Нелинейные искажения усилителя

Все схемы усилителей, которые мы обсудили, дают нелинейные искажения; из-за них выходной сигнал не является точной копией синусоидального входного сигнала, его форма в большей или меньшей степени искажена. В частотном спектре идеального синусоидального сигнала присутствует только одна составляющая — основная гармоника с частотой, равной частоте синусоиды. При наличии нелинейных искажений в спектре выходного сигнала, кроме основной появляются гармоники более высокого порядка. Например, если на вход усилителя подается синусоида с частотой 100 Гц, то в спектре выходного сигнала также будет присутствовать составляющая с частотой 100 Гц (основная гармоника), но кроме нее появятся и дополнительные гармоники: вторая — 200 Гц, третья — 300 Гц, четвертая — 400 Гц, и т.д.

Линейные искажения усилителя

При введении ООС АЧХ усилителя становится более равномерной.

Если использовать частотную зависимость ООС, то можно получить АЧХ необходимой формы?

Обратная связь в усилителе

Что такое обратная связь? Это очень просто. Во всех устройствах, где есть вход и выход, есть какие-то паразитные влияния выходных сигналов на входные сигналы. Кажется, с этим надо бороться. Но сначала давайте посмотрим, к чему это приводит.

На рис. показано усилительное устройство с одним входом и одним выходом (треугольник), наличие обратной связи показано прямоугольником, и эта обратная связь добавляется или отнимается от входного сигнала: Пусть сначала часть выходного сигнала (В<1) вычитается из входного сигнала. Сгруппировав входное и выходное напряжение можно найти их отношение, т.е. коэффициент усиления с обратной связью: Таким образом, видно, что при наличии ООС Кос всегда меньше или равен К0 (последнее будет, когда В=0, т.е. обратной связи нет).Итак, вредность ООС очевидна – она уменьшает коэффициент усиления. Посмотрим всё же внимательнее на знаменатель. Там произведение ВК0 может быть любой величиной, в том числе и большой (значительно больше 1). Но тогда единицей можно в знаменателе пренебречь. И К0 сократится, останется: Kос = 1 / B

Каскад с общим эмиттером

Усилительный каскад по схеме с общим эмиттером на основе npn-транзистора (Схема с заземленным эмиттером) При схеме включения биполярного транзистора с общим эмиттером (ОЭ) входной сигнал подаётся на базу, а снимается с коллектора. При этом выходной сигнал инвертируется относительно входного (для гармонического сигнала фаза выходного сигнала отличается от входного на 180°). Каскад усиливает и ток, и напряжение. Данное включение транзистора позволяет получить наибольшее усиление по мощности, поэтому наиболее распространено. Однако при такой схеме нелинейные искажения сигнала значительно больше. Кроме того, при данной схеме включения на характеристики усилителя значительное влияние оказывают внешние факторы, такие как напряжение питания, или температура окружающей среды. Обычно для компенсации этих факторов применяют отрицательную обратную связь, но она снижает коэффициент усиления.

Графо-алетический расчет каскада ОЭ

1.Определ режим работы транзистора по постоянному току, т.е. определ положение рабочих точек на входной и выходной хар-ке. 2.Проводится линия нагрузки для перемен. тока Rk=Rkн=Rk*Rн/Rk+Rн 3. При заданном значении Uвх определ. Пределы измерения тока базы (Iб) по входной хар-ке. 4. Затем по рабочей выходной хар-ке для перемен. Тока определ. Смещение раб. т. при изменении тока базы от Iб1 до Iб2 определ изменен Iк и Uэ

Режимы работы усилительных каскадов

Режим класса А Этот режим характеризуется тем, что начальная рабочая точка, определяемая смещением, находится в середине линейного участка входной характеристики, а, следовательно, и переходной . Амплитуда входного сигнала здесь такова, что суммарное значение не имеет отрицательных значений, а поэтому базовый ток , а следовательно и коллекторный ток нигде не снижаются до нуля (рис. 3.31). Ток в выходной цепи протекает в течение всего периода, а угол отсечки равен . Транзистор работает в активном режиме на близких к линейным участках характеристик, поэтому искажения усиливаемого сигнала здесь минимальны. Однако из-за большого значения начального коллекторного тока КПД такого усилителя низкий (теоретически не более 25 %, а реальные значения и того ниже), поэтому такой режим применяют в маломощных каскадах предварительного усиления.

Режим класса В Этот режим характеризуется тем, что начальная рабочая точка находится в начале переходной характеристики (рис. 3.32). Ток нагрузки протекает по коллекторной цепи транзистора только в течение одного полупериода входного сигнала, а в течение второго полупериода транзистор закрыт, так как его рабочая точка будет находится в зоне отсечки. КПД усилителя в режиме класса В значительно выше (до 70 %), чем режиме класса А, так как начальный коллекторный ток здесь значительно меньше. Угол отсечки равен . Для того, чтобы усилить входной сигнал в течение обоих полупериодов, используют двухтактные схемы усилителей, когда в течение одного полупериода работает один транзистор, а в течение другого полупериода – второй транзистор в этом же режиме. Режим класса В обычно используют в мощных усилителях. Однако у усилителей класса В есть и существенный недостаток – большой уровень нелинейных искажений, вызванных повышенной нелинейностью усиления транзистора, когда он находится вблизи режима отсечки

.

Режим класса AB

Режиму усиления класса АВ соответствует режим работы усилительного каскада, при котором ток в выходной цепи протекает больше половины периода изменения напряжения входного сигнала. Этот режим используется для уменьшения нелинейных искажений усиливаемого сигнала, которые возникают из-за нелинейности начальных участков входных вольт-амперных характеристик транзисторов

Режим класса С

В режиме класса С рабочая точка А располагается выше начальной точки характеристики передачи по току .Здесь ток коллекторной цепи протекает в течение времени, которое меньше половины периода входного сигнала, поэтому угол отсечки . Поскольку больше половины рабочего времени транзистор закрыт (коллекторный ток равен нулю), мощность, потребляемая от источника питания, снижается, так что КПД каскада приближается к 100 %.

Усилительный каскад с общей базой (ОБ) — одна из трёх типовых схем построения электронных усилителей на основе биполярного транзистора. Характеризуется отсутствием усиления по току (коэффициент передачи близок к единице, но меньше единицы), высоким коэффициентом усиления по напряжению и умеренным (по сравнению со схемой с общим эмиттером) коэффициентом усиления по мощности. Входной сигнал подаётся на эмиттер, а выходной снимается с коллектора. При этом входное сопротивление очень мало, а выходное — велико. Фазы входного и выходного сигнала совпадают.

Усилительный каскад ОК

Температурная компенсация в усилителях

Выходной сигнал с ЭХ поступает на регистрирующее устройство Р1 через усилитель сигнала DA1. Коэффициент передачи усилителя сигнала определяется сопротивлениями отрицательной обратной связи операционного усилителя DA1 - резистором R2 и выходным сопротивлением оптрона U1. Изменение последнего компенсирует мультипликативную составляющую температурного изменения выходного сигнала ЭХ, компенсация аддитивной составляющей осуществляется цепью, состоящей из источника напряжения Е1, выходного сопротивления оптрона U2 и резистора R1.

Рис. 1. Схема температурной компенсации с оптронной развязкой при питании ЭХ от источника напряжения: DA1, DA2 - операционные усилители; Е1, Е2 - источники напряжения; U1, U2 - оптроны; Р1 - регистрирующее устройство.

Многокаскадный усилитель с RC-связью Рассмотрим многокаскадный усилитель, работающий от исто­чника входного сигнала Ег с внутренним сопротивлением Лг и на­груженный сопротивлением Яи (рис. 9-8). Многокаскадный уси­литель обычно строится путем последовательного соединения однотипных каскадов с ОЭ. При расчете многокаскадного усили­теля важно знать связь между его показателями и показателями каждого из каскадов. В многокаскадных усилителях выходное напряжение (N — 1)-го каскада является входным напряжением N-ro каскада /вых^—о = Ib*.n, а нагрузкой всех каскадов, кроме

Анализ частотной характеристики усилительного каскада.Снижение коэффициента усиления в области нижних частот (fн гр) происходит в основном вследствие потерь выходного напряжения на разделительном конденсаторе Срз в цепи межкаскадной связи, который имеет емкостное сопротивление Хс = 1 / (wн Ср з) значительной величины в области нижних частот и малой величины в области средних и верхних частот, на которых влияние его и не учитывается.Снижение коэффициента усиления в области верхних частот (fв гр) вызывается тем, что резистор Rс3 шунтируется сравнительно небольшим емкостным сопротивлением входной паразитной емкости каскада ХСвх з = 1 / (wн Свх з) , что снижает входное эквивалентное сопротивление каскада, уменьшая снимаемое с него напряжение, подаваемое на вход следующего каскада и соответственно уменьшая коэффициент усиления. Одновременно влияние этой емкости в области нижних и средних частот незначительно, поэтому в этих случаях в расчет не принимается.Учитывая эти соображения, на рис. 6 приведены три эквивалентные схемы усилительного каскада, которые помогают составить расчетные формулы его коэффициентов усиления в области средних, нижних и верхних частот.

Фазоинверсный каскад Однотранзисторный фазоинвсрсный каскад обеспечивает одинаковые выходные напряжения, но при этом выходные сопротивления не равны. Этот недостаток устранен в каскаде, принципиальная схема которого приведена на рисунке.

Непосредственные связи в усилителях. Непосредственные или гальванические связи используются: При усилении медленно меняющихся сигналов; В ИМС, где использование разделительных емкостей неприемлемо с технологической точки зрения; Между отдельными каскадами на дискретных элементах, когда желательно уменьшить частотные искажения и фазовые сдвиги на НЧ или улучшить температурную стабилизацию. АЧХ усилителя с непосредственной связью (НС) имеет вид, представленный на рис. 9.1:

Дифференциальные усилительные каскады Дифференциальный каскад является основой балансных модуляторов, перемножителей аналоговых сигналов, генераторов гармонических и релаксационных колебаний (мультивибраторов).