книги / Физические основы электроники

для нижних частот

чей 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