Комплексный коэффициент передачи по напряжению определяется выражением
, (3.1)
аналогично вводятся в рассмотрение комплексный коэффициент передачи тока
(3.2)
и коэффициент (не комплексный) передачи мощности
, (3.3)
где - мощность, потребляемая четырехполюсником;
- мощность, передаваемая в нагрузку.
Для расчета коэффициентов передачи необходимо при заданном источнике входного сигнала определить комплексные амплитуды входного и выходного напряжений, токов или мощностей.
Рис. 3.1
В качестве примера рассмотрим четырехполюсник, схема которого показана на рис.3.1, и определим его комплексный коэффициент передачи напряжения вида (3.1).
Рис. 3.2
Подключим на вход четырехполюсника идеальный источник напряжения с ЭДС , как показано на рис.3.2, и воспользуемся методом узловых напряжений. В цепи имеется два узла и необходимо определить единственное узловое напряжение
.
Выражая через токи ветвей, и используя первый закон Кирхгофа, получим уравнение метода узловых напряжений:
После алгебраических преобразований получим
.
Тогда по Закону Ома можно определить выходное напряжение
.
Подставляя выражение для , с учетом
получим
.
Комплексный коэффициент передачи четырехполюсника по напряжению равен
.
Как видно, - комплексная функция частоты сигнала, ее называют комплексной частотной характеристикой (КЧХ). Графически она отображается линией в трехмерном пространстве (ось
и две оси для отображения комплексного числа), что неудобно практически.
На плоскости КЧХ изображается в виде годографа. Для его построения заданный интервал частот разбивается с равномерным шагом, для каждого значения частоты вычисляются и отображаются на комплексной плоскости по осям абсцисс и ординат соответственно действительная и мнимая
составляющие комплексного коэффициента передачи.
Пример годографаКЧХ цепи при ,
и
показан на рис.3.3.
Рис. 3.3
Стрелка показывает направление увеличения частоты входного сигнала.
На частоте
величина действительна, а точка годографа расположена на оси абсцисс.
Амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики
Четырехполюсника
Комплексный коэффициент передачи четырехполюсника можно представить в показательной форме
, (4.1)
где - его модуль;
- аргумент.
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) представляет собой зависимость модуля комплексного коэффициента передачи от частоты. Она представляет собой отношение амплитуд или действующих значений выходного сигнала к входному.
Фазочастотная характеристика (ФЧХ) – это зависимость от частоты аргумента комплексного коэффициента передачи. Она представляет собой сдвиг фаз между выходным и входным сигналами.
Обычно выражение для представляет собой дробь с комплексными числителем и знаменателем, которую необходимо представить в виде
. (4.2)
Тогда модуль частного (дроби) равен частному модулей числителя и знаменателя,
, (4.3)
а ее аргумент – разности аргументов числителя и знаменателя,
. (4.4)
Аргумент комплексного числа определяется выражением
(4.5)
Численные значения АЧХ безразмерны, а ФЧХ измеряется в угловых единицах (радианах или градусах).
В инженерной практике широко используется измерение АЧХ в децибелах (дБ).
Если рассматриваются модули коэффициентов передачи напряжения или тока, то их значение в децибелах равно
. (4.6)
Если же речь идет о коэффициенте передачи мощности , то
. (4.7)
Логарифмическая мера АЧХ весьма удобна при анализе четырехполюсников.
Если , то получим, что
дБ и амплитуда сигнала не меняется при прохождении через четырехполюсник.
Если , то
и происходит усиление сигнала, а если наоборот, то
и наблюдается ослабление (затухание) сигнала.
Основным достоинством логарифмической меры является возможность отображать графически широкий диапазон изменения АЧХ от маленьких величин или
дБ до больших значений
или
дБ.
Измерение коэффициентов передачи в децибелах удобно при их перемножении, например, при каскадном соединении согласованно нагруженных четырехполюсников (эти вопросы рассматриваются в дальнейшем), при этом значения в децибелах будут складываться.
Определим АЧХ и ФЧХ цепи, показанной на рис.3.1.
Для найденного комплексного коэффициента передачи по напряжению модуль (АЧХ) и аргумент (ФЧХ) соответственно равны
,
где
.
На рис.4.1 показан график АЧХ четырехполюсника, показанного на рис.3.1 при ,
м и
.
Рис. 4.1
Максимум АЧХ имеет место на частоте , в чем нетрудно убедиться, взяв производную
и приравняв ее нулю.
Рис. 4.2
На рис.4.2 приведен график ФЧХ четырехполюсника.
На частотах ФЧХ
, то есть выходное напряжение опережает по фазе входное, а если
, то наоборот.
На частоте сдвиг фаз между этими напряжениями равен нулю (они синфазны).
Рис. 4.3
На рис.4.3,а показана та же АЧХ, но в децибелах, а на рис.4.3,б – еще и в логарифмическом масштабе по оси частот.
Как видно, переход к логарифмическим масштабам по оси ординат (дБ) и оси частот позволяет разборчиво представить АЧХ в широком диапазоне значений.
Недостатком подобных графиков является искажение формы кривых по сравнению с равномерным масштабом.