Для АЧХ типичным является наличие так называемой «области средних частот», в которой К почти не зависит от частоты и обозначается К0. Его иногда называют «номинальным коэффициентом усиления».
Чаще всего на АЧХ по вертикальной оси используют относительный масштаб, откладывая «относительное нормированное усиление» М = К\К0, то есть К, отнесенный к его значению на средних частотах. На нижних и верхних частотах АЧХ обычно спадает.
Частоты, на которых М уменьшается до условного уровня отсчета α, называют «граничными частотами» усилителя. Типовым уровнем отсчета считается
12 0.707
Соответствующий диапазон частот от fниж до fверх называют «полосой пропускания усилителя». Изменение усиления на граничных частотах относительно его значения на нижних частотах называют «неравномерностью частотных характеристик» и она измеряется в децибелах [дБ] Зависимость от частоты фазового сдвига φ, вносимого усилителем, называют «фазо-частотной характеристикой» (ФЧХ).
Во время прохождения сигнала через усилительное устройство различные спектральные составляющие будут усиливаться по-разному. Это приводит к искажениям формы сигнала, которые называются фазочастотными. Частотные и фазовые искажения называются линейными, так как создаются емкостями и индуктивностями схемы, которые являются линейными элементами. Они искажают форму лишь сложного колебания, а форму гармонического колебания не изменяют, и что не приводит к появлениям новых составляющих в спектре сигнала.
Переходная характеристика.
Это зависимость мгновенного значения выходного напряжения усилителя от премени при подаче на вход небольшого перепада напряжения, не вызывающего перегрузку усилителя. Переходная характеристика относится к временным характеристикам.
h(t) Uвых (t)
Uвх0
Амплитудная характеристика.
Это зависимость амплитудного или действующего значения выходного напряжения от входного синусоидального напряжения.
Динамический диапазон – это отношение наибольшего выходного или входного напряжения усилителя к наименьшему выходному или входному напряжению в пределях линейной части амплитудной характеристики
Д Uвыхmax Uвхmax
Uвыхmin Uвхmin
Коэффициент полезного действия (КПД).
Он характеризует экономичность расходования энергии питания.
Общий/промышленный КПД всего усилителя представляет собой отношение номинальной Pвых, отдаваемой в нагрузку, к суммарной мощности, потрбляемой им от всех источников питания.
КПД Pн P
P Pн Pп (потерь)
20. Широкополосные и импульсные усилители.
Широкополосный усилитель – усилитель, используемый для усиления сигналов, чей частотный спектр простирается от единиц Герц до десятков гигаГерц.
Они применяются для усиления как гармонических, так и импульсных сигналов.
Применяемые в них цепи межкаскадной связи, как правило, не обеспечивают неискажѐнной передачи сигнала в столь широкой полосе частот, поэтому для расширения полосы равномерно усиливаемых частот широкополосные каскады вводят специальные корректирующие цепи.
Цепи, обеспечивающие изменение АЧХ и ФЧХ в области высоких частот, называют цепями высокочастотной коррекции.
В области низких частот – цепи низкочастотной коррекции.
При усилении с помощью этих цепей корректируется переходная характеристика в области малых и больших времѐн. При анализе работы резисторного каскада, искажение на верхней частоте определяются выражением: C0
2
= 1 + 0 верх.част.экв.
В соответствии с формулой, в широкополосном усилителе при росте частоты для получении неизменного коэффициента частотных искажений М приходится снижать коэффициент усиления каскада, поэтому в резисторных каскадах вводят
произведение сквозного коэффициента усиления по напряжению в области средних частот ( Ксред.) на верхнюю
граничную частоту ( гр.в.), на которой = √2 .
Это произведение пропорционально площади частотной характеристике усилительного каскада и оно носит название площадь усиления
П = К . . .
сред гр в
21. Применение низкочастотной и высокочастотной коррекции для получения частотных и переходных характеристик с заданными искажениями.
Целью коррекции является расширение диапазона рабочих частот, как в области ВЧ так и НЧ в усилителях гармонических сигналов либо уменьшение искажений в области МВ и БВ в усилителях импульсных сигналов В области ВЧ(МВ) применяется простая индуктивная коррекция. Более сложные варианты индуктивной коррекции применяются редко из-за сложности настройки и реализации УУ .
Наибольшей эффективностью обладает схема:
R4>>Rc Ri>>Rc
Эти условия легко выполняются в усилителях работающих на высокоомную нагрузку.
Коррекция АЧХ при включении коррекции индуктивности осуществляется благодаря увеличению сопротивления коллекторной цепи для области ВЧ.
Скор совместно с Со=См+Сu+Свых образует параллельный резонансный контур нагружающий каскад. На резонансной частоте контура нагрузкой УЭ будет эквивалентные сопротивления контура:
Roc=q * Qэкв q-символ «ро»
Характеристически сопротивления контура Qэкв – эквивалентная добротность контура
Это соотношение на ВЧ получается более высоким, чем Rc зашунтированное Co
По этой причине увеличивается сопротивление нагрузки выходной цепи УЭ в области ВЧ расширяется полоса частот пропускания каскада и АЧХ в области ВЧ
При а=0 – коррекция отсутствует а=0,414 – получается наилучшая АЧХ (без подъема)
Это значение является критическим => если a>0,414 наблюдается подъем АЧХ
При а=0,414 для частотных искажений 3дБ выигрываем в площади усиления равной 1,72 раза. Добавление Lкор улучшается переходную характеристику каскада в области малых времен.
Последовательная ВЧ коррекция индуктивностью заключается в последовательном включении с нагрузкой Rн корректирующей катушки.
Эта катушка делит Со на две части. Со1 и Со2 образуя П-образный фильтр Такой фильтр пропускает более широкую полосу чем простой контур. Оптимальные деление Со на две части Со1/Со2 = 1/3 или 3/1
Анализ также показывает что простая параллельная индуктивная коррекция в каскадах БТ наиболее эффективна при малых Х.
Вцелом, не смотря на некоторую эффективность простая индуктивная коррекция в современной схемотехнике используется редко. Это объясняется технологическими трудностями реализации индуктивностей в ИМС и сильной зависимостью эффекта коррекции от параметров транзистора, что требует подстройки схемы в случае разброса.
Вобласти НЧ (БВ) находит применение коррекция коллекторным (стоковым) фильтром
Схема каскада с НЧ коррекцией на БТ и упрощенная схема :
Физически уменьшается f объясняется относительным увеличение коэф передачи в области НЧ за счет увеличения эквивалентной нагрузки каскада путем добавления емкостного сопротивления Z в цепь коллектора на НЧ Идеальные условия коррекции:
Rф = бесконечность
Равенство постоянных времен Rk Cф и Rn Cp2
В реальных схемах рекомендуется брать Rф=(1…2) для подъема вершины импульса на (10…20%)
22. Усилительный каскад с транзистором, включенным с ОБ. Повторители напряжения. Минимальная часть усилителя,сохраняющая его функции называется усилительным каскадом.
В качестве усилительных элементов обычно используются электронные лампы или транзисторы (биполярные, полевые), иногда, в некоторых специальных случаях, могут применяться и двухполюсники, например, туннельные диоды (используется свойство отрицательного сопротивления) и др. Полупроводниковые усилительные элементы (а иногда и
вакуумные) могут быть не только дискретными (отдельными) но и интегральными (в составе микросхем), часто в одной микросхеме реализуется полностью законченный усилитель.
В зависимости от способа включения усилительного элемента различаются каскады с общей базой, общим эмиттером, общим коллектором (эмиттерный повторитель) (у биполярного транзистора), с общим затвором, общим истоком, общим стоком (истоковый повторитель) (у полевого транзистора) и с общей сеткой, общим катодом, общим анодом (у ламп) Каскад с общим эмиттером (истоком, катодом) — наиболее распространѐнный способ включения, позволяет усиливать сигнал по току и напряжению одновременно, сдвигает фазу на 180°, то есть является инвертирующим. Каскад с общей базой (затвором, сеткой) — усиливает только по напряжению, применяется редко, является наиболее высокочастотным, фазу не сдвигает.
Каскад с общим коллектором (стоком, анодом) — называется также повторителем (эмиттерным, истоковым, катодным), усиливает ток, оставляя напряжение сигнала равным исходному. Применяется в качестве буферного усилителя. Важными свойствами повторителя являются его высокое входное и низкое выходное сопротивления, фазу не сдвигает. Каскады усиления могут быть однотактными и двухтактными.
Однотактный усилитель — усилитель, в котором входной сигнал поступает во входную цепь одного усилительного элемента или одной группы элементов, соединѐнных параллельно.
Двухтактный усилитель — усилитель, в котором входной сигнал поступает одновременно во входные цепи двух усилительных элементов или двух групп усилительных элементов, соединѐнных параллельно, со сдвигом по фазе на 180° Усилительный каскад с общей базой (ОБ) — одна из трѐх типовых схем построения электронных усилителей на основе биполярного транзистора.
При включении в цепь транзистора с общей базой мы получаем высокий коэффициент усиления по напряжению. Коэффициент усиления тока в этом случае меньше единицы и фактически не изменяется при изменении режима работы, температуры и замене транзистора.
Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх=Iк/Iэ=α [α<1]
Коэффициент усиления мощности небольшой, но за счет этого он менее подвержен изменению при замене транзисторов, их старении и изменении температуры, чем при других включениях.
Входное сопротивление транзистора, включенного в цепь с общей базой, меньше, чем при других включениях, и приблизительно составляет от 1 до 10 Ом. При увеличении сопротивления нагрузки входное сопротивление транзистора возрастает. Выходное сопротивление при включении с общей базой превосходит выходное сопротивления при других видах подключения и растет при увеличении внутреннего сопротивления источника сигнала.
Входное сопротивление Rвх=Uвх/Iвх=Uбэ/Iэ.
Для схемы с общей базой фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует, то есть фаза напряжения при усилении не переворачивается. Кроме того, при усилении схема с общей базой вносит гораздо меньшие искажения, нежели другие схемы включения.
Особенностью схемы с общей базой является минимальная среди трѐх типовых схем усилителей "паразитная" обратная связь с выхода на вход через конструктивные элементы транзистора.
На основании этого включение транзистора с общей базой часто применяется в выходных каскадах усилителей звуковых частот.
Достоинства:
Хорошие температурные и частотные свойства.
Высокое допустимое напряжение
Недостатки схемы с общей базой :
Малое усиление по току, так как α < 1
Малое входное сопротивление
Два разных источника напряжения для питания.
Повторителями напряжения называют электронные усилители, у которых коэффициент усиления (передачи) близок к единице, а полярность, или фаза, выходного напряжения совпадает с полярностью, или фазой, входного напряжения.
В зависимости от типа используемого активного элемента различают истоковые (рис. 5.30, а) и эмиттерные (рис. 5.30, б) повторители напряжения. Выходные напряжения создаваемые на резисторах полностью подаются во входную цепь в противофазе с входным напряжением.
Таким образом, в повторителях напряжения действует 100 %-я последовательность ООС по напряжению
Благодаря большому входному и малому выходному сопротивлениям повторители напряжения используются в качестве согласующих (буферных) каскадов: включаются между каскадами с высоким выходным и низким входным сопротивлениями.
23. Дифференциальный усилительный каскад. Принципиальная схема и основные свойства каскада. Коэффициенты усиления по синфазному и противофазному сигналам.
24. Одноактный трансформаторный оконечный усилитель. Построение выходных нагрузочных характеристик по постоянному и переменному току. Основные энергетические соотношения.