Звуковые частоты, характерные области частот

Область звуковых частот располагается в диапазоне от единиц – десятков герц до десятков килогерц (приблизительно 10 Гц ¸ 30 кГц). Условно звуковые (слышимые человеком частоты) можно разделить на 3 области:

– область нижних звуковых частот (НЧ) (10¸300 Гц);

– область средних звуковых частот (СЧ) (300 Гц¸5 кГц);

– область верхних звуковых частот (ВЧ) (5 ¸30 кГц).

Границы этих областей четко не определяются, поэтому данное разделение является условным.

Для достаточной разбираемости человеческого голоса при телефонных разговорах достаточно ограничить спектр сигнала областью средних звуковых частот, при качественном воспроизведении музыкальных произведений необходимо усиливать все 3 области частот с минимальными частотными искажениями.

Графически это распределение можно представить следующим образом (см. рис. 3.1):

Рисунок 3.1 — Разбиение звуковых частот на области

Любой усилительный каскад (независимо от его структуры), как и усилитель в целом, можно представить стандартным четырехполюсником, характеризующимся определенными входным и выходным сопротивлениями и коэффициентом усиления в режиме холостого хода (см. рис.3.2). Дополнив данный четырехполюсник реактивными элементами (разделительными конденсаторами и суммарной емкостью нагрузки), можно теоретически определить частотные характеристики усилителя как в каждом поддиапазоне звуковых частот, так и в области звуковых частот в целом. С учетом реактивных элементов, модель усилительного каскада представляется на рис.3.3.

Рисунок 3.2 — Представление усилительного каскада
стандартным четырехполюсником

Рисунок 3.3 — Модель усилителя напряжения в области звуковых частот

В данной схеме: — суммарная емкость нагрузки, включающая в себя емкость монтажа, емкость нагрузки и выходную емкость транзистора. обычно не велика и достигает значений порядка нескольких десятков пФ. С_Р — представляет разделительную емкость на выходе усилителя. Разделительную емкость на входе усилителя вместе с входным сопротивлением обычно относят к предыдущему каскаду. Частотные характеристики многокаскадного усилителя определяются совокупностью частотных характеристик его отдельных каскадов [1,3,8].

Комплексная частотная характеристика усилительного каскада, в рассматриваемом случае, определятся в виде:

где — фазовый сдвиг усилителя.

Исходя из представленного выражения, различают 3 типа частотных характеристик:

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) — зависимость модуля коэффициента усиления усилителя от частоты .

Характерный вид АЧХ усилителя напряжения представлен на рис. 3.4

Рисунок 3.4 — АЧХ усилителя напряжения

Фазо-частотная характеристика (ФЧХ) — отражает зависимость угла сдвига фазы между выходным и входным сигналами, от частоты .

Вид ФЧХ типичных усилительных каскадов (схем с ОЭ, ОБ и ОК) приведен на рис. 3.5. Аналогичными АЧХ и ФЧХ обладают усилительные каскады на полевых транзисторах, для схем включения с ОИ, ОЗ и ОС.

Рисунок 3.5 — ФЧХ усилителя

Амплитудно-фазо-частотная характеристика (АФЧХ) — является комплексной характеристикой, объединяющей зависимости амплитуды и фазового сдвига между выходным и входным сигналами от частоты. Она представляет собой траекторию, описываемую концом вектора выходного напряжения усилителя, при изменении частоты единичного входного сигнала от 0 до бесконечности и строится на комплексной плоскости. Каждой точке траектории (АФЧХ) соответствует определенная частота w_i. В зависимости от схемы включения транзистора, АФЧХ располагается во 2^м и 3^м квадрантах (ОЭ) или 1^м и 4^м квадрантах (схемы с ОБ и ОК). Типичная АФЧХ транзисторного каскада с ОЭ представлена на рис. 3.6.

Рисунок 3.6 — АФЧХ усилительного каскада с ОЭ

Для оценки качества частотных характеристик используют коэффициенты частотных искажений и . Они определяются соотношениями:

; .

Коэффициенты частотных искажений обычно задаются на граничных частотах усилителей f_Н и f_В и показывают во сколько раз коэффициент усиления на средней частоте (К_СР) больше коэффициента усиления на граничных частотах. При идеальной частотной характеристике (нет спадов в областях НЧ и ВЧ) , что обеспечивается при и (реально невыполнимо). При постановке технического задания на разработку усилителя обычно задают модули коэффициентов частотных искажений .

Для расчета частотных характеристик усилителей их обычно рассматривают отдельно в областях НЧ, СЧ и ВЧ, где определяют по заданным значениям , f_Н, f_В значение С_Р и R_Вых.Ус (). Затем, воспользовавшись общей характеристикой K(jw), уточняют частотные характеристики усилителей.