Предварительный усилитель обычно помещается рядом с источником входного сигнала, а иногда монтируется в этот источник. Положительный эффект достигается за счет того, что предварительный усилитель имеет, как правило, выходное сопротивление намного меньше, чем внутреннее сопротивление источника сигнала, а его входная емкость существенно меньше входной емкости основного усилителя.

Другим источником искажения формы сигнала на входе усилителя может явиться наличие реактивных элементов в самом датчике сигналов. На рисунке 2.4 показано подключение емкостного или пьезоэлектрического датчика сигналов к входу усилителя.

Рисунок 2.4 Такой датчик имеет емкостный характер внутреннего сопротивления.

Внутреннее сопротивление датчика с понижением частоты сигнала увеличивается, а величина напряжения на входе усилителя понижается. Частотная характеристика входного напряжения усилителя имеет вид, показанный на рисунке 2.5

Рисунок 2.5

Значение нижней частотной границы полосы пропускания может быть определено по формуле f_н=1/2πR_вхC_г.

При использовании индуктивного датчика сигнала, реагирующего на изменение магнитного поля, приходится учитывать еще и омическое

сопротивление катушки датчика. Схема включения такого датчика показана на рисунке 2,6.

Рисунок 2.6

Если датчик реагирует на изменение магнитного потока, подчиняющегося гармоническому закону, то его частотная характеристика имеет такой же вид, как на рисунке 2.5. определяется по формуле f_н= (R_вх+R_г)/2πL_г. Нетрудно видеть, что f_н всегда больше R_г/2πL_г. Иногда это ограничение приводит к некоторым затруднениям. В качестве примера можно привести индуктивный датчик, используемый в магнитофонах, называемый обыкновенно магнитофонной головкой. Стремление получить высокую чувствительность привело к тому, что катушка магнитофонной головки содержит много витков очень тонкого провода и имеет значительное омическое сопротивление. В результате рассчитанное по предыдущей формуле значение нижней граничной частоты оказывается порядка одного килогерца, тогда как для качественного звуковоспроизведения нижняя граница спектра сигналов должна начинаться с частот равных 16-20 Гц. Приемы согласования входа усилителя с источником сигнала не дают возможности решить эту задачу. Решение было найдено при использовании корректирующего усилителя. Коэффициент усиления корректирующего усилителя с понижением частоты возрастает так, что выходной сигнал усилителя не зависит от частоты и остается постоянным в необходимом диапазоне частот.

Шумовые свойства.При усилении очень слабых сигналов,когда усилениевелико, на выходе усилителя обнаруживаются помехи. Их можно разделить на два типа. Первый тип - это наводки от источников. Посторонние источники разнообразны: электросеть, другие узлы электронной аппаратуры, находящиеся в одном корпусе с данным усилителем, внешние источники (искрящие контакты переключателей или электродвигателей, грозовые разряды), радиостанции, телевизионные станции, импульсные источники питания разной аппаратуры (например, зарядные устройства для мобильных телефонов) и т. п. Все эти помехи теми или иными способами можно устранить.

Второй тип помех рождается в самом усилителе. Это шумовые сигналы. Имеется много источников шумовых сигналов. Наибольшее значение имеют источники шумовых сигналов, рождающиеся в первом каскаде усилителя, так как они усиливаются этим каскадом и на вход второго каскада поступает шумовой сигнал намного большей величины по сравнению с шумовыми сигналами, рождающимися во втором каскаде. Устранить полностью шумовые сигналы невозможно. Можно только рациональным конструированием усилителя снизить их уровень.

Шумовые сигналы появляются не только в усилителе, но и в источнике сигнала. Поэтому шумовые свойства усилителя оценивают по коэффициенту шума, который показывает насколько относительная шумовая помеха при использовании данного усилителя больше относительной шумовой помехи источника сигнала. Обычно коэффициент шума выражают в децибелах. Коэффициенту шума в 1 дБ соответствует повышение относительной шумовой помехи на 12%, что мало заметно. В том случае, когда коэффициент шума усилителя составляет 1-2 дБ, то говорят, что этот усилитель малошумящий.

Рисунок 2.7 показывает типичную схему для расчета коэффициента шума.

Рисунок 2.7

На схеме изображен источник сигнала E_г, с его внутренним сопротивлением R_г, являющимся источником шумового сигнала E_шг. Усилитель имеет входное сопротивление R_вх. Все шумовые сигналы, рождающиеся в усилителе, пересчитываются к его входу в виде двух генераторов шумовых сигналов: генератора шумового тока (J_ш) и генератора шумовой ЭДС (E_ш). После этого пересчета считается, что усилитель уже не шумит и соотношение между суммарной шумовой помехой и полезным сигналом на его входе сохраняется и на выходе усилителя. Результат расчета коэффициента шума для этой схемы представлен на рисунке 2,8 в виде графика зависимости коэффициента шума K_ш от сопротивления источника сигнала R_г.

Рисунок 2.8

Из графика видно, что при некотором значении R_{г опт} коэффициент шума будет минимальным K_ш _мин. Расчет, проведенный в соответствие со схемой рисунка 2.7 показывает, что R_{г опт}=E_ш/J_ш.

Следовательно, для получения минимального значения коэффициента шума следует добиваться выполнения этого соотношения. Однако источник сигнала обычно задан и изменять его внутреннее сопротивление нет возможности. Единственный способ добиться желаемого результата - это подобрать параметры шумовых свойств усилителя E_ш и J_ш так, чтобы выполнилось приведенное выше соотношение. Подробно об этом написано в книге Отт Г. «Методы подавления шумов и помех в электронных системах». М. Мир.1979г. Некоторые рекомендации по уменьшению шумовых помех сводятся к следующему. Шумовые свойства транзисторов зависят от выбора типа транзистора и режима работы его. Если использовать интегральный усилитель, то повлиять на режим работы его первого усилительного каскада почти невозможно. Данный интегральный усилитель будет давать минимальное значение коэффициента шума только при вполне определенном значении внутреннего сопротивления источника сигналов, причем, скорее всего совсем не таком, какое имеет применяемый источник. Следовательно, минимальное значения коэффициента шума можно добиться только используя на входе усилителя одиночный транзисторный каскад с подобранным типом транзистора и определенным режимом его работы. Краткие рекомендации сводятся к следующему. При сопротивлении источника сигналов до 1 Мом на входе усилителя следует применять биполярный транзистор. При сопротивлении источника сигналов от 1Мом до 100Мом лучшие результаты получаются с применением полевого транзистора с PN переходом в цепи затвора. Если внутреннее сопротивление источника сигналов превышает 100 Мом, то лучше использовать полевые транзисторы с изолированным затвором. Далее следует иметь в виду, что результат зависит от типа и режима работы транзистора. Так, при большом внутреннем сопротивлении источника сигналов и использовании биполярного транзистора приходится работать с очень малым (несколько микроампер) током коллектора.

Вопрос о понижении шумовых помех стоит не всегда, а только тогда, когда величина усиливаемого сигнала становиться сравнимой с сигналом шумовой помехи, то есть при усилении очень малых сигналов.

Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 1368; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!