4.4.6 Амплитудная и амплитудно–частотная характеристики резистивного усилителя

Важное значение для усилителя имеет амплитудная характеристика, отражающая зависимость выходного напряжения от входного (рисунок 4.31). У идеального усилителя амплитудная характеристика – прямая линия, проходящая через начало координат. Угол ее наклона пропорционален коэффици­енту усиления усилителя К_u. У реального усилителя она имеет изгиб и пере­секает ось ординат в точке U_вых=U_ш, определяющейся напряжением собст­венных шумов усилителя. Участок U_вх<U_{вх мин} не используется, так как уси­ливаемый сигнал здесь не различим на фоне внутренних шумов усилителя. Изгиб амплитудной характеристики при U_вх > U_{вх макс} характеризует появле­ние искажений формы выходного напряжения.

Таким образом, без искажений усиливаются сигналы с амплитудой напряжения не выше U_{вх макс} и не ниже U_{вх мин}, отношение которых представля­ет динамический диапазон (дБ) входного сигнала.

Д,_дБ = 20lg(U_{вх макс} /U_{вх мин}). (4. )

Динамический диапазон усилителя определяется из выражения

Д,_дБ = 20lg(U_{вых макс} /U_{вых мин}). (4. )

Рисунок 4.31 – Амплитудная характеристика усилителя

В практических схемах линейное усиление обеспечивается при сравнительно небольших амплитудах входного напряжения и выборе точки покоя на линейных участках входной и выходной характеристик. В этом случае имеет место линейная зависимость между переменными токами базы i_б1 и коллектора i_к1, а также напряжениями u_вх1 и u_вых1 (см. штриховые линии на рисунке 4.32).

Если же амплитуда входного сигнала велика, то нелинейность статических характеристик приводит к искажениям формы выходного напряжения. Этому случаю соответствуют временные диаграммы токов и напряжений, изображенных на рисунке 4.32 сплошными линиями.

Рисунок 4.32 – Временные диаграммы токов и напряжений в цепях каскада с ОЭ при малом и большом уровнях входных сигналов: а – базовой; б – коллекторной

При поступлении отрица­тельной полуволны входного напряжения, когда значения амплитуды u_вх2 больше напряжения базы покоя U_бп (заштрихованная область на рисунке 4.32, а), транзистор закрыт (режим отсечки), и токи базы i_б2 и коллектора i_к2 практи­чески равны нулю. Рабочая точка на выходных характеристиках находится в положении 1 и напряжение u_вых2 = Е_к (рисунок 4.32, б). На интервале времени ∆t₁ происходит срез отрицательных полуволн токов i_б2 и i_к2 и положительной полуволны выходного напряжения u_вых2.

При поступлении положительной полуволны входного напряжения линия нагрузки пересекает коллекторную характеристику на ее вертикальном участке в точке 2, где ток базы I_бнас максимален. Так как транзистор в этой точке находится в режиме насыщения, то дальнейшее увеличение тока базы практически не вызовет приращения тока коллектора. В этом случае на интервале ∆t₂ происходит уплощение положительной полуволны тока коллектора i_к2 и отрицательной полуволны выходного напряжения u_вых2 (рисунок 4.32,б).

Описанные искажения формы выходного напряжения относятся к нелинейным. Уровень нелинейных искажений усиливаемого сигнала оценивают коэффициентом гармоник (коэффициентом нелинейных искажений)

, (4. )

где P₁, P₂, …, P_n; U₁, U₂, …, U_n; I₁, I₂, …, I_n – мощности, напряжения и токи соответственно 1-й, 2-й, ..., n-й гармонических составляющих выходного сигнала.

Нелинейные искажения в отличие от линейных сопровождаются появлением на выходах усилителей новых, паразитных гармонических составляющих в спектре усиленного сигнала, частоты которых кратны частотам входного сигнала. Однако (и это принципиально) если линейные искажения влияют на качество передачи информации только в «своем» радиоканале, то нелинейные искажения, кроме того, могут исказить информацию, переда­ваемую по другим каналам. Дело в том, что возникающие при нелинейных искажениях высшие гармоники одного передаваемого сигнала могут попа­дать в спектры других сигналов и искажать их. В общем случае коэффици­ент гармоник электронного усилителя не должен превышать 1...5%. Совре­менные высококачественные усилители звука имеют коэффициент гармоник менее одного процента.

В схеме, приведенной на рисунке 4.21, имеются частотно - зависимые элементы. Эквивалентная схема усилительного каскада, изображенная на рисунке 4.23, с учетом частотно–зависимых элементов приведена на рисунке 4.33.

Рисунок 4.33 – Эквивалентная схема усилительного каскада с учетом частотно–зависимых элементов

Общая емкость С₀ (на схеме не показана) равна

С₀=С_вых+С_м+С_{вх след} . (4. )

и включена параллельно сопротивлению Rн.

С учетом емкости С_о при постоянной амплитуде напряжения на входе напряжение на выходе U_вых зависит от частоты входного напряжения, т.е. коэффициент усиления каскада зависит от частоты. Эта графически выраженная зависимость коэффициента усиления каскада от частоты входного сигнала и есть амплитудно-частотная характеристика.

При уменьшении частоты сигнала сопротивление конденсатора С₂ увеличивается, падение напряжения на нем возрастает. В результате напряжение на выходе U_вых уменьшается. Поэтому с понижением частоты коэффициент усиления каскада уменьшается.

На высоких частотах проявляется шунтирующее действие емкости С_о. С повышением частоты входного сигнала сопротивление емкости С_о уменьшается, а следовательно, и падение напряжения сигнала на нагрузке уменьшается. Поэтому с повышением частоты коэффициент усиления каскада уменьшается.

В области средних частот потери напряжения на конденсаторе С₂ невелики.

Для того, чтобы коэффициент усиления резисторного каскада в рабочем диапазоне частот оставался постоянным, емкость разделительного конденсатора С₂ выбирают по возможности большей, а паразитную емкость С₀ стремятся уменьшить.

Амплитудно–частотная характеристика резисторного каскада приведена на рисунке 4.34.

Рисунок 4.34 – Амплитудно–частотная характеристика резистивного каскада