2.6 Оценка величины нелинейных искажений. Обоснование применения и выбор оос

2.6.1 Оценка величины нелинейных искажений

Основной причиной возникновения нелинейных искажений является нелинейность сквозной характеристики транзистора оконечного каскада. Расчет коэффициента гармоник К_{г ок} оконечного каскада достаточно громоздок и требует знания выходного сопротивления предоконечного каскада, которое становится известно позже.

На этапе составления функциональной схемы можно ограничиться приближенной оценкой К_{г ок}.

Выходное сопротивление предоконечного каскада является сопротивлением источника сигнала для транзистора оконечного каскада R_{ист ок}.

В схеме ОЭ при R_{ист ок} >> r_{вх ок} преобладающее влияние оказывает нелинейность переходной характеристики I_k = φ(Iб). Поэтому приближенную оценку К_{г ок} в схеме ОЭ можно получить, если сопоставить величины усиления по току К_I' и К_I''для отрезков нагрузочной прямой. Обычно наибольшая неодинаковость К_I характерна для крайних отрезков.

В зависимости от соотношения К_I' и К_I'' получаются следующие ориентировочные значения К_{г ок} для однотактной схемы в режиме А

КI'/ КI''	1,0	0,9	0,8	0,7	0,6	0,5	0,4	0,3	0,2
Кг %	0	3,0	5,0	6,5	8	10	15	25	40

I_k I_б1

I_б2

∆ I'_к

∆ I''_к

U_кэ

К_I' = ∆ I'_к/∆ I'_б; К_I'' = ∆ I''_к/∆ I''_б;

При оптимальном соотношении R_{ист ок} и r_{вх ок} (R_{ист ок} r_{вх ок} ) К_{г ок} может снизиться почти вдвое по сравнению с приведенными в таблице цифрами. (R_{ист ок} может быть уменьшено, например, обратной связью по напряжению в преоконечном каскаде).

В двухтактной схеме в режиме А происходит компенсация четных гармоник и К_{г ок} снижается примерно в 1,5 раза. Если фазоинверсный каскад трансформаторный, то уменьшается R_{ист ок} и К_{г ок} станет еще меньше.

В режиме класса В из-за нелинейности проходной характеристики возникают нечётные гармоники. Величина чётных гармоник зависит от степени симметрии каскада. При соответствующем подборе транзисторов в пару могут быть получены значения К_{г ок} в 1,5 раза превышающие те, что приведены в таблице.

В тех случаях, когда значение К_{г ок} оказывает решающее влияние на выбор варианта схемы усилителя, может потребоваться детальный расчет К_{г ок} по методу пяти ординат по сквозной характеристике. Для этого придется на время приостановить обоснование функциональной схемы и произвести подробный расчет оконечного каскада, выбрать режим (U_кэо; I_ко) и рассчитать нагрузку предоконечного каскада с тем, чтобы найти R_{ист ок}, необходимое для расчёта сквозной характеристики.

Допустимая техническим заданием величина К_{г ок} обычно не вилека и чаще всего не может быть достигнута рассмотренными выше путями, т.е. выбором включения и режима транзистора. Основным способом снижения К_{г ок} до допустимого значения является применение отрицательной обратной связи. При этом следует иметь ввиду, что обратная связь будет эффективно действовать лишь при хорошей линейности усилителя. Поэтому прежде, чем снижать К_{г ок} до малых величин ( <1%) обратной связью, охватывающей несколько каскадов, следует добиться предварительного снижения К_{г ок} до величины, не превышающей 5 7% с помощью местной обратной связи в оконечном каскаде. Это автоматически выполняется при использовании схемы ОК в оконечном каскаде.

Приведём пример расчета:

Основной причиной нелинейных искажений является нелинейность сквозной характеристики транзистора оконечного каскада. Выходное сопротивление предъоконечного каскада является сопротивлением сигнала для оконечного каскада и поэтому преобладающее влияние оказывает нелинейность переходной характеристики. Приближенно оценить нелинейные искажения, т.е. можно сопоставив и для крайних отрезков прямой нагрузочной характеристики.

Определение коэффициентов гармоник

а) Определение коэффициента гармоник мощного транзистора по выходной характеристике транзистора КТ819Г (Приложение Г)

Рисунок 4 Выходная характеристика транзистора КТ819Г (приложение Г)

Коэффициент усиления по току меньшего отрезка, :

(16)

где

= 0,4 А – разность тока коллектора

= 0,02 А – разность тока базы

Коэффициент усиления по току большего отрезка, :

(17)

где

= 0,8 А – разность тока коллектора

= 0,02 А – разность тока базы

Отношение коэффициента усиления, :

(18)

Рассчитав отношение коэффициентов, по таблице 4.1 определим коэффициент гармоники.

Таблица 4.1 Влияние неравномерности характеристик на коэффициент гармоник

	1	0,9	0,8	0,7	0,6	0,5	0,4	0,3	0,2
, %	0	3	5	6,5	8	10	15	25	40

В режиме класса В коэффициент необходимо увеличить в полтора раза :

(19)

где

= 10 – коэффициент гармоник класса А

б) Определение коэффициента гармоник маломощных транзисторов по выходной характеристике транзисторов КТ814Г, КТ815Г(приложение Д)

Рисунок 5 Выходная характеристика транзисторов КТ814, КТ815

К_i^/= = =20 (20)

где

К_i^/ - коэффициент усиления по току меньшего отрезка

I^/ = 20 мА – разность тока коллектора

I_б^/ = 1 мА – разность тока базы

К_i^//= = =60 (21)

где

К_i^// - коэффициент усиления по току большего отрезка

I^// =30мА – разность тока коллектора

I_б^//=0,5мА – разность тока базы

= =0,33 (22)

где

- отношение коэффициентов усиления

Рассчитав отношение коэффициентов, по таблице 4.1 определим коэффициент гармоник.

В режиме класса В коэффициент необходимо увеличить в полтора раза: К^В_г

К^В_гмм = К^А_гмм *1,5 = 20*1,5 = 30 %

где

К^А_гмм = 1,5 – коэффициент гармоник класса А.

Определяем коэффициент гармоник общий

Определяем коэффициент гармоник для схемы с общим коллектором, К^ок_г

К^ок_г=К^оэ_г*(1-К^ок)= 33,5* (1 – 0,99) = 0,33 (23)

где

К^ок = 0,99 – коэффициент усиления для схемы с общим коллектором.

2.6.2 Обоснование применения, расчет глубины и выбор схемы обратной связи

Для улучшения качественных показателей усилителя применяется ООС.

Расчет глубины ОС F, выбор числа охватываемых ОС каскадов, выбор способа снятия и введения ОС должны быть выполнены на данном этапе проектирования.

При ООС величина F=1+βk больше единицы. При отсутствии ОС F=1. часть параметров усилителя изменяется под действием ОС в F раз, но есть и такие параметры, которые изменяются по другому.

Расчет глубины ООС F производится из условия выполнения технического задания на усилитель:

а) Наиболее часто ООС применяется для уменьшения нелинейных искажений.

Если полученная при расчете величина К_г превышает допустимое значение К_{г доп}, то необходима ООС.

Ее глубина находится по формуле:

или

Последняя формула учитывает снижение эффективности действия ОС при высокой нелинейности усилителя. Способ снятия и подачи напряжения ОС может быть любым.

б) Для уменьшения частотных искажений ООС применяется в том случае, если транзистор не обладает достаточно хорошими частотными свойствами. Более эффективно для этого использование частотно-зависимой связи, позволяющей примерно в F раз расширить полосу частот.

Необходимая глубина ООС в этом случае находится так:

, где ƒ_h21э- граничная частота усиления транзистора.

ОС выполняется в виде резистивно-емкостной цепочки в эмиттере того транзистора, который имеет недостаточную величину ƒ_h21э. Транзистор должен удовлетворять условию: ƒ_h21Б≥10ƒ_В

в) Если заданием предусмотрено получение высокой стабильности коэффициента усиления, то наиболее эффективным будет применение общей петли ООС, охватывающей, по возможности, все каскады усилителя. Нестабильность сквозного коэффициента усиления снижается в F раз.

г) В оконечном усилителе важно получить постоянство уровня выходного напряжения при колебаниях нагрузки.

Коэффициент повышения напряжения при отключении нагрузки N зависит от выходного сопротивления транзистора оконечного каскада r_{вых ок}. Чтобы снизить N до допустимой величины, необходимо с помощью ООС по напряжению, охватывающей оконечный каскад, получить меньшее значение выходного сопротивления: r_{вых β} < R_н(Nη_тр-1), где R_н- сопротивление нагрузки, а η_тр- КПД трансформатора.

Приведём пример расчета:

Для улучшения качественных показателей усилителей применяется ООС. В данном пункте проводится расчет глубины ООС, выбор числа каскадов охваченных ООС. Применение ООС F › 1, при отсутствии F=1

Расчет ведется исходя из условий выполнения технического задания на усилитель:

а) для уменьшения частотных искажений ООС применяют в том случае, если транзистор не обладает хорошими частотными свойствами, т.е. его верхняя граничная частота меньше заданной.

Выбранный транзистор имеет большой запас по частоте, поэтому по этому показателю введение ООС не нужно.

б) наиболее часто ООС применяется для уменьшения нелинейных искажений, если расчетная величина коэффициента гармоник превышает допустимую (заданную), то глубина ООС рассчитывается по формуле

F_ок= = =0,66 (24)

где

К_г =0,33– коэффициент гармоник оконечного каскада.

К_гдоп =0,5 – допустимый коэффициент гармоник.

С учетом полученного F обратная связь в оконечном каскаде не нужна, так как коэффициент гармоник меньше заданного значения и граничная частота больше заданной частоты, кроме того оконечный каскад уже имеет 100% ООС. Поэтому ООС будет рассчитана после расчета предъоконечного каскада.