7. Параметры усилителей: Переходная характеристика

При усилении импульсных сигналов основное внимание уделяется сохранению формы этих сигналов на выходе усилителя. Однако наличие в цепях усилителя реактивных элементов приводит к искажению формы импульса, даже если усилительный элемент работает в линейном режиме. Для оценки искажений при усилении импульсных сигналов используют переходную характеристику усилителя, под которой понимают зависимость выходного напряжения (тока или коэффициента усиления) от времени при подаче на вход усилителя единичного скачка напряжения (тока):

В выражении (1.30) E₁(t)-является единичным скачком напряжения или единичной функцией, определяемой следующим образом:

Г рафик единичной функции E(t) и типичная переходная характеристика К(t) представлены на рис. 1.9.

Для анализа работы усилительного каскада в импульсном режиме обычно пользуются относительной переходной характеристикой h(t), определяемой как отношение К(t) к К₀:

Форма переходной характеристики отличается от единичной функции более длительным временем достижения максимальной величины и непостоянством во времени вершины характеристики. При этом процесс плавного изменения вершины импульса (чаще всего спада) происходит гораздо медленнее и требует существенно большего времени, чем быстрое нарастание переднего фронта импульса.

Э то обстоятельство приводит к тому, что анализ всей переходной характеристики в едином масштабе времени оказывается затруднительным. Удобнее рассматривать отдельно область малых времен, где происходят быстрые изменения фронта, и область больших времен, где происходят сравнительно медленные изменения вершины. На рис. 1.10, а, б представлены две части относительной переходной характеристики для области малых и больших времен соответственно. Масштабы по оси времени для графиков на этих рисунках могут отличаться весьма существенно (в тысячи раз).

8. Линейные искажения

В общем случае форма сигнала, прошедшего через линейный усилитель, может искажаться и вследствие этого отличаться от формы входного сигнала. В усилителе, работающем в линейном режиме, эти искажения обусловлены наличием реактивных элементов, приводящих к тому, что реальные частотная, фазовая и переходная характеристики отличаются от идеальных. Идеальная частотная характеристика представляется прямой линией, параллельной оси частот. В усилителе с идеальной фазовой характеристикой сдвиг по фазе между входным и выходным напряжением либо совсем отсутствует, либо изменяется пропорционально с изменением частоты. Идеальная переходная характеристика не должна отличаться по форме от единичной функции. Искажения, обусловленные наличием реактивных элементов в схеме усилителя, называются линейными и подразделяются на частотные, фазовые и переходные.

Частотные искажения характерны для сложных сигналов, образованных несколькими гармоническими составляющими. Появляются они из-за неодинакового усиления различных гармонических составляющих сигнала, обусловленного неравномерностью частотной характеристики усилителя. Мерой частотных искажений, вносимых усилителем на рассматриваемой частоте f, является коэффициент частотных искажений М, определяемый как отношение модуля коэффициента усиления на рассматриваемой частоте к коэффициенту усиления на средних частотах:

Коэффициент частотных искажений выражается как в относительных, так и в логарифмических единицах:

И з выражения (1.34) следует, что график зависимости частотных искажений совпадает с графиком частотной характери стики усилителя, опущенным по оси абсцисс на величину -20lgK₀.

Для многокаскадного усилителя общее значение коэффициента частотных искажений определяется произведением коэффициентов частотных искажений отдельных его каскадов:

или в логарифмических единицах:

Фазовые искажения сложного сигнала отсутствуют, если фазовый сдвиг, вносимый усилителем для каждой гармонической составляющей сигнала, равен нулю. Такая ситуация является частным случаем и возможна, если все гармонические составляющие сигнала находятся в области средних частот частотного диапазона усилителя.

Мерой фазовых искажений Δφ на заданной частоте является отличие реальной фазовой характеристики от идеальной (рис.1.12). Для определения Δφ идеальная фазовая характеристика проводится из начала осей координат в виде касательной к р еальной характеристике .

В многокаскадном усилителе фазовый сдвиг между выходным и входным сигналами определяется суммой фазовых сдвигов, создаваемых каждым каскадом.

Переходные искажения возникают в усилителе из-за отличия реальной переходной характеристики от единичной функции.

В области малых времен искажения оцениваются временем установления переднего фронта импульса t_У , а также максимальными положительным +δ и отрицательным -δ выбросами на вершине импульса (в апериодической цепи выбросы +δ и -δ отсутствуют).

Параметр t_У представляет собой время, необходимое для нарастания переднего фронта от 0,1 до 0,9 установившегося значения импульса.

Для области больших времен искажения оцениваются завалом вершины импульса или скалыванием -Δ. Скалывание определяется в момент окончания импульса t_И.

Для многокаскадного усилителя общее время установления находится как корень квадратный из суммы квадратов значений времени установления отдельных каскадов :

Искажения плоской вершины импульса (скалывание) отдельных каскадов многокаскадного усилителя суммируются для получения общего завала вершины: