Фазочастотные искажения усилителя

Фазочастотные (фазовые) искажения усилителя оцениваются по его фазочастотной характеристике (ФЧХ), представляющей собой зависимость угла сдвига фазы φ_K между выходным и входным напряжениями от частоты сигнала.

Идеальными фазовыми характеристиками, при которых фазовых искажений нет, являются прямые, проходящие через начало координат (рис. 14).

Уравнение идеальной фазовой характеристики имеет вид

φ_K(f) = –t_запω = –t_зап2πf,

где t_зап – время запаздывания гармонических составляющих сигнала, которое будет тем меньше, чем меньше наклон фазовой характеристики.

Рис. 14. Идеальная фазовая характеристика

При поступлении гармонического сигнала U_ВХ = U_mВХ sinωt на вход усилителя с такой фазовой характеристикой сигнал на выходе усилителя будет иметь вид

U_ВЫХ = KU_mВХ sin(ωt –φ_K) = KU_mВХ sinω(t – t_зап).

Это означает, что при идеальной фазовой характеристике гармонические составляющие сложного гармонического сигнала независимо от их частоты будут запаздывать на одно и то же время, и, следовательно, форма сложного гармонического сигнала на выходе усилителя не будет отличаться от формы сигнала на его входе, т. е. фазовых искажений не будет. Просто сложный гармонический сигнал на выходе усилителя будет запаздывать во времени относительно входного сигнала. Это запаздывание в большинстве случаев не сказывается на работе устройств, в состав которых входит усилитель. Если оно нежелательно, то принимают меры по его уменьшению.

Как видно, в области средних частот фазовых сдвигов нет, что объясняется пренебрежимо малым влиянием реактивных составляющих усилителя. В областях верхних и нижних частот появляются фазовые сдвиги вследствие заметного влияния реактивных элементов усилителя и инерционных свойств УЭ.

Рис. 15. Типичная фазовая характеристика

Реальные фазовые характеристики обычно отличаются от идеальных. Типичная реальная фазовая характеристика имеет вид, показанный на рис. 15. Строится она в логарифмическом масштабе по оси частот.

Отклонения реальной фазовой характеристики от идеальной и приводят к фазовым искажениям сложного гармонического сигнала, так как при этом время запаздывания отдельных его гармонических составляющих будет различным.

Рис. 16. Годограф коэффициента усиления

В особых случаях фазовые характеристики строят в линейном масштабе по оси частот, что необходимо для правильной оценки фазовых искажений по ним. Поскольку при этом возникают трудности с выбором масштаба, удобного для области как верхних, так и нижних частот, то реальную фазовую характеристику строят отдельно для области верхних частот (от f₀ до f_В) и для области нижних частот (от f_Н = 0 до f_СР.Ч), каждую со своим удобным масштабом.

Как видно, в области верхних частот фазовые искажения Ф_В меньше вносимого усилителем на верхней граничной частоте f_В углом сдвига фазы φ_Kв, а в области нижних частот, где касательная к реальной фазовой характеристике совпадает с осью частот, фазовые искажения Ф_Н численно совпадают с вносимым усилителем на нижней граничной частоте углом сдвига фазы φ_Kн.

В заключение рассмотрения АЧХ и ФЧХ усилителя гармонических сигналов следует отметить, что они могут быть заменены характеристикой усилителя (годографом коэффициента передачи усилителя). Годограф строят на основе комплексного выражения для коэффициента усиления по напряжению K = K(cosφ_K + jsinφ_K) или сквозного коэффициента усиления на комплексной плоскости, откладывая векторы K под углами φ_K на различных частотах, как показано на рис. 16. Годограф представляет собой кривую, описываемую концом вектора K на этой плоскости при изменении частоты сигнала от 0 до ∞. Частотно-фазовая характеристика показывает изменения с частотой как модуля коэффициента усиления K, так и его аргумента φ_K. Она удобна для оценки устойчивости работы усилителей с отрицательной обратной связью. Для оценки частотных и фазовых искажений усилителя она не используется, так как недостаточно наглядна для этого.

Переходная характеристика

Переходной характеристикой (ПХ) называется зависимость мгновенного значения выходного напряжения усилителя от времени при подаче на вход наибольшего перепада напряжения, не вызывающего перегрузку усилителя. Прежде всего ПХ используют для оценки искажений формы прямоугольных импульсов при их усилении, так как такой импульс длительностью t_И, действующий на входе, может быть представлен в виде суммы двух разнополярных перепадов, взаимосдвинутых во времени на t_И рис. 17, а, б. Тогда по принципу суперпозиции форма импульса на выходе может быть найдена простым вычитанием ПХ самой из себя, сдвинутой по времени на t_И.

Рис. 17, а. Принцип получения одиночного прямоугольного импульса

Рис. 17, б. Вид одиночного импульса на выходе усилителя

На рис. 17, в показан одиночный импульс на выходе усилителя.

Рис. 17, в. Вид одиночного импульса на выходе усилителя

Переходную характеристику подобно АЧХ обычно строят в относительном масштабе (рис. 18), откладывая по вертикали отношение выходного напряжения к его значению после установления фронта:

Рассмотренная характеристика по существу является ПХ коэффициента передачи по напряжению. Можно пользоваться ПХ и других функций. Исследование ПХ производят в области малых времен (фронт импульса) и в области больших времен (вершина импульса).

Время, в течение которого фронт нормированной ПХ нарастает от уровня 0,1 до уровня 0,9 установившегося значения 1, называется временем нарастания t_Н. В ряде случаев в конце фронта выходного напряжения получается выброс, иногда с последующими затухающими колебаниями на вершине ПХ. Относительная величина выброса обозначается δ и выражается в процентах. Еще одним показателем является время задержки t_З, определяемое на уровне 0,5. На рис. 18 показаны две ПХ: одна гладкая – 1, другая с выбросом – 2.

Рис. 18. Варианты ПХ в области малых времен

Искажение вершины импульса иллюстрирует рис. 19. Спад верхней части нормированной ПХ в заданный момент времени обозначается через ∆, что показывает отклонение ПХ от единичного значения в процентах. С помощью цепей коррекции можно получить ∆ со знаком «плюс».

Рис. 19. Варианты ПХ в области больших времен

Переходная характеристика усилителя однозначно связана с его АЧХ и ФЧХ. Она представляет собой лишь иной метод оценки качеств усилителя, называемый временным. В ряде случаев временной метод исследования дает больше информации, чем частотный.

Глава 3