Характеристики усилителей

U_вых

Амплитудную характеристику

условно можно разделить на два участка:

- Линейный, где наблюдается пропорциональная зависимость амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного сигнала.

- Нелинейный, где пропорцио-нальность нарушается. Причиной этого является ограничение максимального напряжения одной или обеих полуволн выходного сигнала на неизменном уровне.

Амплитудная характеристика: U_вых = f (U_вх) – рисунок 6. По амплитудной характеристике судят о возможных пределах изменения входного и выходного сигналов усилителя. АХ не проходит через начало координат ввиду наличия на выходе напряжения собственных шумов и помех. По значению oценивают уровень минимальных напряжений входного сигнала (или чувствительность) усилителя.

U_max

U_min

U_вх

Рисунок 6 – Амплитудная

характеристика усилительного каскада

максимального напряжения одной или обеих полуволн выходного сигнала на неизменном уровне.

Ограничение выходного сигнала создается обычно при наибольшем входном сигнале, когда происходит смещение рабочей точки вдоль линии нагрузки по переменному току. Для получения максимальной амплитуды выходного напряжения необходимо, чтобы точка покоя (или рабочая точка) выходного каскада размещалась посередине его линии нагрузки по переменному току.

Искажения выходного сигнала, которые возникают ввиду нелинейности входных и выходных вольт-амперных характеристик (ВАХ) транзисторов, называются нелинейными и оцениваются коэффициентом нелинейных искажений:

где Р₁ – мощность в нагрузке, обусловленная основной гармонической составляющей напряжения;

Амплитудно-частотная характеристика: К_U = f (f_{- частота}) – рисунок 7. Наличие в схеме усилителя конденсаторов и зависимость параметров транзистора от частоты приводят к тому, что при изменении частоты входного сигнала U_вых изменяется как по амплитуде, так и по фазе. Рассмотрим эквивалентную схему усилительного каскада с общим эммитером (рисунок 8).

Р₂, Р₃, Р₄… – мощности, выделяемые в нагрузке под воздействием 2, 3, 4-й и т. д. гармонических составляющих напряжения.

K_U

K_U

m

f_н

f_в

f

Полоса пропускания

Рисунок 7 – Амплитудно-частотная

характеристика усилительного каскада

С_P

U_вх

U_вых

h₁₁

h₂₁I_вх

1/h₂₂

С_К-Э

R_вых

R_К

Рисунок 8 – Эквивалентная схема усилительного каскада с ОЭ

К_U принимает максимальное значение в области средних частот, так как в ней сопротивление разделительного конденсатора мало и стремится к нулю:

→ 0, так как емкость C_P велика, а значительно больше параллельно включенных ему сопротивлений (так как C_Э-К мала), т. е. в области средних частот К_U мало зависит от частоты сигнала, поскольку влиянием C_P и C_Э-К можно пренебречь.

При очень низких частотах (f_н → 0) К_Uн → 0, потому что сопротивление разделительного конденсатора стремится к бесконечности: → ∞,

падение напряжения на нем увеличивается, и, следовательно, U_вых уменьшается.

При очень высоких частотах (f_в → ∞) К_Uв → 0, так как

→ 0 т. е. уменьшается и шунтирует R_вых. Поэтому U_вых снижается. C_Р на высоких частотах не оказывает влияния на К_U, поскольку мало.

Такое снижение К_U в области нижних и верхних частот называют частотными искажениями, которые оценивают коэффициентами частотных искажений:

– на нижних частотах

– на верхних частотах

где – коэффициент усиления на средних частотах;

τ_Н, τ_В – постоянные времени для разделительных конденсаторов в области низких и высоких частот.

Обычно М_Н = М_В ≈ .

Частоты f_н и f_в, соответствующие допустимым значениям коэффициента частотных искажений М, называют нижней и верхней граничными частотами, а диапазон частот ∆f = f_в − f_н, в котором М не превышает допустимых значений, называют полосой пропускания усилителя.

Ф

Наличие конденсаторов в схеме приводит к появлению фазочастотных искажений. Фазочастотная характеристика усилителя показывает, что в области нижних частот выходное напряжение U_вых опережает по фазе входное U_вх, а в области верхних частот отстает от него. В предельных случаях при f → 0 и f → ∞ угол сдвига фаз стремится к π / 2 и – π / 2. С понижением частоты входного сигнала появление фазового сдвига обусловлено

азочастотная характеристика: φ = f (f_{- частота}) – рисунок 9.

φ_н

0

f

Рисунок 9 – Фазочастотная

характеристика усилительного каскада

тем, что ток в цепях с конденсаторами опережает по фазе напряжение, т. е. напряжение, поступающее на вход каскада после С_Р, будет иметь опережающий фазовый сдвиг относительно напряжения источника сигнала (для первого каскада) и относительно U_вых предыдущего каскада (для промежуточных каскадов).

В области высоких частот появление фазового сдвига обусловлено частотными параметрами транзистора, т. е. зависимостью коэффициента передачи тока β от частоты, и наличием емкости С_К-Э (для каскадов ОЭ).

Амплитудные и фазовые искажения усилителя относятся к классу линейных, так как они не вызывают изменения формы усиливаемого синусоидального сигнала.