электрические приборы и машины
 
 
   
 
   
 
 
     
 

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.

Рассмотрим подробнее причины, которые вызывают уменьшение коэффициентов усиления Кн и Кв, соответственно на нижних и верхних частотах рабочего диапазона усилителя. Выше было установлено, что напряжения источника анодного питания, смещения и экранирующей сетки определяют положение первоначальной (исходной) рабочей точки, от правильного выбора которой зависит величина нелинейных искажений, вносимых усилительным элементом. Наличие же в схеме развязывающего фильтра Rф, Сф обеспечивает устойчивую работу усилителя.

Если предположить, что режим работы усилителя выбран правильно, то эквивалентная схема усилительного каскада, позволяющая определить влияние элементов схемы на прохождение сигнала, может быть представлена и виде, показанном на рис. 137, а, где μUс и Ri — э. д. с. и внутреннее сопротивление эквивалентного генератора, вменяющего лампу; Rа — сопротивление анодной нагрузки; Сс — разделительный конденсатор; Rс — сопротивление утечки; С0 = Свых + С'вх + См — общая емкость, учитывающая выходную емкость усилительного элемента, динамическую входную емкость усилительного элемента следующего каскада  С'вх = Свх+ Сас (1 + К2) где К2 — коэффициент усиления следующего каскада, и емкость монтажа (последняя невелика — порядка нескольких десятков пикофарад).

 

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

Таким образом, полной нагрузкой усилителя Zн является сложная электрическая цепь, состоящая из сопротивлений и емкостей: Rа, Сс, Rс и С0. Чем больше сопротивление нагрузки, тем выше напряжение на выходе Uвых (при неизменных μUс и Ri).

В области средних частот сопротивление конденсатора Сc много меньше, а сопротивление емкости С0 много больше сопротивления Rc, поэтому влиянием этих емкостей можно пренебречь. Эквивалентная схема с учетом этих допущений приведена на рис. 137, б.

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

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

Uвых = IRн

где

Ток в нагрузке

Отсюда

Разделив числитель и знаменатель дроби на произведение RаRс, получим

Подставив полученный результат в выражение для Кср, получим формулу для коэффициента усиления на средних частотах  в  окончательном  виде:

                                   (227)

Как можно видеть из этой формулы, коэффициент усиления в области средних частот не зависит от частоты, всегда меньше статического коэффициента усиления лампы μ и оказывается тем больше, чем больше сопротивления Rа и Rс по сравнению с внутренним сопротивлением лампы Ri.

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

                                       (228)

так как Ri>>Rа

Эквивалентная схема усилителя в области нижних частот приведена на рис. 137, в. На этих частотах сопротивление разделительного конденсатора Сс увеличивается примерно в 10 раз по сравнению с сопротивлением на средних частотах. Напряжение на выходе усилителя падает вследствие  увеличившихся потерь напряжения усиленного сигнала на разделительном конденсаторе. Влиянием С0 в области нижних частот можно пренебречь по той же причине, что и на средних частотах, но с еще большим основанием.

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

                                         (229)

где Ωн = 2πFн — угловая частота сигнала самой нижней частоты.

Как можно видеть из формулы (229), коэффициент усиления в области нижних частот меньше коэффициента усиления в области средних частот; тем меньше, чем ниже частота и тем выше, чем больше произведение RсCс.

Эквивалентная схема усилительного каскада на сопротивлениях в области верхних частот приведена на рис. 137, г. Разделительный конденсатор Сс отсутствует в данной схеме по известным уже причинам, но шунтирующее действие конденсатора С0 на сопротивление Rс приходится учитывать, так как эти сопротивления становятся соизмеримыми.

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

                                          (230)

где Ωв = 2πFв — угловая частота сигнала самой верхней частоты Fв; Rэ = RiRа/Ri+Rа — эквивалентное сопротивление усилителя.

Коэффициент усиления в области верхних частот меньше коэффициента усиления на средних частотах; тем ниже, чем выше частота, и тем выше, чем меньше емкость С0 и сопротивление Rэ.

Таким образом, снижение усиления, появление частотных искажений в области нижних частот вызывает конденсатор Сс, а в области верхних частот — конденсатор С0.

Частотные искажения усилительного каскада на сротивлениях определяют последующим формулам:

на нижних частотах

                                           (231)

на верхних частотах

                                       (232)

Чтобы поднять усиление в области нижних звуковых частот, и тем самым уменьшить частотные искажения, надо, следовательно, увеличить емкость разделительного конденсатора Сс и величину сопротивления утечки Rс.

Чтобы поднять усиление в области верхних звуковых частот для уменьшения частотных искажений, надо тщательно производить монтаж усилителя и тем самым уменьшить емкость С0.

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:

В области нижних частот сдвиг фаз определяется емкостью конденсатора Сс, а в области верхних частот — емкостью С0, причем здесь он имеет отрицательный знак. Пользуясь формулами (233) и (234), можно определить частоту F0, на которой угол сдвига фаз, обусловленный емкостями Сс и С0, равен нулю:

После несложных преобразований получаем

                           (235)

Частота F0 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.

Формула (235) позволяет определить частоту F0 = Fср, которой соответствует коэффициент усиления Кср.

Обычно в усилительном каскаде, выполненном на триоде,

Rа = (2 ÷ 5) Ri

а на пентоде

Rа = (0.1÷0,5) Ri.

Сопротивление утечки Rс в 5—10 раз больше сопротивления анодной нагрузки Сопротивление фильтра Rф = (0,2÷0,3) Rа, а емкость Сф порядка единиц микрофарад. Емкость блокировочного конденсатора Сбл в цепи экранирующей сетки составляет десятые доли микрофарады. Величина гасящего сопротивления R в цепи экранирующей сетки зависит от типа лампы и режима работы, но должна быть примерно в два раза больше Rа.

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

K≈(0,5÷0,7)μ                            (236)

при использовании пентода

K≈ (0,05÷0,06)μ                      (237)

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

 
 
     
 
Copyright © 2012 Электродвигатели и трансформаторы
электрические приборы и машины
Rambler's Top100
Создание сайта Вебцентр