Что определяет внешняя характеристика усилителя

12.2. Основные показатели и характеристики усилителей

Усилитель характеризуется рядом показателей, по которым можно судить о его усилительных, энергетических, эксплуатационных и других свойствах. Достаточно полные сведения о технических показателях позволяют выяснить степень пригодности усилителя для работы в конкретных условиях или спроектировать его с учетом определенных условий эксплуатации. Технические показатели усилителей определяются соответствующим техническим заданием на разработку, а для серийно выпускаемых усилителей – ГОСТами, ОСТами и специальными руководящими техническими материалами.

К основным техническим показателям электронных усилителей относятся:

— линейные и нелинейные искажения;

— потребляемая мощность и коэффициент полезного действия;

— входные и выходные параметры;

— диапазон рабочих частот;

— масса, габариты и другие эксплуатационные параметры.

Основным параметром электронного усилителя является коэффициент усиления . Коэффициент усиления мощности (напряжения, тока) определяется отношением приращения мощности (напряжения, тока) выходного сигнала к вызвавшему его приращению мощности (напряжения, тока) входного сигнала и характеризует усилительные свойства схемы:

;;.

Выходной и входной сигналы должны быть выражены в одних и тех же количественных единицах, поэтому коэффициент усиления является безразмерной величиной.

При отсутствии реактивных элементов в схеме, а также при определенных режимах ее работы, когда исключается их влияние, коэффициент усиления является действительной величиной, не зависящей от частоты. В этом случае выходной сигнал повторяет форму входного и отличается от него в раз только амплитудой.

На практике часто безразмерную абсолютную величину (модуль) коэффициента усиления выражают в логарифмических единицах (децибелах), для чего используют выражения

.

Для многокаскадного усилителя общий коэффициент усиления по напряжению (току, мощности) равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов. Если коэффициенты усиления каскадов выражены в логарифмических единицах, то общий коэффициент усиления всего усилителя равен их сумме.

При наличии реактивных элементов в схеме (конденсаторов, индуктивностей) коэффициент усиления следует рассматривать как комплексную величину

,

где идействительная и мнимая составляющие, зависящие от частоты входного сигнала, причем;, или рассматривать коэффициент передачи.

Существование реактивных элементов в схеме усилителя обуславливает временную задержку выходного сигнала усилителя относительно входного: .

Положим, что коэффициент усиления не зависит от амплитуды входного сигнала. В этом случае при подаче на вход усилителя синусоидального сигнала выходной сигнал также будет иметь синусоидальную форму, но отличаться от входного по амплитуде враз и по фазе на угол.

Периодический сигнал сложной формы согласно теореме Фурье можно представить суммой конечного или бесконечно большого числа гармонических составляющих, имеющих разные амплитуды, частоты и фазы. Так как — комплексная величина, то амплитуды и фазы гармонических составляющих входного сигнала при прохождении через усилитель изменяются по-разному и выходной сигнал будет отличаться по форме от входного.

Искажения сигнала при прохождении через усилитель, обусловленные зависимостью параметров усилителя от частоты и не зависящие от амплитуды входного сигнала, называются линейными искажениями. Линейные искажения, в свою очередь, можно разделить на частотные и фазовые. Частотные искажения характеризуют изменение модуля коэффициента усиления в полосе частот за счет влияния реактивных элементов в схеме. Фазовые искажения характеризуют зависимость величины сдвига по фазе между выходным и входным сигналами от частоты за счет влияния реактивных элементов.

Частотные искажения сигнала можно оценить с помощью амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), выражающей зависимость модуля коэффициента усиления по напряжению от частоты. АЧХ усилителя в общем виде представлена на рис. 12.3.

Она описывается выражением или, гдеи.

Рабочий диапазон частот усилителя, внутри которого коэффициент усиления можно считать с известной степенью точности постоянным, лежит между низшей и высшейграничными частотами и называется полосой пропускания. Граничные частоты определяют уменьшение коэффициента усиления на заданную величину от своего максимального значенияна средней частоте. Введя коэффициент частотных искаженийна данной частоте, где— коэффициент усиления по напряжению на данной частоте, можно с помощью АЧХ определить частотные искажения в любом диапазоне рабочих частот усилителя.

Поскольку наибольшие частотные искажения имеют место на границах рабочего диапазона, то при расчете усилителя задают, как правило, коэффициенты частотных искажений на низшей и высшей граничных частотах

,

где и— соответственно коэффициенты усиления по напряжению на низшей и высшей граничных частотах. Обычно принимают, т.е. на граничных частотах коэффициент усиления по напряжению уменьшается до уровня0,707значения коэффициента усиления на средней частоте.

Таким образом, по АЧХ можно определить ,,,. Кроме того, для широкополосных усилителей используют понятие добротности, определяемое формулой, и различают низкодобротные и высокодобротные усилители.

Фазочастотная характеристика (ФЧХ) показывает, как меняется угол сдвига фаз между входными и выходными сигналами при изменении частоты (рис. 12.4) и определяет фазовые искажения.

Первая производная ФЧХ по частоте называется групповым временем запаздывания. При воздействии на вход усилителя сложного сигнала все его спектральные составляющие в случае идеальной (линейной) ФЧХ будут запаздывать на одно и то же время, и фазовые искажения выходного сигнала будут отсутствовать. В случае реальной (нелинейной) ФЧХ спектральные составляющие входного сигнала будут запаздывать на неодинаковое время и суммирование отдельных спектральных составляющих на выходе усилителя приведет к искажению формы выходного сигнала по отношению к входному. Из рис. 12.4 видно, что в пределах полосы пропускания фазовые искажения минимальны, однако резко возрастают в области граничных частот. При оценке фазовых искажений важен не сам фазовый сдвиг, а его изменение в зависимости от частоты.

Иногда, особенно при рассмотрении вопроса об устойчивости усилителя, удобно представлять зависимость коэффициента усиления от частоты в полярных координатах или на плоскости комплексных чисел . Это позволяет связать в одну зависимость – амплитудно-фазовую частотную характеристику, АЧХ и ФЧХ усилителя во всем диапазоне частот.

Амплитудно-фазовая частотная характеристика (АФЧХ) усилителя представляет собой годограф вектора коэффициента усиления на комплексной плоскости (рис. 12.5).

Текущая длина вектора равна модулю коэффициента усиления, а угол, образованный этим вектором и положительным направлением вещественной оси, равен текущему значению фазы.

В усилителях импульсных сигналов линейные искажения усиливаемых импульсов обусловлены переходными процессами установления токов и напряжений в цепях, содержащих реактивные сопротивления (емкости и индуктивности). Для оценки линейных искажений, называемых переходными, используют переходную характеристику. Переходная характеристика представляет собой зависимость мгновенного значения выходного напряжения (или тока) от времени при мгновенном скачкообразном изменении напряжения (или тока) во входной цепи усилителя.

Общий вид переходной характеристики усилителя показан на рис. 12.6, здесь же приведен и входной сигнал в виде скачка напряжения .

Переходные искажения подразделяют на искажения фронтов импульса и искажения крыши импульса.

Искажения фронта характеризуются временем нарастания и выбросомфронта импульса. Ввиду того, что у большинства усилителей процесс нарастания фронта происходит за время, много меньшее длительности усиливаемых импульсов, для оценки искажений фронтов пользуются переходной характеристикой в области малых времен (рис. 12.7).

Временем нарастания принято считать отрезок времени, в течение которого выходной сигнал (переходная характеристика) нарастает от0,1до0,9своего установившегося значения. Время нарастанияопределяется с помощью перехода от изображения выходного напряженияк его оригиналу с учетом того, что. Выполняя преобразование Лапласа, находим. Если, то, что при переходе к оригиналу дает. Часто переходная характеристика представляется в нормированном виде, тогда для значенийиопределяются величиныии находится время нарастания. Отсюда верхняя граничная частота. Вывод: для усиления сигналов малой длительности () следует использовать широкополосные усилители ().

Выброс фронта оценивается в относительных единицах или процентах как отношение разности максимальнойи полученной после установления фронтаординат переходной характеристики к:.

Для оценки искажений плоской крыши импульсов используется переходная характеристика в области больших времен (рис. 12.8). Искажения плоской крыши импульсов оцениваются относительной величиной изменения ординаты переходной характеристики в течение длительностивходного прямоугольного импульса:, где.

Еще одной важной характеристикой электронного усилителя является амплитудная характеристика (рис. 12.9), представляющая собой зависимость амплитудного (или действующего) значения выходного напряжения от амплитудного (или действующего) значения входного гармонического напряжения, снимаемая при .

Амплитудная характеристика электронного усилителя в принципе нелинейна, однако может содержать участки, где кривая носит приблизительно линейный характер с большой степенью точности.

Из рис. 12.9 видно, что реальный усилитель может усиливать подводимые к его входу сигналы с напряжением не ниже , так как более слабые сигналы будут заглушаться напряжением собственных шумов усилителяи не выше, иначе усилитель будет вносить большие нелинейные искажения.

Отношение характеризует диапазон напряжений сигнала, усиливаемых данным усилителем без чрезмерных помех и искажений, и называется динамическим диапазоном усилителя:

.

В большинстве случаев напряжение сигнала, подводимое к входу усилителя, не является постоянной величиной, а изменяется от наибольшего значения до наименьшего. Отношение наибольшего напряжения сигнала к наименьшему характеризует рабочий диапазон напряжений данного источника сигнала и называется динамическим диапазоном сигнала:

.

Для того чтобы при усилении минимального и максимального сигналов не возникало чрезмерных искажений, динамический диапазон усилителя должен быть не меньше динамического диапазона сигнала.

Сквозной динамической характеристикой усилителя называется зависимость выходного напряжения (тока) от входной ЭДС (тока) сигнала. Сквозная динамическая характеристика позволяет судить о нелинейных свойствах усилителя, с ее помощью оцениваются нелинейные искажения усилителя. У идеального линейного усилителя при отсутствии фазового сдвига между выходными и входными сигналами сквозная динамическая характеристика представляет собой отрезок прямой, проходящий через начало координат под определенным наклоном к оси абсцисс. Сквозная динамическая характеристика реального усилителя является нелинейной, что обусловлено нелинейностью ВАХ усилительного элемента.

Так, например, для построения сквозной динамической характеристики усилительного каскада с общим эмиттером на биполярном транзисторе используют нагрузочную прямую переменного тока и входную характеристику транзистора. Для каждой точки пересечения нагрузочной прямой со статическими выходными характеристиками находят значения выходного тока и для соответствующих им точек статической входной характеристики транзистора определяют входное напряжение. Затем для каждой из этих точек вычисляют ЭДС источника сигнала входной цепи. Точки с найденными таким образом значениямиинаносят на плоскость в координатах,и, соединив их плавной линией, получают сквозную динамическую характеристику.

Для иллюстрации описанного метода положим, что семейство статических выходных характеристик использованного в каскаде транзистора и его входная характеристика имеют вид, изображенный на рис. 12.10.

Пусть схема имеет следующие параметры: напряжение покоя между коллектором и эмиттером , ток покоя цепи коллектора, сопротивление нагрузки цепи коллектора переменному току, максимальное значение тока базы, минимальное значение тока базы, сопротивление источника сигнала, представляющее собой выходное сопротивление предыдущего каскада переменному току. Отметим на семействе выходных характеристик точку покоя с координатамии(точкаО). Для нахождения точкиМна горизонтальной оси вправо от точки покоя отложим напряжение, равное. Прямая, проведенная через точкиОиМ, представляет собой нагрузочную прямую для сопротивления. Крайние точки ее соответствуют точкам пересечения этой прямой со статическими характеристиками для токов базыи(точкиНиП). Из этих построений можно найти амплитуду переменной составляющей напряжения коллектор – эмиттери амплитуду переменной составляющей тока коллектора. Для построения сквозной динамической характеристики каскада отметим на статической входной характеристикетранзистора точки, соответствующие точкам пересечениянагрузочной прямой со статическими выходными характеристиками для. Для каждой из точек пересечения рассчитаем. Например, для точки, для которой;. По входной статической характеристике найдем для этой точки (точки) входное напряжение. Отсюда для точкисквозной динамической характеристики (рис. 12.10), соответствующей выходному току, ЭДС источника сигнала должна быть. Рассчитав таким же образомдля других точек пересечения, сведем результаты в таблицу 12.1.

Основные показатели и характеристики усилителя

1. Коэффициенты передачи по напряжению, по току и по мощности в полосе пропускания.

.

Часто используют значения коэффициента передачи в децибеллах

.

2. Полоса пропускания усилителя по уровню половинной мощности ( по амплитуде) 2 f_0,7, нижняя и верхняя граничные частоты: f_н , f_в .

3. Входное сопротивление – сопротивление между входными зажимами усилителя при подключенной нагрузке.

4. Выходное сопротивление усилителя – сопротивление между выходными зажимами вместе с известным сопротивлением источника сигнала.

5. КПД для усилителя мощности.

Важным свойством усилителя является неискаженная передача входного сигнала в нагрузку. Искажения сигналов в усилителе обусловлены двумя факторами:

1. Наличием в схеме усилителя реактивных элементов и межэлектродных емкостей в активном элементе , что приводит к так называемым частотным (линейным) искажениям сигналов. Различные частотные составляющие входного сигнала усиливаются по-разному, приводя к изменению формы сигнала. Линейные (амплитудные и фазовые) искажения определяются неравномерностью АЧХ и нелинейностью ФЧХ усилителя. Мерой амплитудных искажений является отношение коэффициента передачи усилителя на заданной частоте к коэффициенту передачи в полосе пропускания.

М=K(f)/K_o .

При М=1 амплитудные искажения отсутствуют, М>1 характеризует подъем АЧХ, М

Нелинейность ФЧХ приводит к изменениям соотношений между фазами составляющих сигнала, и в конечном итоге к искажению формы сигнала. Частотные искажения называются линейными, т.к. они обусловлены линейными элементами схемы. Равномерность АЧХ и линейность ФЧХ усилителя в полосе сигнала характеризует передачу без искажений.

2. Наличие нелинейного элемента в усилителе приводит к появлению в спектре выходного сигнала составляющих с частотами, которых не было в исходном входном сигнале. Искажения, вызванные этими составляющими, называются нелинейными. Оценка нелинейных искажений производится по формуле

,

где U_m,1 — амплитуда первой гармоники усиливаемого сигнала, U_m,n – амплитуды высших гармонических составляющих сигнала на выходе усилителя.

Характеристикой, позволяющей выбрать режим работы с минимальными нелинейными искажениями, является амплитудная характеристика усилителя — зависимость амплитуды первой гармоники выходного сигнала от амплитуды гармонического сигнала на входе. Примеры АХ:

Амплитуды входного сигнала U_m,вх,min и U_m,вх,max определяют динамический диапазон усилителя.

Для импульсных усилителей важной является переходная g(t) (или импульсная h(t)) характеристика усилителя. Это зависимость значения выходного напряжения от времени при скачкообразном изменении входного напряжения. При прохождении импульсного сигнала переходная характеристика позволяет оценить степень искажения сигнала на выходе. Типичный вид переходной характеристики УНЧ показан ниже.

Импульсная характеристика усилителя определяется как производная от переходной:

Она связана парой преобразований Фурье с частотной характеристикой усилителя:

Чем шире частотная характеристика, тем короче переходные процессы в усилителе; так нижняя граничная частота УНЧ отвечает за неискаженную передачу медленно меняющейся части усиливаемого сигнала (например, полочки в импульсе прямоугольной формы), а верхняя граничная частота – за неискаженную передачу быстро-меняющейся части сигнала (например, фронтов прямоугольных импульсов

Основные сведения и классификация

Обратная связь (ОС) в усилителе характеризует передачу на его вход колебаний с выхода отдельного каскада или с выхода всего усилителя в целом. Применение ОС позволяет улучшить характеристики усилителя.

По характеру передачи сигнала с выхода на вход различают:

• внутреннюю ОС, образующуюся благодаря межэлектродным и паразитным емкостям схемы и особенностям ВАХ активного элемента;
• внешнюю ОС, которая организуется специальными цепями.

Элементы схемы, создающие ОС, образуют цепь ОС, которая представляет собой чаще всего пассивный линейный четырехполюсник, вход которого подсоединен к выходу усилителя, а выход – ко входу усилителя.

В зависимости от того, возрастает или уменьшается сигнал на входе усилителя, обратные связи делятся на:

• положительные (ПОС);
• отрицательные (ООС).

Поскольку фаза как выходного сигнала, так сигнала с цепи ОС зависят от частоты, то считать ОС положительной или отрицательной можно лишь в некотором диапазоне частот. Сильное изменение частоты сигнала (за пределы рабочей полосы усилителя) может привести к смене знака ОС.

В усилителях чаще всего специально вводят ООС в рабочей полосе частот. С внутренней ОС мы встретились при анализе каскада с ОЭ, где транзистор характеризовался параметром обратной связи h_12,э . Как было показано, отличие от нуля этого параметра приводит к зависимости от него всех внешних параметров транзистора и усилителя в целом, например, влиянию сопротивления нагрузки на входное сопротивление и сопротивления источника сигнала на выходное сопротивление усилителя. В зависимости от того, каким образом подается сигнал на вход усилителя с цепи ОС и в цепь ОС с выхода усилителя, различают:

• последовательную ОС по напряжению;
• последовательную ОС по току;
• параллельную ОС по напряжению;
• параллельную ОС по току.

Первое слово характеризует связь со входом усилителя: при последовательной ОС с цепи ОС на вход усилителя подается напряжение, а при параллельной — ток.

Второе слово характеризует связь цепи ОС с выходом усилителя: если связь по напряжению, то выходной сигнал цепи ОС пропорционален выходному напряжению, если связь по току, то выходной сигнал цепи ОС пропорционален выходному току

Параметры усилителя с ООС

Рассмотрим вывод соотношений для коэффициентов передачи по напряжению и току, входного и выходного сопротивления усилителя и с цепью ООС в рабочей области частот усилителя.

Последовательная ООС по напряжению

Блок-схема такой системы представлена на рис.2

Для определения параметров усилителя с ОС удобно представить усилитель в виде ИНУН, а цепь ОС в виде делителя напряжения (рис.3).

При соблюдении неравенств R_Г ,R_2,осR_вх , R_н ,R_1,ос>>R_вых можно считать, что

U_m,вх =E_m,Г , K_oc=R_2,oc/(R_2,oc+R1,oc) и I’ _m,выхI_m,вых .

откуда:

где индекс 0 означает принадлежность параметра собственно усилителю с ОС без учета сопротивлений источника сигнала и нагрузки.

Коэффициент передачи по току определяется здесь как

.

Таким образом данный тип включения ООС изменяет собственный коэффициент передачи по напряжению усилителя с ОС в соответсвиии с основным линейным соотношением (3), коэффициент передачи по току практически не изменяется.

По определению входное сопротивление усилителя с ОС равно:

.

,

, (4)

то есть последовательная ООС увеличивает входное сопротивление системы в (1+KK_ос) раз.

При определении выходного сопротивления генератор сигнала закорачивается (Е_m,Г =0 с сохранением его внутреннего сопротивления R_Г ), а вместо нагрузки включается эквивалентный источник тока с амплитудой I_m,экв=I_m,вых , заменяющий действие входного источника. Получаем схему рис.4.

По определению .

Амплитуда выходного напряжения в схеме рис.4 определится как сумма ;

так как здесь U’ _m,вх = – U_m,oc , то .

.

Таким образом ООС по напряжению уменьшает выходное сопротивление усилителя с ОС в (1+KK_ос) раз.

Если неравенства R_ГR_вх и R_н>>R_вых не выполняются, то формулы для коэффициентов передачи, входного и выходного сопротивления несколько усложняются.

В этом случае

Пример: каскад с общим коллектором (ОК) как усилитель с последовательной ООС по напряжению (рис.5).

На рис.6 показана схема этого каскада для переменных токов в области средних частот. Схему рис.6 можно более явно представить в виде каскада ОЭ со 100% последовательной ООС. Это видно из рис.7.

Из входной части рис.7 следует:

,

т.к. U_m,oc =U_m,э можно говорить о 100% (K_oc=1) последовательной ООС по напряжению.

Следовательно, коэффициент передачи по напряжению:

,

где SR_э=K_оэ – коэффициент передачи по напряжению каскада ОЭ, если в коллекторной цепи стоит сопротивление равное R_э , S – крутизна ДПХ транзистора с ОЭ в рабочей точке;

Так, если SR_э=20, при R_э=100 Ом и h_11,э=200 Ом, имеем:

K_ок=20/21=0,95 , R_вх,ок=200(1+20)=4200 Ом , R_вых,ок=100/(1+20)=4,76 Ом

Таким образом, каскад с ОК (или эмитерный повторитель) имеет очень малое выходное сопротивление и большое входное сопротивление, в связи с этим рабочая полоса частот его в (1+SR_э) больше полосы аналогичного каскада с ОЭ. Поэтому этот каскад используют в качестве буферного между каскадами ОЭ, осуществляя согласование по напряжению между каскадами. Кроме того, его ставят в качестве входных каскадов усилителей, т.к. он имеет большое входное сопротивление, и в качестве выходных каскадов усилителей напряжения из-за малого выходного сопротивления.

Последовательная обратная связь по току

Обобщенная структурная схема приведена на рис.8.

При выполнении условий R_Г , R_вых,осR_вх , R_н >R_вых , R_вх,ос R_вых можно

считать, что U’ _m,вых U_m,вых , I_{m,вх ос} =I_m,вых ; тогда U_m,ос=K_ocI _m,вых , причем К_ос имеет размерность сопротивления.

Выразим амплитуду напряжения ОС через амплитуду выходного напряжения:

Тогда коэффициент передачи по напряжению системы будет иметь вид:

(6)

а входное сопротивление

. (7)

Чтобы вывести соотношение для выходного сопротивления построим эквивалентную схему (см. рис.9), где входное сопротивление цепи ОС показано отдельно.

(8)

Таким образом, последовательная ООС увеличивает входное и выходное сопротивления усилителя с ОС, что позволяет использовать его как хороший источник тока, управляемый напряжением (ИТУН).

Пример: каскад ОЭ с сопротивлением в эмиттерной цепи (ОЭ+R_э). Схема каскада приведена на рис.10.

,

а I_m,вых =I_m,к видим, что здесь имеет место последовательная ООС по току с коэффициентом ОС K_ос=R_э ; т.к. I_m,б I_m,к и R_вых,ок=R_к , можно считать .

Отсюда получаем, учитывая что каскад с ОЭ имеет K_оэ=SR_к ,

Обычно в схемах величину R_э выбирают в пределах 10% от R_к .

Параллельная ООС по напряжению

При параллельной ООС на входе усилителя имеет место вычитание из входного тока I_m,вх тока цепи ОС I_m,ос. Обобщенная блок-схема показана на рис.11.

Коэффициент передачи тока собственно усилителя , а цепи ОС .

Естественно ожидать, что основное линейное соотношение (3) следует применить к коэффициенту передачи по току. Действительно, при выполнении неравенств R_вх,ос>>R_вых можно считать I’ _m,вых=I_m,вых . Поэтому можно считать I _m,вых=K_i I’_m,вх ; в свою очередь

,

где K_oc,i=K_oc,1R_вых – коэффициент передачи по току цепи ОС.

Таким образом получаем

.

Из схемы рис.11 видно, что как со стороны входа, так и со стороны выхода усилитель и цепь ОС соединены параллельно. Следовательно входное сопротивление системы должно быть меньше собственного входного сопротивления усилителя . Если провести выкладки, аналогичные тому, как это было сделано выше, получим:

Таким образом, наилучшей моделью такой системы является модель ИНУТ.

Пример: каскад с коллекторной ОС (рис.12).

Цепь ОС представляет собой резистор R_oc , величина тока через который пропорциональна выходному напряжению:

;

,

и коэффициент усиления по току усилителя с ОС и его входное и выходное сопротивления равны:

.

Этот вид ОС используется не только по переменному сигналу, но и для стабилизации рабочей точки транзистора.

Параллельная обратная связь по току

Обобщенная структурная схема приведена на рис.13.

Коэффициенты передачи тока усилителя и цепи ОС соответственно равны:

.

В этом случае по аналогии можно записать:

.

В качестве примера внутренней ОС подобного типа рассмотрим транзистор с общей базой как транзистор с ОЭ и 100% ООС (рис.14,а).

Представим схему рис.14,а в следующем виде:

Из рис.14,б видно,что:

,

следовательно транзистор ОЭ охвачен ООС по току (K_i,oc=1). Поэтому:

.

Часто каскад на транзисторе с ОБ называют токовым повторителем. Входное и выходное сопротивление транзистора с ОБ соответственно равны:

Принципиальная схема простейшего каскада с ОБ представлена на рис.15.

Здесь резисторы R_э и R_к обеспечивают режим транзистора по постоянному току. Коэффициент передачи по напряжению каскада такой же, как и у каскада с общим эмиттером, однако он не инвертирует фазу, т.е. K_об =+SR_к , коэффициент передачи по току равен примерно единице, входное сопротивление его мало, а выходное практически такое же, как у каскада с ОЭ, т.к. R_к>>R_{вых,об .}

Характеристики усилителей с ООС

Введение ООС в усилительные схемы приводит к ряду положительных результатов. Рассмотрим некоторые из них.

Стабилизация коэффициента передачи

Пусть усилитель без ООС имеет коэффициент передачи K, нестабильность его, обусловленная различными дестабилизирующими факторами, оценивается величиной K. Тогда при использовании ООС в соответствии с основным линейным соотношением можно записать:

Поскольку в цепях ОС обычно используются достаточно стабильные линейные пассивные элементы, K_oc можно считать величиной постоянной. Поэтому:

.

Таким образом нестабильность усилителя с ООС K * меньше нестабильности усилителя без ООС.

При глубокой ООС, т.е. при KK_oc>>1 , имеем:

.

Следовательно, усилитель с глубокой ООС, имеет коэффициент передачи, определяющийся только цепью ОС, и поэтому очень стабилен.

Ослабление нелинейных искажений

Нелинейные искажения в усилителе обусловлены выходом мгновенных значений сигналов за пределы линейной части амплитудной характеристики усилителя U_m,вых(U_m,вх).

Поскольку введение отрицательной ОС уменьшает коэффициент передачи в (1+KK_ос) раз, во столько же раз может быть увеличено входное напряжение, соответствующее началу нелинейного участка амплитудной характеристики.

На рис.16 показаны амплитудные характеристики усилителя без ООС и с ООС.

Частотные характеристики усилителя с ООС

Самое наглядное представление о влиянии на АЧХ ООС дает пример с глубокой ООС. Пусть усилитель без ОС имеет частотный коэффициент передачи , а цепь ОС — . Тогда при ООС:

При K()K_oc(w )>>1 в достаточно широкой полосе частот, имеем

Если цепь ОС состоит из резисторов, то при глубокой ООС можно получить частотную характеристику усилителя с равномерной АЧХ в широкой полосе частот. В качестве примера можно вспомнить каскад с ОК, который имеет K * =1 из-за глубокой (100%-ной) ОС, и следовательно очень широкую полосу частот. Принято считать для данного типа активного элемента постоянной величину произведения коэффициента усиления в рабочей области на полосу частот этой области. Если каскад при полосе  f имеет K_о , то для него является постоянной величина П= K_о  f . При уменьшении K_о полоса f увеличивается и наоборот. Это отражено на рис.17, где K_о(f_в—f_н)=K * _o(f * _в—f * _н).

В современной схемотехнике ОС используются очень широко. Часто применяют несколько цепей ОС, охватывая ими или отдельные каскады или цепочки каскадов. Знание теории ОС позволяет выявить появление возможных паразитных положительных ОС, приводящих к неустойчивой работе усилителя, и успешно бороться с этим явлением.

Ряд современных усилителей, называемых операционными, применяются только с использованием различных ООС, что позволяет получать устройства с заданными характеристиками.

В таблице даны основные параметры схем с отрицательными обратными связями.

Последоват. ООС по напряжению

Последоват. ООС по току

Параллельная ООС по напряжению

2.6. Основные параметры усилителей

До сих пор мы рассматривали параметры и характеристики, описывающие разнообразные свойства транзисторов как основных усилительных элементов в составе электронных усилителей. Однако существуют показатели, по которым оценивается работа всего такого усилителя (или функционально законченных отдельных его каскадов) в целом. Данные параметры зависят не только от свойств применяемых в усилителе транзисторов, но и от качества самой принципиальной схемы и точности ее настройки.

К числу основных электрических показателей, характеризующих работу усилителя, относятся следующие:

• коэффициент передачи или коэффициент усиления;
• динамическая и амплитудная характеристики;
• динамический диапазон;
• предельная чувствительность;
• амплитудно-частотная характеристика;
• фазочастотная характеристика;
• амплитудно-фазовая характеристика;

линейные искажения: оцениваются соответствующими коэффициентами линейных (частотных и фазовых) искажений; нелинейные искажения: оцениваются разнообразными коэффициентами (коэффициент нелинейных искажений коэффициент интермодуляцйи и т.п.).

Коэффициент передачи

Коэффициент передачи — это функция, определяемая как отношение выходного сигнала усилителя к его входному сигналу. В зависимости от формы математического представления самих сигналов различаются и формы представления коэффициента передачи (наиболее распространены операторные формы по Фурье или Лапласу, а соответствующие коэффициенты передачи иногда называют операторными коэффициентами передачи). При рассмотрении высоколинейных схем, которые не вносят в усиливаемый сигнал амплитудных искажений и фазовых сдвигов, вместо комплексной функции операторного коэффициента передачи оперируют более понятными, имеющими достаточно простую интерпретацию коэффициентами усиления. Различают:

• коэффициент усиления по напряжению

— где и амплитудные или действующие значения выходного и входного сигналов;

• коэффициент усиления по току

—где и амплитудные или действующие значения выходного и входного токов.

• коэффициент усиления по мощности

Довольно часто коэффициенты усиления выражают в логарифмических единицах — децибелах, [дБ]:

Логарифмические единицы удобны тем, что если известны коэффициенты усиления отдельных каскадов или узлов усилителя, то его общий логарифмический коэффициент усиления находится как алгебраическая сумма логарифмических коэффициентов усиления отдельных каскадов:

Более того, логарифмические единицы оказались настолько удобны при проектировании схем, что появился даже ряд производных от них величин. Например, мощность сигнала в схеме часто оценивается по отношению к уровню мощности в 1 мВт. При этом со знаком «+» или «-» пишется разность в децибелах текущего уровня мощности от уровня 1 мВт, который принимается за точку отсчета. Такие единицы принято обозначать дБм (децибел милливатт), т.е., например, сигнал мощностью 1 мВт в таких единицах равен 0 дБм, сигнал 10 мВт — +10 дБм, 0,01 мВ т — -20 дБм и т.п. Точно так же можно выражать и напряжение сигнала, при этом только необходимо зафиксировать сопротивление нагрузки, на котором обеспечивается данное напряжение. В высокочастотной технике используются единицы дБмкВ (децибел микровольт). Здесь за нулевую принимается точка в 1 мкВ, а сопротивление нагрузки всегда считается равным 50 Ом.

Динамическая и амплитудная характеристики

Динамическая характеристика представляет собой зависимость мгновенного значения выходного напряжения от мгновенного значения входного напряжения U_BX(t) при гармоническом входном воздействии. Зависимость амплитудного значения первой гармоники выходного напряжения от амплитуды синусоидального входного напряжения

называется амплитудной характеристикой. Точка окончания линейного участка динамической характеристики носит название точки компрессии.

Динамический диапазон

Отношение (в децибелах) наибольшего допустимого значения амплитуды входного напряжения к ее наименьшему допустимому значению называется динамическим диапазоном амплитуд (или просто динамическим диапазоном). Максимально допустимая амплитуда входного напряжения усилителя ограничена искажениями сигнала, вызванными выходом рабочих точек усилительных каскадов за пределы линейного участка характеристики управления (точка компрессии). В то же время минимальная амплитуда обычно ограничена по величине (снизу) уровнем собственных шумов усилителя, на фоне которых полезный сигнал не удается выделить с надлежащим качеством.

Амплитудно-частотная характеристика

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) — зависимость модуля коэффициента передачи от частоты входного сигнала.

Фазочастотная характеристика

Фазочастотная характеристика (ФЧХ)— зависимость сдвига фазы между входным и выходным напряжением от частоты или фаза коэффициента передачи.

Рабочий диапазон частот

Рабочий диапазон частот(диапазон пропускаемых частот или полоса пропускания) представляет собой некоторый интервал значений частоты от f_H до f_B, внутри которого коэффициент усиления изменяется по определенному закону с известной степенью точности. Например, высококачественный усилитель низкой частоты должен характеризоваться законом К = const в диапазоне частот сигнала от f_min = 10 Гц до f_max = 20 кГц . Если к усилителю не предъявляются какие-либо специальные требования, то рабочий диапазон частот определяют на уровне 3 дБ, т.е. границами полосы пропускания являются частоты, на которых коэффициент усиления уменьшается не более чем в раза.

Амплитудно-фазовая характеристика

Амплитудно-фазовая характеристика (АФХ) — зависимость коэффициента усиления и фазового сдвига усилителя от частоты, построенная в полярной системе координат. Она объединяет в себе амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики усилителя и представляет собой годограф комплексного коэффициента передачи.

Понятия об АЧХ, ФЧХ и АФХ становятся определенными лишь по отношению к линейным усилителям.

Переходная характеристика

Переходная характеристика — зависимость от време­ни выходного напряжения усилителя, на вход которого подан мгновенный скачок напряжения. Эта характеристика дает возможность определить переходные искажения, которые в области малых времен характеризуются фронтом выходного напряжения и оцениваются временем установления и выбросом фронта. В области больших времен искажается вершина импульса. Эти искажения оценивают относительным (в %) значением спада плоской вершины к моменту окончания импульса.

Линейные искажения

Отклонения частотных характерастик от идеальных в рабочем диапазоне частот называются частотными искажениями. Мерой частотных искажений является нормированное (относительное) усиление на границах рабочего диапазона частот, которое определяется как отношение коэффициента усиления на границе рабочего диапазона (К_Н, К_В)к коэффициенту усиления на средней рабочей частоте (К₀):

Часто используют величину, обратную нормированному усилению. Она носит название коэффициента частотных искажений.

Вследствие отклонения реальной фазочастотной характеристики усилителя от идеальной в нем имеют место фазовые искажения. Они вызваны неодинаковым сдвигом по фазе отдельных гармонических составляющих спектра сигнала сложной формы, что обусловлено наличием в цепях усилителя реактивных компонентов и инерционными свойствами полупроводниковых приборов. В результате такого неодинакового сдвига по фазе отдельных гармоник форма сигнала на выходе усилителя может стать существенно отличной от формы входного сигнала. Если вносимый усилителем фазовый сдвиг на частоте п-й гармоники пропорционален частоте , то сигнал на выходе усилителя окажется смещенным во времени на величину . Ее называют временем задержки или временем фазового пробега. Таким образом, если — вносимый усилителем фазовый сдвиг на частоте п-й гармоники — пропорционален частоте ( ), то взаимное расположение гармоник, а следовательно, и форма сигнала не подвергаются изменению.

На практике можно лишь с той или иной точностью приблизиться к идеальным частотной и фазовой характеристикам в полосе пропускания f=f_B —f_H, в пределах которой находится спектр усиливаемого сигнала.

Нелинейные искажения

Искажения, возникающие в усилителях вследствие нелинейности передаточных характеристик электронных приборов и характеристик намагничивания сердечников трансформаторов, называются нелинейными искажениями. При наличии нелинейных искажений в усилителе (в реальных усилителях они есть всегда) на его выходе возникают новые частоты (гармоники), отсутствующие во входном сигнале.

Общий уровень нелинейных искажений количественно оценивается коэффициентом нелинейных искажений (коэффициентом гармоник):

где , — амплитуды 1-й, 2-й, 3-й и т.д. гармоник выходного сигнала.

Практически имеют значение только вторая и третья гармоники. Обычно коэффициент нелинейных искажений выражается в процентах. Например, для усилителей низкой частоты простейшей бытовой радиоаппаратуры максимальным приемлемым уровнем можно считать 15. 20%, а для высококачественных усилителей современной стереоаппаратуры коэффициент нелинейных искажений составляет десятые или даже сотые доли процента.

Еще один вид нелинейных искажений обусловлен появлением в выходном сигнале т.н. комбинационных частот, т.е. частот, получающихся как сумма или разность между любыми (в т.ч. и первыми) гармониками различных сигналов, присутствующих на входе усилителя. Такие искажения принято называть интермодуляционными искажениями. На практике имеют значение интермодуляционные искажения второго и третьего порядков (если и f₂ — частоты, присутствующие на входе, то интермодуляционные искажения второго порядка обусловлены наличием на выходе усилителя сигналов с частотами f₁ ±f₂, а интермодуляционные искажения третьего порядка — с частотами 2 ±f₂ и 2f₂ ± ). Коэффициентом интермодуляции называется отношение мощности интермодуляционных составляющих на выходе усилителя к минимально возможной выходной мощности полезного сигнала, превышающей уровень собственных шумов усилителя.

Абсолютный уровень интермодуляционных искажений принято оценивать по положению т.н. интермодуляционных точек. Если линейный участок динамической характеристики условно продлить в области высокой входной мощности (когда эта характеристика на самом деле уже не линейна) и одновременно наложить на этот график линию, отражающую суммарную мощность интермодуляционных составляющих второго (третьего) порядка, то точка пересечения этой линии с продленным графиком называется, соответственно, точкой интермодуляции второго (третьего) порядка.

В реальных схемах интермодуляционные искажения второго порядка часто растут медленнее интермодуляционных искажений третьего прядка. Так что интермодуляционная точка третьего порядка лежит ниже (соответствует меньшему уровню входной мощности) интермодуляционной точки второго порядка и имеет большее значение.

Помимо интермодуляционных точек часто говорят о соответствующих им динамических диапазонах по интермодуляции. Выше мы уже дали определение амплитудного динамического диапазона как отношения амплитуд сигнала в точке компрессии и в точке его возможного минимума (определяется собственными шумами). Аналогично вводится и понятие динамического диапазона по интермодуляции, т.е. диапазона уровней мощности входного сигнала, в котором обеспечивается его «безынтермодуляционная» обработка. Снизу такой диапазон также ограничен уровнем собственных шумов усилителя. А вот его верхняя граница определяется как точка, в которой уровень соответствующих интермодуляционных помех становится выше уровня собственных шумов, т.е. эти помехи начинают оказывать на выходной сигнал влияние большее, чем собственные шумы.

Коэффициент шума

Коэффициент шума характеризует уровень шумов (искажений случайного характера, обусловленных различными механическими, тепловыми, молекулярными, электронными и т.п. процессами в радиокомпонентах и соединительных проводниках), привносимых в сигнал при его прохождении через усилитель. В реальных условиях сигнал уже содержит шумы, когда поступает на вход усилителя. Поэтому коэффициент шума определяется следующим образом:

— мощность шумов на входе усилителя;

— мощность шумов на выходе усилителя;

— мощность полезного сигнала на входе усилителя;

— мощность полезного сигнала на выходе усилителя;

— собственная мощность шумов (мощность добавляемых в сигнал шумов).

Коэффициент полезного действия

Коэффициент полезного действия (КПД) отражает эффективность усилителя. Он равен отношению полезной выходной мощности (мощности полезного сигнала) к мощности, затрачиваемой источником питания на функционирование усилителя:

Выходная мощность

Номинальная выходная мощность — мощность полезного сигнала на выходе усилителя при работе на расчетную нагрузку и заданном коэффициенте гармоник или нелинейных искажений, т.е.максимальная мощность, при которой не превышается заданный уровень искажений.

Входные и выходные параметры усилителя

Помимо параметров, описывающих работу усилителя в целом, не менее важными являются характеристики его входной и выходной цепей. К ним относят в первую очередь входное и выходное сопротивления усилителя:

— номинальные амплитудные значения напряжения и тока первой гармоники на выходе усилителя.

В высокочастотных усилителях значительными становятся реактивные составляющие, поэтому здесь должны рассматриваться комплексные амплитуды:

Комплексные величины , называют, соответственно, входным и выходным импедансом усилителя. В диапазоне СВЧ, где анализ цепей производится в терминах их волновых свойств, для оценки параметров входных и выходных цепей усилителя могут применяться соответствующие коэффициенты отражения по входу/выходу

Характеристики усилителей: классификация, диаграммы, основные параметры

Усилитель — это электронное устройство, управляющее потоком энергии, идущей от источника питания к нагрузке. Причем мощность, требующаяся для управления, как правило, намного меньше мощности, отдаваемой в нагрузку, а формы входного (усиливаемого) и выходного (на нагрузке) сигналов совпадают (рис. 2.1).

Классификация усилителей

Все усилители можно классифицировать по следующим признакам:

По частоте усиливаемого сигнала:

• усилители низкой частоты (УНЧ) для усиления сигналов от десятков герц до десятков или сотен килогерц;
• широкополосные усилители, усиливающие сигналы в единицы и десятки мегагерц;
• избирательные усилители, усиливающие сигналы узкой полосы частот;

По роду усиливаемого сигнала

• усилители постоянного тока (УПТ), усиливающие электрические сигналы с частотой от нуля герц и выше;
• усилители переменного тока, усиливающие электрические сигналы с частотой, отличной от нуля;

По функциональному назначению

• усилители напряжения, усилители тока и усилители мощности в зависимости от того, какой из параметров усилитель усиливает. Основным количественным параметром усилителя является коэффициент усиления.

В зависимости от функционального назначения усилителя различают коэффициенты усиления по напряжению К_U, току К_i или мощности К_Р:

где U_вх, I_вх — амплитудные значения переменных составляющих соответственно напряжения и тока на входе;

U_вых , I_вых — амплитудные значения переменных составляющих соответственно напряжения и тока на выходе;

Р_вх, Р_вых — мощности сигналов соответственно на входе и выходе. Коэффициенты усиления часто выражают в логарифмических единицах — децибелах:

Усилитель может состоять из одного или нескольких каскадов. Для многокаскадных усилителей его коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных его каскадов: К = К₁ · К₂ · … · К_n

Если коэффициенты усиления каскадов выражены в децибелах, то общий коэффициент усиления равен сумме коэффициентов усиления отдельных каскадов:

Обычно в усилителе содержатся реактивные элементы, в том числе и «паразитные», а используемые усилительные элементы обладают инерционностью. В силу этого коэффициент усиления является комплексной величиной:

где К_U— модуль коэффициента усиления; φ — сдвиг фаз между входным и выходным напряжениями с амплитудами U_вх и U_вых.

Помимо коэффициента усиления важным количественным показателем является коэффициент полезного действия:

где Р_ист — мощность, потребляемая усилителем от источника питания.

Роль этого показателя особенно возрастает для мощных, как правило, выходных каскадов усилителя.

К количественным показателям усилителя относятся также входное R_вх и выходное R_вых сопротивления усилителя:

где U_вх и I_вх — амплитудные значения напряжения и тока на входе усилителя;

∆U_вых и ∆I_вых — приращения аплитудных значений напряжения и тока на выходе усилителя, вызванные изменением сопротивления нагрузки. Рассмотрим теперь основные характеристики усилителей.

Интересное видео о параметрах усилителя смотрите ниже:

Амплитудная характеристика усилителя

Амплитудная характеристика — это зависимость амплитуды выходного напряжения (тока) от амплитуды входного напряжения (тока) (рис. 2.2).

Точка 1 соответствует напряжению шумов, измеряемому при U_вx = 0, точка 2 — минимальному входному напряжению, при котором на выходе усилителя можно различать сигнал на фоне шумов.

Участок 2 − 3 — это рабочий участок, на котором сохраняется пропорциональность между входным и выходным напряжениями усилителя.

После точки 3 наблюдаются нелинейные искажения входного сигнала. Степень нелинейных искажений оценивается коэффициентом нелинейных искажений (или коэффициентом гармоник):

где U_lm, U_2m, U_3m, U_nm — амплитуды 1-й (основной), 2, 3 и n-й гармоник выходного напряжения соответственно. Величина D = U_{вх max} / U_{вх min}характеризует динамический диапазон усилителя. Рассмотрим пример возникновения нелинейных искажений (рис. 2.3). При подаче на базу транзистора относительно эмиттера напряжения синусоидальной формы u_бэ в силу нелинейности входной характеристики транзистора i_б = f(u_бэ) входной ток транзистора i_б (а следовательно, и выходной — ток коллектора) отличен от синусоиды, т. е. в нем появляется ряд высших гармоник.

Из приведенного примера видно, что нелинейные искажения зависят от амплитуды входного сигнала и положения рабочей точки транзистора и не связаны с частотой входного сигнала, т. е. для уменьшения искажения формы выходного сигнала входной должен быть низкоуровневым.

Поэтому в многокаскадных усилителях нелинейные искажения в основном появляются в оконечных каскадах, на вход которых поступают сигналы с большой амплитудой.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и фазо-частотная характеристика (ФЧХ) усилителя.

АЧХ — это зависимость модуля коэффициента усиления от частоты, а ФЧХ — это зависимость угла сдвига фаз между входным и выходным напряжениями от частоты. Типовая АЧХ приведена на рис. 2.4.

Частоты f_н и f_в называются нижней и верхней граничными частотами, а их разность (f_н − f_в) — полосой пропускания усилителя.

При усилении гармонического сигнала достаточно малой амплитуды искажения формы усиленного сигнала не возникает.

При усилении сложного входного сигнала, содержащего ряд гармоник, эти гармоники усиливаются усилителем неодинаково, так как реактивные сопротивления схемы по-разному зависят от частоты, и в результате это приводит к искажению формы усиленного сигнала.

Такие искажения называются частотными и характеризуются коэффициентом частотных искажений: М = K₀ / K_f где K_f — модуль коэффициента усиления усилителя на заданной частоте.

Коэффициенты частотных искажений М_Н = K₀ / K_Н и М_В = K₀ / K_В называются соответственно коэффициентами искажений на нижней и верхней граничных частотах. АЧХ может быть построена и в логарифмическом масштабе. В этом случае она называется ЛАЧХ (рис. 2.5), коэффициент усиления усилителя выражают в децибелах, а по оси абсцисс откладывают частоты через декаду (интервал частот между 10f и f). Обычно в качестве точек отсчета выбирают частоты, соответствующие f = 10n. Кривые ЛАЧХ имеют в каждой частотной области определенный наклон. Его измеряют в децибелах на декаду. Типовая ФЧХ приведена на рис. 2.6. Она также может быть построена в логарифмическом масштабе. В области средних частот дополнительные фазовые искажения минимальны.

ФЧХ позволяет оценить фазовые искажения, возникающие в усилителях по тем же причинам, что и частотные.

Пример возникновения фазовых искажений приведен на рис. 2.7, где показано усиление входного сигнала, состоящего из двух гармоник (пунктир), которые при усилении претерпевают фазовые сдвиги.

Переходная характеристика усилителя

Переходная характеристика усилителя— это зависимость выходного сигнала (тока, напряжения) от времени при скачкообразном входном воздействии (рис. 2.8).

Частотная, фазовая и переходная характеристики усилителя однозначно связаны друг с другом. Области верхних частот соответствует переходная характеристика в области малых времен, области нижних частот — переходная характеристика в области больших времен.

Ещё одно интересное видео по теме смотрите ниже: