Реальная ачх апериодического усилителя

Рис.7.

Из-за наличия реактивных элементов во входных и выходных цепях ПТ реальная ФЧХ усилителя нелинейна и может иметь вид, представленный на рис. 8.

Реальная ФЧХ апериодического Идеальная и реальная

усилителя АХ усилителя

Рис. 8. Рис. 9.

В связи с особенностями человеческого уха в монофонических усилителях звуковых частот фазо-частотные искажения не воспринимаются. Но в усилителях приемников частотно-модулированных, радиолокационных и телевизионных сигналов фазочастотные искажения приводят к ухудшению качества приема сигналов.

На рис.9 показаны амплитудные характеристики усилителя: для идеального усилителя – штриховой линией, а для реального – сплошной линией. Видно, что АХ совпадают только для амплитуд входного сигнала от U_{ВХ MIN}до U_{ВХ MAX}. На этом участке АХ представляет собою прямую линию. Угол наклона ее определяется коэффициентом усиления по напряжению К. При U_ВХ< U_{ВХ MIN}АХ реального усилителя не проходит через начало координат.

Интересно, что даже при отсутствии напряжения на входе (U_ВХ = 0) на выходе усилителя всегда имеется некоторое выходное напряжение U_Ш– напряжение шума, обусловленное действием флуктуационных шумов в усилителе и другими помехами. При U_ВХ > U_{ВХ MAX}АХ реального усилителя изгибается, что приводит к заметным нелинейным искажениям усиливаемого сигнала. Верхний изгиб АХ связан с нелинейностью вольт-амперной характеристики усилительного элемента и с перегрузкой его при больших амплитудах входного сигнала. Таким образом, реальный усилитель может усиливать сигналы без существенных искажений только в определенной области значений входного напряжения от U_{ВХ MIN}до U_{ВХ MAX}. Искажения сигналов, обусловленных нелинейностью ВАХ или АХ называются нелинейными.

6. Эквивалентные схемы усилителя

Любой усилитель может быть представлен в виде эквивалентного ему четырехполюсника, т.е. обобщенной эквивалентной схемой с двумя входными и двумя выходными клеммами. Истинная схема усилителя заменяется ему эквивалентной с целью упростить вывод формул для основных показателей усилителя, таких как коэффициенты усиления, входное и выходное сопротивления и др. Причем, сложные элементы схемы (такие как транзисторы) заменяются несколькими линейными элементами ( конденсаторами, резисторами ) и источниками тока или напряжения. Схема одного усилителя может быть представлена в виде нескольких различных эквивалентных схем. Важно при этом, чтобы соотношения между входными и выходными токами и напряжениями соответствовали истинному их соотношению. Одна из эквивалентных схем усилителя (рис.5 ), работающего в области средних частот, может быть представлена в следующем виде (рис. 10).

Эквивалентная схема усилителя на пт для средних частот

Рис.10.

Данная эквивалентная схема предназначена для расчета переменных составляющих (приращений) токов и напряжений усилителя и получена из реальной схемы усилителя (рис. 5) после следующих допущений и преобразований:

1. Полевой транзистор заменен схемой замещения, которая со стороны выхода транзистора представлена как управляемый источник тока. Этот источник вырабатывает ток пропорциональный входному напряжению I_С= SU_ЗИ, S – крутизна характеристики полевого транзистора. Крутизна – это характеристика ПТ, которая показывает как изменяется ток стока транзистора при малых изменениях напряжения на затворе.

2. Входное сопротивление транзистора R_ЗИочень велико и практически не изменяется при параллельном подключении к нему резистора R_З. Поэтому в эквивалентной схеме наличием R_ЗИпренебрегают.

3. Внутреннее сопротивление источника постоянного напряжения по переменному току практически равно нулю и поэтому источник замыкается накоротко.

4. Выходное сопротивление усилителя R'_Спредставляет собою параллельно включенные внутреннее сопротивление транзистора R_iи сопротивление резистора R_С, включенного в стоковую цепь.

5. В эквивалентной схеме отсутствуют резистор R_Ии конденсатор С_И, так как предполагается, что емкость С_И для переменного тока так велика, что его сопротивление по переменному току близко к нулю и закорачивает резистор R_И( 1/С_И ≪R_И).

6. В эквивалентной схеме отсутствует конденсатор С_Зиз схемы усилителя (рис. 5) потому, что цепь R_ЗC_Зпредставляет собою делитель напряжения для сигналаU_ВХ. В области средних частот величина сопротивления С_Зпо переменному току много меньше сопротивления резистора R_З ( 1/С_З ≪R_З)_. Поэтому практически все напряжение, подаваемое на вход усилителя, будет приложено к резистору R_З, и, следовательно, – к электродам транзистора затвор–исток. А конденсатор С_Здля сигнала средних частот представляет собою практически короткое замыкание.

Определим модуль коэффициента усиления по напряжению этой схемы. Для этого сначала найдем приращение стокового тока I_С. Известно, что ток стока зависит от напряжения на затворе (U_З) и напряжения на стоке (U_С) относительно истока. Поэтому можно записать: I_С=f(U_З, U_С). ТогдаI_С = (I_С/ U_З)U_З + (I_С/ U_С)U_С. Но I_С/ U_З= S — крутизна, а U_С / I_С= R_i— внутреннее (динамическое) сопротивление полевого транзистора. Следовательно:I_С = SU_З+U_С/ R_i. Если при воздействии входного напряжения U_ВХнапряжение между затвором и истоком U_Зизменяется во времениU_З(t) = U_ВХ, то ток стока также будет изменятся со временем, т.е. появится переменная составляющая стокового тока i_С: i_С=I_С(t). Тогда изменится напряжение между стоком и истоком т.е. появится переменная составляющая стокового напряжения : u_С=U (t) = -i_СR_С. Знак минус говорит о том, что напряжение u_Си стоковым ток i_Сколеблются в противофазе, т.е. имеется сдвиг фаз, равный 180⁰.

С учетом всего сказанного: i_С= S u_ВХ- i_СR_С/ R_i.Отсюда выразим i_С:

i_С=SR_iu_ВХ/(R_i+Rс). Теперь учтем , что К = U_ВЫХ/ U_ВХ, а U_ВЫХ= u_C= - i_CR_C. Тогда К = - S R_iR_C/(R_i+R_C). Обозначим R_iR_C/(R_i+ R_C) = R'_C. Тогда окончательно получим: К = - SR'_C.

Выводы:

1. Коэффициент усиления по напряжению усилителя на ПТ в области средних частот определяется сопротивлением резистора R_Св стоковой цепи.

2. Так как обычно R_i>> R_C, то R_iR_C/ ( R_i+ R_C)R_Cи можно считать, что К = - SR_C. Таким образом, изменяя величину сопротивления R_Сможно изменять коэффициент усиления усилителя. В реальных однокаскадных усилителях К = 3 - 50.

3. Знак минус в выражении для коэффициента усиления говорит о том, что усилитель на ПТ инвертирует фазу входного напряжения на 180⁰.

4. Выходное сопротивление рассмотренной схемы равно: R_ВЫХ= R_iR_C/ (R_i+ R_C). Поскольку обычно на практике R_i>> R_C, то R_ВЫХ= R_С.

5. Входное сопротивление усилителя на ПТ в области средних частот определяется сопротивлением резистора R_З; R_ВХ= R_З. Обычно R_З1МОм.

6. Рассмотрим теперь работу усилителя в области нижних частот, где имеются некоторые особенности, связанные с работой конденсатора С_З. Поэтому его наличие обязательно необходимо учитывать при составлении эквивалентной схемы (рис. 11).