книги / Физические основы электроники
..pdfчей частоты / в , в пределах которой коэффициент усиления усилителя не выходит за заданную величину.
Степень искажения на отдельных частотах выражается коэффициентом частотных искажений:
М = Ко, |
(5.25) |
к / |
|
где К ср и К / — коэффициенты усиления на средней и данной частоте соответственно.
Обычно наибольшие частотные искажения возникают на границах диапазона частот / н и / в. Коэффициенты частотных искажений в этом случае:
* & II X
(5-26)
для верхних частот |
аII 5 |
. & |
(5.27) |
|
|
■ |
|
Коэффициент частотных искажений многокаскадного уси лителя равен произведению коэффициента частотных искаже ний отдельных каскадов:
М — М \ М г М у . . . ' М п. |
(5.28) |
Коэффициент частотных искажений, так же как и коэф |
|
фициент усиления, удобно выражать в децибелах |
|
М = 20 lg М . |
(5.29) |
В случае многокаскадного усилителя он будет равен |
|
М д б = М ] Лб + M i дб + М з а б + ...+ М в а б . |
( 5 . 3 0 ) |
Допустимая величина частотных искажений зависит от назначения усилителя. Например, для усилителей сигналов речи в рабочей полосе частот допускают частотные искаже ния в пределах 1-6 дБ. Для качественных измерительных уси лителей допустимые частотные искажения могут составлять десятые и даже сотые доли децибела.
Фазовой характеристикой называют зависимость угла сдвига фазы <р между выходным и входным напряжениями от частоты (рис. 5.4). Масштаб обеих осей обычно выбирают ли
Рис. 5.4
нейным, что дает воз можность оценивать вносимые усилителем фазовые искажения.
Положительные зна чения ср, откладывае мые вверх по вертика льной оси, соответст вуют опережению выхо дного напряжения от входного, отрицатель
ные, откладываемые вниз, — отставанию выходного напря жения от входного. Ф — разность ординат фазовой характе ристики и касательной к ней, проведенной через начало коор динат.
Искажения формы сигнала, вызываемые неодинаковым сдвигом во времени отдельных гармонических составляющих сложного сигнала, называют фазовыми искажениями. Вноси мые усилителем фазовые искажения определяются его фазо вой характеристикой.
Не всякий фазовый сдвиг, вносимый усилителем, создает фазовые искажения. Если, например, вносимый усилителем угол сдвига фазы прямо пропорционален частоте, то усили тель не изменяет формы усиливаемых сигналов, а лишь сдви гает сигнал по времени и не вносит фазовых искажений.
Следовательно, идеальной фазовой характеристикой уси лителя, соответствующей отсутствию вносимых усилителем фазовых искажений, является прямая, проходящая через на чало координат под любым углом к горизонтальной оси. По этому вносимые усилителем фазовые искажения оценивают не абсолютным значением угла сдвига фазы ф, вносимого усилителем, а разностью ординат Ф.
В области нижних частот проходящая через начало коор динат касательная к фазовой характеристике совпадает с го ризонтальной осью, а поэтому мерой фазовых искажений на
нижних частотах Фн является абсолютное значение вносимого усилителем угла сдвига фазы фн. В области верхних частот фазовые искажения Фв обычно много меньше вносимого уси лителем угла сдвига фазы фв.
Человеческое ухо практически не реагирует на фазовые состояния гармонических составляющих, несмотря на изме нение при этом формы сигнала. Поэтому в усилителях звуко вой частоты фазовые искажения обычно не ограничивают и не принимают во внимание при проектировании усилителя. В усилителях для осциллоскопов фазовые искажения приводят к тому, что изображение на экране осциллоскопа отличается от действительной формы сигнала, а поэтому жестко ограничи ваются. Так, например, сдвиг фазы основной частоты слож ного колебания на 5-7° может заметно изменить его форму. Поэтому для усилителей осциллоскопов высокого качества допускают Фн не выше 4-5°. Фазовые искажения на высшей рабочей частоте меньше отражаются на форме сигнала, и в указанных усилителях Фв допускают до 20-30°. В некоторых типах измерительных усилителей фазовые искажения отра жаются на точности измерения, а поэтому также ограничи ваются.
Переходной характеристикой называют зависимость мгно венного значения выходного напряжения усилителя от време ни 1/ВЫх ( 0 или мгновенного значения коэффициента усиления от времени
K (t)= U*h$ |
(5.31) |
U j t )
при подаче на вход мгновен ного скачка напряжения (рис. 5.5).
Этой характеристикой пользуются в импульсных ус илителях для оценки искаже ний формы усиливаемых им пульсов.
У ////У ////////////////////////////////////////////////////////////////////Л
Рис. 5.5
Хосракте-
Амплитудная характеристика и динамический диапазон. Амплитудная характеристика усилителя представляет собой зависимость установившегося значения выходного напряже ния от величины подаваемого на вход синусоидального на пряжения неизменной частоты (рис. 5.6). Обычно берут стан дартную звуковую частоту 400 или 1000 Гц. В рабочей облас ти амплитуд сигнала, поступающих на вход усилителя, ам плитудная характеристика обычно прямолинейна; угол ее наклона определяется коэффициентом усиления усилителя на данной частоте. При чрезмерной амплитуде сигнала нелиней ные элементы, входящие в схему усилителя, перегружаются, пропорциональность между выходным и входным напряже ниями нарушается и амплитудная характеристика искривля ется.
Амплитудная характеристика идеального усилителя пред ставляет собой прямую, проходящую под определенным уг лом через начало координат. Однако амплитудная характери стика реальных усилителей не проходит через начало коорди нат, а начинается в определенной точке на оси выходных на пряжений. Объясняется это тем, что в реальных усилителях при отсутствии подаваемого на вход сигнала напряжение на выходе оказывается равным не нулю, а Напряжению соответ ственных помех усилителя — Unом «.
Основными составляющими собственных помех усилите ля являются: наводки и фон, помехи от микрофонного эффек та, тепловые шумы, шумы усилительных элементов.
Амплитудная характеристика усилителя показывает, что на его вход можно подавать напряжение сигнала не меньше ит. мин, в противном случае сигнал на выходе будет заглушен собственными помехами усилителя, и не выше Un . макс, иначе усилитель будет давать чрезмерные нелинейные искажения, вызываемые перегрузкой нелинейных элементов усилителя.
Отношение U. представляет собой динамический
U.
диапазон усилителя:
Dy = ^вх.макс |
(5.32) |
^вх.мин |
|
£>у(дб) = 20 IgDy = 20 l g ^ H L ; |
(5 .3 3 ) |
и вх.мин |
|
динамический диапазон сигнала |
|
£>сиг = ^ 2 - . |
(5.34) |
^ и.мин |
|
Необходимо, чтобы Dy > Dmг.
Нелинейные искажения. Нелинейными искажениями на зываются изменения формы сигнала. Основными причинами появления нелинейных искажений в усилителях являются: нелинейность характеристик усилительных элементов, при меняемых в усилителях (транзисторы и т.д.), нелинейность характеристик намагничивания магнитного материала сер дечников трансформаторов и дросселей усилителей.
Транзисторы всегда работают с наличием тока во вход ной цепи и они вносят нелинейные искажения как по выход ной, так и по входной цепи.
Нелинейность усилителя гармонических сигналов и вно симые им нелинейные искажения удобно оценивать коэффи циентом гармоник Кг, равным отношению действующего зна чения появившихся в выходной цепи гармоник тока (или на
пряжения) к току (или напряжению) основной частоты. При этом полагают, что на вход усилителя включен источник си нусоидальной ЭДС, а нагрузка усилителя представляет собой активное сопротивление, не зависящее от частоты.
(5.35)
где 11, h , /з, ... — действующие или амплитудные значения первой, второй, третьей и других гармоник тока на выходе; U\, Ui, Uz и т.д. — соответственно напряжения.
Допустимая величина вносимых усилителем нелинейных искажений определяется его назначением. Так, например, в усилителе для высококачественного усиления речи КГ= 1-2 %, в звуковом усилителе среднего качества Кг = 5-7 %.
5.3. Режимы работы усилительных каскадов
В зависимости от положения рабочей точки в режиме по коя на характеристиках транзисторов и электронных ламп, а
Ilblt |
1Ьы/а |
A B C D
Ж
г
ретким Ь
Рис. 5.7
— eCt
ре>ким С
также от величины усиливаемого напряжения различают сле дующие основные режимы работы усилительных каскадов: А, В, АВ, С и Д.
Определение разновидности режима работы при большом сигнале на входе наиболее точно может быть произведено только по сквозной характеристике каскада, т.е. зависимости тока в нагрузке усилительного элемента (УЭ) от величины ЭДС источника сигнала в предположении линейности изме нения этой ЭДС (рис. 5.7). Сквозная характеристика УЭ отли чается от проходной учетом влияния внутреннего сопротив ления источника сигнала.
В режиме А рабочую точку выбирают на рабочем участке (обычно посередине) сквозной или переходной динамической характеристики.
Величина входного напряжения в этом случае должна быть такой, чтобы работа усилительного каскада происходи ла на линейном участке характеристики. Нелинейные иска жения в этом случае будут минимальными. Однако режим А имеет существенный недостаток — низкий КПД усилителя. Он всегда меньше 0,5. Ток в выходной цепи действует в тече ние всего периода сигнала. Режим применяется как в одно тактных, так и в двухтактных усилителях.
В реэюиме В ток в выходной цепи существует в течение примерно половины периода сигнала. Точка покоя усилитель ного элемента расположена на нижнем конце идеализирован ной сквозной динамической характеристики, в точке пересече ния ее с осью абсцисс. Угол отсечки в идеальном режиме © = = 90°, в реальном режиме — немного больше 90°. Углом от сечки называется половина той части периода, выраженной в угловых единицах, в течение которой ток сигнала протекает через усилительный элемент.
Ток покоя в реальном режиме В не равен нулю, а состав ляет 5-15 % от максимального значения выходного тока.
Основным достоинством режима В является малое по требление энергии питания. Следовательно, режим обладает большим КПД, достигающим 80 %. К недостаткам следует отнести большие нелинейные искажения. Режим В использу ется, как правило, в 2-тактных усилителях мощности, где одно
плечо работает при положительном полупериоде, а другое при отрицательном, в результате усиливаются обе половины подводимого синусоидального сигнала.
Существует еще промежуточный режим АВ. Угол отсечки
вэтом режиме больше 90°, но меньше 180°, © = 120°.
Врежиме С ток в выходной цепи усилительного элемента течет меньше половины периода. Точка покоя располагается на горизонтальной оси, левее точки пересечения спрямленной динамической сквозной характеристики с осью абсцисс. Угол
отсечки в этом режиме © < 90°. При отсутствии входного сиг нала усилительный элемент полностью заперт. В режиме С КПД больше, чем в режиме В, и приближается к 1. Этот ре жим сопровождается большими искажениями усиливаемого сигнала. Использование двухтактной схемы в этом случае нс дает возможность получить на выходе сигнал, по форме ана логичный входному.
Режим С применяют в мощных резонансных усилителях, автогенераторах. Резонансные контуры настраиваются на час тоту подаваемого сигнала или на частоту одной из гармоник.
В режиме Д имеется двухсторонняя симметричная отсеч ка сигнала.
5.4. Усилительные каскады на биполярных транзисторах с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ)
иобщим коллектором (ОС)
Взависимости от того, какой электрод является общим для входной и выходной цепи, различают три схемы включе ния транзисторов: с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором.
Схема с общей базой. В этой схеме (рис. 5.8) входной сиг нал прикладывается к выводам эмиттера и базы, а источник питания коллектора и сопротивление нагрузки включены ме жду выводами коллектора и базы.
Усилительный каскад, собранный по схеме с общей базой, обладает малым входным сопротивлением (порядка десятков ом) и большим выходным сопротивлением (сотни килоом). Низ кое входное сопротивление каскада является его существенным
Рис. 5.8 У/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////Л
недостатком. При включении транзистора с общей базой со противление базы п создает в нем внутреннюю последова тельную положительную обратную связь по току, уменьшаю щую входное и выходное сопротивления транзистора.
Применение схемы с общей базой дает усиление по напря жению до 100-200, коэффициент усиления по току меньше 1 (а = 0,98-0,99); коэффициент усиления по мощности немного
меньше коэффициента усиления по напряжению. |
|
КР= Ки а. |
(5.36) |
При включении с общей базой транзистор не меняет по лярность усиливаемых сигналов.
Схема с общим эмиттером. Основная особенность схемы с общим эмиттером заключается в том, что входным током в ней является не ток эмиттера, а малый по величине ток базы. Входное сопротивление каскада с общим эмиттером значи тельно выше, чем каскада с общей базой, и составляет сотни и тысячи ом. Выходное сопротивление также достаточно вели ко и составляет порядка десятков килоом. Это позволяет в многокаскадном усилителе обойтись без согласующих уст ройств (рис. 5.9).
При включении с общим эмиттером транзистор изменяет полярность усиливаемых сигналов на обратную.
Схема обладает большим усилением по току р — порядка нескольких десятков:
а
(5.37)
1 - а
При а = 0,98 р = 49.
Коэффициент усиления по напряжению для схемы с об щим эмиттером имеет примерно такую же величину, как и для схемы с общей базой (100—200).
Коэффициент усиления по мощности для схемы с общим
эмиттером |
|
КР = р К и |
(5.38) |
значительно выше, чем в схеме с общей базой, и может дости гать нескольких тысяч.
Положительным свойством каскада с общим эмиттером следует также считать возможность питания его от одного источника напряжения, поскольку на базу и коллектор пода ются питающие напряжения одного знака.
Схема с общим коллектором или эмиттерный повторитель (рис. 5.10). Коэффициент усиления по току больше, чем в схе
ме с общим эмиттером. В этой схеме коэффициент |
|
К,= — . |
(5.39) |
1 - а |
|
При а = 0,98 Ki = 50. |
1: К и = |
Коэффициент усиления по напряжению меньше |
= 0,9-0,95.
При включении с общим коллектором транзистор не ме няет полярность усиливаемых сигналов (эмиттерный повто ритель).
по