Учебники / РПрУ Палшков (1) (1)

При высоких требованиях к линейности амплитудной характеристики усилителя (Кн доп< 0,01) амплитуда допустимого переменного напряжения Ижс.дол< <10 мВ. Учитывая, что усилительный каскад обычно имеет относительно малый коэффициент усиления: Ко=10—можно рассчитывать на получение «неискаженного» выходного напряжения порядка десятых долей вольта. При таком малом уровне напряжения последующая обработка сигнала (детектирование, нелинейная фильтрация и др.) затруднена, поскольку устройства обработки сигнала обладают пороговым эффектом. При сигналах ниже определенного уровня, называемых пороговыми, качество обработки сигнала резко ухудшается.

В целях получения линейной амплитудной характеристики усилительного устройства можно воспользоваться методом ком-

пенсации нелинейности [15]. Сущность этого метода в том, чтобы на основе формирования АХ входного устройства с противопо-

ложным характером изменения по сравнению с АХ усилительного каскада получить линейную результирующую характеристику.

В приведенном анализе амплитудной характеристики усилителя при известных упрощениях предполагалось, что положение

рабочей точки не зависело от входного напряжения. В реальных условиях работы усилительного прибора смещение на управляющий электрод обычно задгется за ечет постоянной составляю-

щеи тока усилительного прибора. При действии переменного напряжения она изменяется. Это приводит к изменению положения

рабочей точки за счет изменения падения на резисторах, устанавливающих напряжение смещения (на резисторе К» в схеме

рис. 4.6 или на резисторах К1, Юз в схеме рис. 4.7). Поэтому при действии сигнала происходит изменение смещения АЁь, обуслов-

ленное процессом детектирования самого сигнала.

Это приращение смешения вызовет изменение всех коэффициентов ряда (4.70). В первом приближении коэффициенты ряда

ТА = [21 АВь Уз= 5 == 3% Ре45 АЁ,,

Характеристики активных приборов, используемых в избира- тельных усилителях, таковы, что определяющее влияние на изменение тока 2 оказывает изменение режима в цепи входных электродов. В связи с этим следует учитывать только изменение режима по постоянному току в цепи входных электродов, где дей- ствует напряжение и; тогда А5/АЕ=5, а$5/4Е=5’, а5’/аЕ=

=5”, 45”/АБ =5"’, и выражение (4.71) примет вид

= Зоне ЗА В. Ито + $508. ЗАВ, ИЗ.. (4,75)

81

Соотношение (4.75) содержит второе и четвертое слагаемые, обусловленные процессом детектирования сигнала. Результат детектирования зависит от постоянной времени нагрузки детектора. При большой постоянной времени нагрузки детектирование

инерционное и АР: не будет следить за изменениями амплитуды входного напряжения, а будет определяться его пиковым значением. При малой постоянной времени нагрузки, обеспечивающей безынерционный режим детектора, напряжение АЕ; будет повторять закон изменения амплитуды входного напряжения. Эти обстоятельства существенны при усилении сигналов с амплитудной модуляцией. Из курса «Теория нелинейных электрических цепей» [59] известно, что при малых амплитудах входных напряжений детектор квадратичный и

При относительно больших амплитудах результат детектирования линейно зависит от амплитуды входного сигнала, а именно:

Коэффициенты пропорциональности А и В соотношений (4.76) и (4.77) определяются характеристикой нелинейности усилительного прибора и коэффициентом передачи детектора.

Так, в режиме детектирования слабых сигналов

о

-4 50 (1- &н/ 50)

где ©, — проводимость нагрузки детектора, в режиме детектирования сильных сигналов

1

(1-Е &н/50)

Типичным для практики является режим усилительного прибора,

при котором существует глубокая отрицательная обратная связь по постоянному току. В этом случае резисторы, включенные в цепи входных электродов, имеют большое сопротивление; тогда. б-<Зо и 1--0,/Зо==1. При этом

82 ”

Соотношение (4.80) позволяет заключить, что вследствие де-

тектирования сигнала АХ избирательного усилителя с квадратичным усилительным прибором отклоняется от идеальной. Коэффи-

При использовании биполярного транзистора с характеристи-

кой вида (4.74) 5%/5,=а, 5”/5о=а?, кн аОтс.

Обратим внимание на то, что АХ, описываемая соотношением

икоэффициент нелинейности амплитудной характеристики

к= | — И тс + (8,02 ‹—5$, (3 ‹)/81/0.

Если в усилительном каскаде использован биполярный транзи- стор с характеристикой вида (4.74), то при атс< 1 кнАх | ато[. В усилителе с полевым транзистором (5”%=0, 5”%»=0) в режи-

ме сильных сигналов, уровень которых ограничивается значениями, определяющими возможность представления выходного тока в

виде усеченного ряда Тейлора (4.70), кн= |-—-5’оИтс/$о|.

Из рассмотренных соотношений следует: в режиме слабых сигналов возможно получить линейную АХ путем использования эффекта детектирования для компенсации отклонения АХ вследствие асимметричного изменения $ вокруг рабочей точки (5”=0).

Блокирование сигнала

Эффект блокирования состоит в изменении коэффициента уси- ления усилителя для полезного сигнала при наличии помехи. Рассмотрим упрощенную модель процесса. Допустим, что на входе

Усилительного каскада действует не только полезный сигнал ис = = Ис с0$ 0ё на частоте настройки усилителя в, но и помеха

83

Ивх = И Ни = Отс с0$©. #-- Итп 603 ®д Е.

Выделим амплитуду первой гармоники тока Г» с частотой во, предполагая, что амплитуда напряжения помехи значительно

. Это соотношение представляет собой АХ избирательного усилителя в области малых уровней сигнала с учетом одновременного действия сигнала и помехи на входе. Если ввести представление о средней крутизне усилительного прибора Улери с учетом действия помехи, то

зависит от параметра нелинейности усилительного прибора У” /У›. и квадрата амплитуды напряжения помехи (рис. 4.17). При У” >0 средняя крутизна увеличивается. При У” <0 среднуег крутизна Уз1сри уменьшается. Зависимость амплитуды первой гармоники тока Г»! от амплитуды напряжения помехи изображена на рис. 4.18.

Для оценки влияния помехи введем кз — коэффициент блокирования, равный отношению приращения амплитуды первой гармоники тока полезного сигнала, обусловленного действием помехи, к амплитуде первой гармоники тока в отсутствие помехи на

входе:

Ти лид

Коэффициент блокирования определяется параметрами нели- нейности усилительного прибора $”д/5д и квадратом амплитуды

напряжения помехи. При $”А=0 ко=0. Этот результат обуслов-

лен тем, что большое напряжение помехи периодически, с частотой помехи, изменяет положение рабочей точки по характеристи-

ке усилительного прибора. При $А ”=0, т. е. при 5’А=с0п$%ф по-

ложительная полуволна помехи дает увеличение крутизны для ‘полезного сигнала на величину 5’АОт„, а отрицательная— ве-

личину 5’дОют. Эти приращения за период помехи компенсируются и, таким образом, не происходит изменения усиления для

полезного сигнала при появлении или исчезновении помехи. Соотношения (4.82) и (4.83) могут быть использованы для

расчета результата действия помехи лишь при условии, что режим усилительного прибора по постоянному току не изменяется. В реальных условиях происходит изменение этого режима, обусловленное процессом детектирования помехи и сигнала. Наибольший интерес представляет случай Из О. В этих условиях следует считаться с изменением режима по постоянному току, обусловленным процессом детектирования помехи.

Предполагая, что АЁ! определяется амплитудой напряжения. помехи И, получаем формулу (4.82) в следующем виде:

при помехе, обеспечивающей квадратичный результат детек-

же при использовании усилительных приборов с квадратичной характеристикой не удается устранить эффект блокирования сигнала в реальном усилителе, где происходит детектирование по-

мехи.

При 5%=0 и 5”%»=0 (4.87) приводится к следующему выра-

блокирования отрицательный, что свидетельствует об уменьшении усиления сигнала при наличии помехи.

1 Уровень помехи не должен превышать значений, определяющих корректность применения ряда Тейлора, ограниченного четырьмя первыми членами, пр

анализе нелинейных явлений.

85

Коэффициент блокирования зависит от амплитуды помехи, действующей на входе усилительного прибора (4.88). При малом

уровне помехи эта зависимость квадратичная. При болыном уров- не помехи эта зависимость близка к линейной (4.89).

В усилительном каскаде на биполярном транзисторе, вольтамперная характеристика которого описывается экспонентой,

Кв= —аО т + (402—803).

Обычно допустимый коэффициент блокирования не превышает

10%, при этом ал0,[ и Кл— ати.

На основании рассмотренного можно прийти к следующим выводам: 1) амплитуда первой гармоники выходного тока усилительного прибора, питаемого через резисторы, уменьшается с увеличением амплитуды входного сигнала из-за эффекта детектиро-

вания помехи; 2) зависимость коэффициента блокирования реального избирательного тракта от амплитуды входного напряжения помехи отличается от квадратичной; 3) коэффициент блокирования определяется параметрами нелинейности усилительного прибора, в частности отношениями первой, второй и третьей произ-

водной крутизны УП к крутизне; 4) эффективным способом уменьшения коэффициента блокирования является линеаризация

* сигналу и из всех параметров учитывалось лишь изменение крутизны прибора. В общем случае все параметры УП зависят

от Ише и Итп. Эту зависимость можно учесть, введя средние па-

раметры УП и используя каноническую формальную эквивалент- ную схему, изображенную на рис. 4.19. Однако элементы этой схемы должны содержать параметры, зависящие от уровней сиг-

Ул ср — У» (1 + 5. с.в Е 6. е.п), У. ср — У. (1 - 6.2 с.с + 5. сп).

Величины поправочных коэффициентов 6 и методика их применения для многокаскадного тракта даныв [15].

Если амплитуда помехи изменяется, то происходит перенос модуляции помехи на несущее колебание полезного сигнала в со-

86

ответствии с уравнениями (4.84) или (4.86), справедливыми для

конкретных условий взаимодействия сигнала и помехи.

Этот процесс переноса модуляции получил название перекрест-

ной модуляции.

| Количественная оценка эффекта перекрестной модуляции зависит от режима детектирования помехи. Если режим детектирования помехи инерционный, т. е. напряжение на резисторах смещения не успевает следить за законом модуляции помехи (КС> > ИОпах), то для расчета переноса модуляции помехи следует учесть лишь члены, не зависящие от Е: (члены, содержащие 5%). В случае безынерционного детектирования необходимо учитывать

все члены указанных уравнений. <

Интермодуляция

Явление интермодуляции состоит в том, что два или более нежелательных сигналов, каждый из которых не создает напряжение в полосе выходного фильтра, за счет нелинейности УП создают составляющие в полосе спектра полезного сигнала. Наиболее опасными при наличии указанного вида взаимодействия являются станции в двух односторонне расположенных относительно основного каналах приема, так как частоты излучения этих станций находятся ближе всех к частоте настройки приемника. Ослабление этих колебаний во входной цепи оказывается относительно малым, и поэтому их уровень на входе усилительного прибора достаточно велик для того, чтобы появились ком-

бинационные продукты, вызванные нелинейностью усилительного» прибора.

Ноявление интермодуляционных искажений обусловлено следующими процессами. Допустим, что на вход усилительного при-

колебаний в выходном токе усилительного прибора №2 появятся

кроме высших гармоник комбинационные составляющие ®хк2+= = 2%фо И Фи=20—62.

Очевидно, разностное комбинационное колебание будет иметь. частоту вк2_, равную частоте полезного сигнала:

Физ =2 (%--АО,)—(-240,) =2%, —@ =%..

87

Определим амплитуду выходного тока комбинационного коле“

бания с частотой „2 Рассмотрим несколько упрощенную мо- дель процесса. Предположим, что усилительный прибор по отношению к выходным зажимам работает в режиме короткого замыкания. На выходе усилительного прибора включена избирательная цепь, устраняющая колебания с частотами ®: и ®2 на выходе. Частотная характеристика этой цепи изображена на рис. 4.20 штриховой линией. Предположим также, что уровни входных напряжений достаточно малы и поэтому можно восполь-

ным членом ряда (4.70). Амплитуда этого колебания Гмие=

= Ух: Ис.

Квадратичный член ряда не может дать слагаемого в полосе пропускания выходных цепей усилителя.

Рассмотрим четвертый член разложения:

и=Ул (Отс со ®, Ё-- Им п. с08 @ Ё-Е И по с08 ®» 63/3!

2 с0$ % с0$ В = с0$ (% -- В) -- с0$ (& — В},

легко убедиться, что комбинационное колебание вк, попадающее в полосу пропускания усилителя, обусловлено шестым членом соотношения (4.90). Амплитуда этой комбинационной состав-

ляющей

Та комб — (УЗ!) 3 | Ш О» 2/4 — Ух И п Итэ/8.

Амплитуда тока Ги1комб Определяется произведением ‘ампли- туд напряжений помех, действующих на входе усилителя. Если

входные напряжения модулированы, т. е. амплитуды напряжений От, Ито изменяются во времени:

Тольомв — ро Уз И п Ию пов -- 2 ти (0) | Из (6) +

+ 2тиа (1) таз (В) -- та, (В -- та, (4) ти» (0).

Амплитуда комбинационной составляющей тока содержит не только законы модуляции этих колебаний, но и их произведения.

88

Наличие произведения законов модуляции свидетельствует о вза-

имной модуляции колебаний; это и послужило основанием вве-

дения термина для характеристики продукта нелинейного взаимодействия колебаний.

Найдем коэффициент интермодуляции как отношение Ги комб — амплитуды комбинационной составляющей к Гис — амплитуде

Коэффициент интермодуляции определяется параметром нелинейности усилительного прибора 751”/У, и произведением амплитуд взаимодействующих колебаний.

Обратим внимание на то, что при неравномерном расположении несущих частот мешающих станций частота комбинационно-

го колебания @к2— =201—0625200. При и =®-РАю: и =

Ао?

Ок = --2А®—Аф..

Это колебание создаст биения с несущим колебанием желательного сигнала. Частота биений

95= |ю._-—®,| = |2А®.—Ао.[.

Биения будут сопровождать прием полезного сигнала. При приеме звуковых программ этот нелинейный эффект будет проявляться в виде свиста, сопровождающего прием сигнала. При приеме телевизионных программ помеха проявляется на экране в ви-

плитуды напряжения помех на входе усилителя путем улучшения избирательности входных Кепей.

`

Вторичная модуляция

При появлении низкочастотного напряжения в цепях питания усилительного прибора с нелинейной вольт-амперной характеристикой в носледнем происходит модуляция сигнала. Этот процесс

получил название вторичной модуляции. Обычно наибольшую мо-

дуляцию вызывает изменение напряжения в цепи управляющего электрода. Поэтому при анализе процесса вторичной модуляции

можно воспользоваться рядом Тейлора (4.70), который приводит к выражению амплитудной ‘характеристики усилителя в виде (4.71).

При достаточно малом сигнале

тде Уз=35—крутизнад в рабочей точке.

89 |

Изменение напряжения в цепи питания приводит к изменению

положения рабочей точки по характеристике усилительного при-

бора. При этом У» получает приращение АТ, = (4У/4Е)АЕ, =5'АЕ..

Амплитуда первой гармоники тока получит приращение

и будет составлять

Тта — (У: +-У> А Е\) Отс.

Назовем коэффициентом искажений от вторичной модуляции *, отношение приращения амплитуды выходного тока, обусловленного изменением напряжения питания, к амплитуде первой гармоники этого тока в отсутствие изменения напряжения питания. Используя (4.93) и (4.94), получаем

Кв = А Ги/ Га ид = Ух А и.

Для уменьшения искажений от вторичной модуляции необхо- димо улучшать фильтрацию в цепях питания (АЕ1->0) и применять ‘усилительные приборы с постоянной крутизной характери-

стики в области действующих входных напряжений.

Если учесть, что для осуществления автоматической регулировки усиления следует применять УП с переменной крутизной, го единственной возможностью уменьшения искажений от вторичной модуляции является улучшение фильтрации в цепях питаНИЯ.

Анализ нелинейных явлений в избирательном усилителе показывает, что для их количественной оценки необходимо знание параметров нелинейности усилительного. прибора У”, У”, У”. Эти параметры можно определить аналитически либо экспериментально. Следует отдать предпочтение экспериментальной оценке

параметров нелинейности вследствие существования известных трудностей получения точных аналитических выражений для вольт-амперной характеристики усилительного прибора.

4.8. Многокаскадные полосовые усилители и их показатели

При проектировании резонансных усилителей руководствуются необходимостью удовлетворить техническим требованиям при

характеристики к,, стабильность работы, уровень нелинейных искажений и т. д. — должны достигаться с наименьшим числом усилительных приборов при наиболее экономичном режиме питания.

В практике приема сигналов в диапазоне умеренно высоких частот типичным является наличие большого уровня помех, обус-

90