Đáp tuyến tần số

Đáp tuyến tần số
Đáp tuyến tần số của bộ khuếch đại hoặc bộ lọc cho biết mức độ lợi của đầu ra phản ứng với tín hiệu đầu vào ở các tần số khác nhau như thế nào

Bộ khuếch đại và bộ lọc là những mạch điện tử được sử dụng rộng rãi có đặc tính khuếch đại và lọc, do đó có tên gọi của chúng.

Bộ khuếch đại tạo ra độ lợi trong khi bộ lọc thay đổi đặc tính biên độ và / hoặc pha của tín hiệu điện đối với tần số của nó. Vì các bộ khuếch đại và bộ lọc này sử dụng điện trở, cuộn cảm hoặc mạng tụ điện (RLC) trong thiết kế của chúng, nên có một mối quan hệ quan trọng giữa việc sử dụng các thành phần phản kháng này và đặc tính đáp ứng tần số của mạch.

Khi xử lý các mạch điện xoay chiều, giả định rằng chúng hoạt động ở tần số cố định, ví dụ: 50 Hz hoặc 60 Hz. Nhưng đáp ứng của mạch xoay chiều tuyến tính cũng có thể được kiểm tra với tín hiệu đầu vào xoay chiều hoặc hình sin có cường độ không đổi nhưng với tần số thay đổi như trong các mạch khuếch đại và mạch lọc. Sau đó, điều này cho phép các mạch như vậy được nghiên cứu bằng cách sử dụng phân tích đáp ứng tần số.

Đáp tuyến tần số của mạch điện hoặc điện tử cho phép chúng ta xem chính xác độ lợi đầu ra (được gọi là đáp ứng cường độ ) và pha (được gọi là đáp ứng pha ) thay đổi như thế nào ở một tần số cụ thể hoặc trên toàn bộ dải tần số khác nhau từ 0Hz, (dc) đến hàng nghìn mega-hertz, (MHz) tùy thuộc vào đặc tính thiết kế của mạch.

Nói chung, phân tích đáp ứng tần số của một mạch hoặc hệ thống được hiển thị bằng cách vẽ biểu đồ độ lợi của nó, đó là kích thước của tín hiệu đầu ra của tín hiệu đầu vào của nó, Đầu ra / Đầu vào so với thang tần số mà mạch hoặc hệ thống dự kiến ​​sẽ hoạt động. Sau đó, bằng cách biết mạch tăng, (hoặc mất) tại mỗi điểm tần số giúp chúng ta hiểu mức độ tốt (hoặc xấu) của mạch có thể phân biệt giữa các tín hiệu của các tần số khác nhau.

Đáp ứng tần số của một mạch phụ thuộc tần số nhất định có thể được hiển thị dưới dạng bản phác thảo đồ họa về độ lớn (độ lợi) so với tần số ( ƒ ). Trục tần số nằm ngang thường được vẽ trên thang logarit trong khi trục tung biểu diễn sản lượng hoặc độ lợi điện áp, thường được vẽ dưới dạng thang tuyến tính trong các phép chia thập phân. Vì độ lợi của hệ thống có thể là cả dương hoặc âm, do đó trục y có thể có cả giá trị dương và âm.

Trong Điện tử, Logarit , viết tắt là “log” được định nghĩa là lũy thừa mà số cơ bản phải được nâng lên để có được số đó. Sau đó, trên biểu đồ Bode, thang đo trục x logarit được chia theo log 10 vạch chia, do đó, tần suất mỗi thập kỷ (ví dụ: 0,01, 0,1, 1, 10, 100, 1000, v.v.) được cách đều nhau trên trục x . Đối lập với logarit là antilogarit hoặc "antilog".

Biểu diễn đồ thị của đường cong đáp ứng tần số được gọi là Đồ thị Bode và như vậy, đồ thị Bode thường được cho là đồ thị bán logarit vì một thang (trục x) là logarit và thang kia (trục y) là tuyến tính (biểu đồ log-lin ) như hình.

Đường cong đáp ứng tần số

Sau đó, chúng ta có thể thấy rằng đáp ứng tần số của bất kỳ mạch nhất định nào là sự thay đổi trong hành vi của nó với những thay đổi trong tần số tín hiệu đầu vào vì nó cho thấy dải tần số mà đầu ra (và độ lợi) không đổi. Dải tần số lớn hoặc nhỏ giữa ƒ L và ƒ H được gọi là băng thông mạch. Vì vậy, từ đó, chúng tôi có thể xác định trong nháy mắt độ lợi điện áp (tính bằng dB) cho bất kỳ đầu vào hình sin nào trong một dải tần số nhất định.

Như đã đề cập ở trên, biểu đồ Bode là một biểu diễn logarit của đáp ứng tần số. Hầu hết các bộ khuếch đại âm thanh hiện đại đều có đáp ứng tần số phẳng như được hiển thị ở trên trên toàn bộ dải tần âm thanh từ 20 Hz đến 20 kHz. Dải tần số này đối với bộ khuếch đại âm thanh được gọi là Băng thông của nó, (BW) và chủ yếu được xác định bởi đáp ứng tần số của mạch.

Điểm tần số ƒ L và ƒ H liên quan đến góc dưới hoặc tần số cắt và điểm tần số góc trên hoặc điểm cắt tương ứng là độ lợi mạch giảm ở tần số cao và thấp. Những điểm này trên đường cong đáp ứng tần số thường được gọi là điểm -3dB (decibel). Vì vậy, băng thông chỉ đơn giản là:

Decibel, (dB) là 1/10 th của bel (B), là đơn vị phi tuyến tính phổ biến để đo độ lợi và được định nghĩa là 20log 10 (A) trong đó A là độ lợi thập phân, được vẽ trên y -axis. Không decibel, (0dB) tương ứng với một hàm độ lớn của sự thống nhất cho đầu ra tối đa. Nói cách khác, 0dB xảy ra khi Vout = Vin vì không có suy hao ở mức tần số này và được cho là:

Chúng ta thấy từ biểu đồ Bode ở trên rằng tại hai điểm tần số góc hoặc điểm cắt, đầu ra giảm từ 0dB xuống -3dB và tiếp tục giảm ở một tốc độ cố định. Độ lợi giảm hoặc giảm này thường được gọi là vùng tắt của đường cong đáp ứng tần số. Trong tất cả các mạch khuếch đại và mạch lọc bậc đơn cơ bản, tốc độ cuộn tắt này được định nghĩa là 20dB / thập kỷ, tương đương với tốc độ 6dB / quãng tám. Các giá trị này được nhân với thứ tự của mạch.

Các điểm tần số góc -3dB này xác định tần số mà tại đó độ lợi đầu ra giảm xuống 70,71% giá trị lớn nhất của nó. Sau đó, chúng ta có thể nói một cách chính xác rằng điểm -3dB cũng là tần số mà tại đó độ lợi của hệ thống đã giảm xuống 0,707 giá trị lớn nhất của nó.

Đáp ứng tần số -3dB điểm

Điểm -3dB còn được gọi là nửa điểm công suất vì công suất đầu ra ở các tần số góc này sẽ bằng một nửa giá trị 0dB tối đa của nó như được hiển thị.

Do đó, lượng công suất đầu ra cung cấp cho tải được "giảm một nửa" ở tần số cắt và do đó băng thông (BW) của đường cong đáp ứng tần số cũng có thể được xác định là phạm vi tần số giữa hai điểm bán công suất này .

Trong khi để tăng điện áp, chúng tôi sử dụng 20log 10 (Av) và để tăng hiện tại 20log 10 (Ai) , để tăng công suất, chúng tôi sử dụng 10log 10 (Ap) . Lưu ý rằng hệ số nhân của 20 không có nghĩa là nó gấp đôi 10 vì decibel là một đơn vị của tỷ lệ công suất và không phải là thước đo mức công suất thực tế. Ngoài ra độ lợi theo dB có thể là dương hoặc âm với giá trị dương biểu thị độ lợi và độ suy giảm giá trị âm.

Sau đó, chúng ta có thể trình bày mối quan hệ giữa điện áp, dòng điện và độ lợi công suất trong bảng sau.

Decibel Gain tương đương

dB tăng	Tăng điện áp hoặc dòng điện 20log 10 (A)	Năng lượng tăng 10log 10 (A)
-6	0,5	0,25
-3	0,7071 hoặc 1 / √ 2	0,5
0	1	1
3	1,414 hoặc √ 2	2
6	2	4
10	3.2	10
20	10	100
30	32	1.000
40	100	10.000
60	1.000	1.000.000

Các bộ khuếch đại hoạt động có thể có mức tăng điện áp vòng hở, (  A VO  ) vượt quá 1.000.000 hoặc 100dB.

Ví dụ về decibel No1

Nếu một hệ thống điện tử tạo ra điện áp đầu ra 24mV khi tín hiệu 12mV được đặt vào, hãy tính giá trị decibel của điện áp đầu ra của hệ thống.

Ví dụ về decibel No2

Nếu công suất đầu ra từ bộ khuếch đại âm thanh được đo là 10W khi tần số tín hiệu là 1kHz và 1W khi tần số tín hiệu là 10kHz. Tính độ thay đổi dB của công suất.

Tóm tắt đáp ứng tần số

Trong hướng dẫn này, chúng ta đã thấy cách dải tần số hoạt động của một mạch điện tử được xác định bởi đáp ứng tần số của nó . Đáp ứng tần số của một thiết bị hoặc mạch điện mô tả hoạt động của nó trên một dải tần số tín hiệu cụ thể bằng cách hiển thị mức độ lợi của nó hoặc lượng tín hiệu mà nó cho phép thông qua những thay đổi với tần số.

Biểu đồ Bode là biểu diễn đồ họa của các đặc tính đáp ứng tần số của mạch và như vậy có thể được sử dụng để giải quyết các vấn đề thiết kế. Nói chung, độ lớn mạch và hàm pha được hiển thị trên các đồ thị riêng biệt sử dụng thang tần số logarit dọc theo trục x.

Băng thông là dải tần số mà một mạch hoạt động ở giữa các điểm tần số cắt trên và dưới của nó. Các điểm tần số cắt hoặc góc này chỉ ra các tần số mà tại đó công suất kết hợp với đầu ra giảm xuống một nửa giá trị lớn nhất của nó. Các nửa điểm công suất này tương ứng với mức tăng 3dB (0,7071) so với giá trị dB tối đa của nó.

Hầu hết các bộ khuếch đại và bộ lọc có đặc tính đáp ứng tần số phẳng trong đó dải thông hoặc phần băng thông của mạch bằng phẳng và không đổi trên một dải tần số rộng. Các mạch cộng hưởng được thiết kế để vượt qua một dải tần số và chặn những dải tần khác. Chúng được xây dựng bằng cách sử dụng điện trở, cuộn cảm và tụ điện mà điện trở của chúng thay đổi theo tần số, đường cong đáp ứng tần số của chúng có thể trông giống như một điểm hoặc tăng mạnh vì băng thông của chúng bị ảnh hưởng bởi cộng hưởng phụ thuộc vào Q của mạch, vì Q cao hơn cung cấp băng thông hẹp hơn.