Az erősítők és a szűrők széles körben használt elektronikus áramkörök, amelyek az erősítés és a szűrés tulajdonságaival rendelkeznek, innen a nevük.

Az erősítők erősítést állítanak elő, míg a szűrők megváltoztatják az elektromos jel amplitúdó és/vagy fázis jellemzőit a frekvencia függvényében. Mivel ezek az erősítők és szűrők ellenállásokat, induktivitásokat vagy kondenzátorhálózatokat (RLC) használnak kialakításukban, fontos kapcsolat van e reaktív komponensek használata és az áramkörök frekvenciaválasz-jellemzői között.

A váltakozó áramú áramköröknél feltételezzük, hogy azok rögzített frekvencián működnek, például 50 Hz-en vagy 60 Hz-en. A lineáris váltakozó áramú áramkörök válaszát azonban állandó nagyságú, de változó frekvenciájú váltakozó vagy szinuszos bemeneti jellel is meg lehet vizsgálni, mint például az erősítő- és szűrőáramkörökben. Ez aztán lehetővé teszi, hogy az ilyen áramköröket frekvenciaválasz-elemzéssel tanulmányozzuk.

Az elektromos vagy elektronikus áramkör frekvenciaválasza lehetővé teszi, hogy pontosan lássuk, hogyan változik a kimeneti erősítés (az úgynevezett nagyságválasz) és a fázis (az úgynevezett fázisválasz) egy adott egyetlen frekvencián, vagy a különböző frekvenciák teljes tartományában 0 Hz-től, (d.c.) és sok ezer megahertz, (MHz) között, az áramkör tervezési jellemzőitől függően.

Az áramkör vagy rendszer frekvenciaválasz-elemzését általában úgy mutatjuk be, hogy ábrázoljuk az erősítést, azaz a kimeneti jel nagyságát a bemeneti jelhez képest, Kimenet/Bemenet, egy olyan frekvenciaskála ellenében, amelyen az áramkör vagy rendszer várhatóan működni fog. Ezután az áramkör erősítésének, (vagy veszteségének) ismeretében minden egyes frekvenciaponton segít megérteni, hogy az áramkör mennyire jól (vagy rosszul) képes megkülönböztetni a különböző frekvenciájú jeleket.

Egy adott frekvenciafüggő áramkör frekvenciaválasza ábrázolható a nagyság (erősítés) és a frekvencia (ƒ) grafikus vázlataként. A vízszintes frekvencia tengelyt általában logaritmikus skálán ábrázolják, míg a függőleges tengelyt, amely a feszültségkimenetet vagy az erősítést ábrázolja, általában lineáris skálán, tizedes osztásban ábrázolják. Mivel egy rendszer erősítése lehet pozitív vagy negatív is, az y-tengelyen ezért pozitív és negatív értékek is lehetnek.

Az elektronikában a logaritmus vagy röviden “log” azt a hatványt jelenti, amelyre a bázisszámot emelni kell ahhoz, hogy az adott számot megkapjuk. Ezután egy Bode-diagramon a logaritmikus x-tengely skálája log10 osztásokkal van beosztva, így minden frekvencia évtized (pl. 0,01, 0,1, 1, 10, 100, 1000 stb.) egyenlő távolságra van az x-tengelyen. A logaritmus ellentéte az antilogaritmus vagy “antilog”.

A frekvenciaválaszgörbék grafikus ábrázolásait Bode-ábráknak nevezik, és mint ilyeneket, a Bode-ábrákat általában féllogaritmikus grafikonoknak mondják, mivel az egyik skála (x-tengely) logaritmikus, a másik (y-tengely) pedig lineáris (log-lin-ábrák), mint látható.

Frekvencia-válaszgörbe

Azt láthatjuk, hogy bármely adott áramkör frekvenciaválasza a viselkedésének változása a bemeneti jel frekvenciájának változásával, mivel azt a frekvenciasávot mutatja, amelyen a kimenet (és az erősítés) viszonylag állandó marad. Az ƒL és ƒH közötti nagy vagy kicsi frekvenciatartományt az áramkörök sávszélességének nevezzük. Ebből tehát egy pillantással meg tudjuk határozni a feszültségerősítést (dB-ben) bármely szinuszos bemenetre egy adott frekvenciatartományon belül.

Amint már említettük, a Bode-diagram a frekvenciaválasz logaritmikus ábrázolása. A legtöbb modern hangerősítő a 20 Hz-től 20 kHz-ig terjedő teljes hangfrekvenciatartományban a fentiek szerint lapos frekvenciaválaszú. Ezt a frekvenciatartományt egy hangerősítő esetében sávszélességnek (BW) nevezik, és elsősorban az áramkör frekvenciaválasza határozza meg.

Az ƒL és ƒH frekvenciapontok az alsó sarok- vagy határfrekvenciára, illetve a felső sarok- vagy határfrekvencia pontokra vonatkoznak, ahol az áramkör erősítése magas és alacsony frekvenciákon leesik. Ezeket a pontokat a frekvenciaválaszgörbén általában -3dB (decibel) pontokként ismerik. Tehát a sávszélesség egyszerűen így adódik:

A decibel, (dB), amely a bel (B) 1/10-ed része, egy általános nemlineáris egység az erősítés mérésére, és 20log10(A), ahol A a decimális erősítés, az y tengelyen ábrázolva. A nulla decibel (0dB) egy egységnyi nagyságú, maximális kimenetet adó függvénynek felel meg. Más szóval, a 0dB akkor következik be, amikor Vout = Vin, mivel ezen a frekvenciaszinten nincs csillapítás, és a következőképpen adódik:

A fenti Bode-diagramból látjuk, hogy a két sarok- vagy határfrekvenciaponton a kimenet 0dB-ről -3dB-re esik, és továbbra is rögzített sebességgel csökken. Ezt az esést vagy az erősítés csökkenését általában a frekvenciaválaszgörbe roll-off régiójaként ismerik. Minden alapvető egyrendű erősítő- és szűrőáramkörben ezt a roll-off sebességet 20 dB/dekádban határozzák meg, ami 6 dB/oktáv sebességnek felel meg. Ezeket az értékeket megszorozzuk az áramkör rendjével.

Ezek a -3 dB-es sarokfrekvencia pontok határozzák meg azt a frekvenciát, amelynél a kimeneti erősítés a maximális érték 70,71%-ára csökken. Akkor helyesen mondhatjuk, hogy a -3dB pont egyben az a frekvencia is, amelyen a rendszerek erősítése a maximális értékének 0,707 %-ára csökken.

Frekvencia válasz -3dB pont

A -3dB pontot félteljesítménypontként is ismerik, mivel a kimeneti teljesítmény ezen a sarokfrekvencián a 0dB maximális értékének a fele lesz, mint az ábrán látható.

Ezért a terhelésre leadott kimeneti teljesítmény mennyisége a határfrekvencián gyakorlatilag “megfeleződik”, és mint ilyen, a frekvenciaválaszgörbe sávszélessége (BW) e két félteljesítménypont közötti frekvenciatartományként is meghatározható.

Míg a feszültségerősítésre 20log10(Av), az áramerősítésre 20log10(Ai), addig a teljesítményerősítésre 10log10(Ap) értéket használunk. Megjegyezzük, hogy a 20-as szorzótényező nem azt jelenti, hogy kétszer annyi, mint a 10, mivel a decibel a teljesítményarány egy egysége, és nem a tényleges teljesítményszint mértékegysége. A dB-ben megadott erősítés is lehet pozitív vagy negatív, a pozitív érték erősítést, a negatív érték pedig csillapítást jelez.

Az alábbi táblázatban bemutathatjuk a feszültség, az áram és a teljesítményerősítés közötti kapcsolatot.

Decibeles erősítési egyenértékek

A működési erősítők nyílt hurkú feszültségnyereségével, ( AVO ) több mint 1,000,000 vagy 100dB lehet.

Dcibelek Példa No1

Ha egy elektronikus rendszer 24 mV kimeneti feszültséget állít elő, amikor 12 mV jelet adunk, számítsuk ki a rendszer kimeneti feszültségének decibel értékét.

Debel Példa No2

Ha egy hangerősítő kimeneti teljesítményét 10W értéken mérjük, ha a jel frekvenciája 1kHz, és 1W értéken, ha a jel frekvenciája 10kHz. Számítsuk ki a teljesítmény dB-es változását.

Frekvenciaválasz Összefoglaló

Ebben a tananyagban láttuk, hogy egy elektronikus áramkör frekvenciaválasza határozza meg azt a frekvenciatartományt, amelyen belül működik. Egy eszköz vagy áramkör frekvenciaválasza leírja a működését egy meghatározott jelfrekvencia-tartományban, megmutatva, hogyan változik az erősítés, vagyis az általa átengedett jel mennyisége a frekvenciával.

A bode-diagramok az áramkörök frekvenciaválasz-karakterisztikájának grafikus ábrázolásai, és mint ilyenek használhatók a tervezési problémák megoldásához. Általában az áramkörök erősítési nagyság- és fázisfüggvényeit külön grafikonokon ábrázolják, az x tengely mentén logaritmikus frekvenciaskálát használva.

A sávszélesség az a frekvenciatartomány, amelyen egy áramkör a felső és alsó határfrekvencia pontjai között működik. Ezek a határ- vagy sarokfrekvencia pontok jelzik azokat a frekvenciákat, amelyeken a kimenethez tartozó teljesítmény a maximális érték felére csökken. Ezek a fél teljesítménypontok az erősítés 3dB (0,7071) csökkenésének felelnek meg a maximális dB értékhez képest.

A legtöbb erősítő és szűrő lapos frekvenciaválasz karakterisztikával rendelkezik, amelyben az áramkör sávszélessége vagy áteresztési szakasza lapos és állandó a frekvenciák széles tartományában. A rezonáns áramköröket úgy tervezték, hogy egy bizonyos frekvenciatartományt átengedjenek, másokat pedig blokkoljanak. Olyan ellenállások, induktivitások és kondenzátorok felhasználásával épülnek fel, amelyek reaktanciája a frekvenciával változik, frekvenciaválaszgörbéjük éles emelkedésnek vagy pontnak tűnhet, mivel sávszélességüket befolyásolja a rezonancia, amely az áramkör Q értékétől függ, mivel a nagyobb Q érték szűkebb sávszélességet biztosít.