Skhemotekhnika_PE

11

Коэффициент КU, выраженный в децибелах, равен 20 десятичным ло- гарифмам от абсолютного значения КU:

КU, дБ = 20 lg (КU).

1.3 Многокаскадные усилители

Если один каскад не обеспечивает требуемого усиления, усилитель выполняют многокаскадным (рис. 1.9).

Рис. 1.9

Принцип действия многокаскадного усилителя состоит в увеличении параметров усиливаемого сигнала (по току и напряжению) от каскада к кас- каду. При этом источником сигнала для i-го каскада является предыдущий (i – 1)–й каскад, а нагрузкой - следующий, (i + 1)–й каскад. Для многокас-

кадного усилителя

RВХ = RВХ.1, RВЫХ = RВЫХ.N.

Для коэффициентов усиления усилителя, выраженных в децибелах, справедливы соотношения, например, для КU:

N

KU ,дБ = åKU.i . i=1

12

По месту расположения в схеме усилителя и условиям работы каска- ды усилителя делятся:

1) первый – входной каскад (ВхК). Коэффициент Ке усилителя зави- сит от γВХ, поэтому основное требование к входному каскаду является

2) последний, N-ый каскад усилителя называется каскадом усиления мощности, т.к. именно он осуществляет преобразование энергии источника питания в энергию сигнала на нагрузке. Эффективность преобразования описывается коэффициентом полезного действия (КПД) усилителя η = РН / Р0. Для усилителя мощности основным требованием является высо- кий КПД, т.к. общий КПД усилителя определяется в основном КПД усили- теля мощности η ≈ ηУМ.

3) остальные, промежуточные, каскады называются каскадами пред- варительного усиления (КПУ). Их основное назначение – увеличить пара- метры сигнала до величин, при которых он сможет управлять каскадом уси- ления мощности, поэтому основным требованием к КПУ является обеспе- чение высоких коэффициентов усиления КU и КI. В специфических услови- ях работает (N-1)-й каскад промежуточного усиления, называемый предо- конечным. Мощность сигнала в его выходной цепи сравнительно велика, для эффективной передачи во входную цепь УМ обеспечивают согласован- ный режим работы каскадов, т.е. RВЫХ(N-1) = RВХ.N. Согласованный режим стремятся обеспечить и на выходе усилителя мощности, т.е.

RВЫХ = RВЫХ.N = RН.

1.4 Характеристики многокаскадных усилителей

Частотные характеристики усилителей. Линейные искажения сигналов.

Из-за наличия в схеме усилителя реактивных элементов (например, конденсаторов СР) и частотных свойств транзисторов, сквозной коэффици-

ент усиления по напряжению зависит от частоты и является величиной комплексной

K&e = K&e ×e jϕ .

Для биполярных транзисторов от частоты сигнала зависит коэффици- ент передачи тока h21, который является в общем случае комплексной вели-

чиной

fПР

13

где fПР – предельная частота транзистора;

h21 – коэффициент передачи тока на частотах f << fПР (средних частотах). Параметры h21 и fПР приводятся в справочниках, при чем fПР определя-

(рис. 1.10), идеальный усилитель усиливает сигналы во всем диапазоне час- тот от 0 до ∞ с одинаковым Ке. В реальных усилителях имеется полоса час- тот, при которых наблюдается практически постоянный Ке (так называемая область средних частот). В области низких (НЧ-область) и высоких (ВЧ- область) частот наблюдается спад АЧХ. Для объяснения формы АЧХ ре- ального усилителя рассмотрим схему замещения каскада с учетом реактив- ных элементов (рис. 1.11). На рис. 1.11 СМЭ – междуэлектродная емкость выходной цепи УЭ каскада.

Рис. 1.10 Рис. 1.11

В НЧ-области сказываются падения напряжения на емкостных сопро- тивлениях разделительных конденсаторов ХСР = 1/ (2π f CР), что приводит к

уменьшению |U&ВЫХ | и, соответственно | K&e |. С увеличением частоты входно-

го сигнала сопротивление ХСр становится малым и падением напряжения на CР можно пренебречь.

Наблюдается постоянство | K&e | = Kе на средних частотах.

В ВЧ-области уменьшается коэффициент передачи тока биполярного транзистора, т.е. уменьшается |U&ВЫХ.ХХ |, кроме этого, междуэлектродная ем- кость выходной цепи УЭ шунтирует сопротивление нагрузки, из-за чего уменьшается |U&ВЫХ |. Оба фактора приводят к спаду АЧХ в ВЧ-области.

14

Частоты, на которых наблюдается уменьшение | K&e | по сравнению с Kе

в 2 раз (или на 3 дБ), называются соответственно нижней, fН и верхней, fВ рабочей частот усилителя, а диапазон частот fН – fВ называется соответст- венно рабочим диапазоном частот усилителя.

Нелинейность АЧХ приводит к тому, что составляющие сложного сигнала, представляющего собой сумму колебаний различных частот, уси- ливаются в неодинаковой степени, что приводит к искажениям формы сиг- нала.

Пусть входной сигнал содержит в своем составе первую и третью гармоники (рис. 1.12, а). Первая гармоника усиливается с | K&e |1 = 2, а третья с | K&e |3 = 0,5. Возникают искажения формы сигнала (рис. 1.12, б). Такие ис-

кажения называются частотными. Для синусоидального сигнала одной час- тоты частотные искажения отсутствуют.

а) б)

Рис. 1.12

Зависимость сдвига фазы выходного сигнала UВЫХ относительно еГ от частоты φ = F(f) называется фазо-частотнай характеристикой (ФЧХ) усили- теля. ФЧХ идеального усилителя имеет вид 1, реального – 2 (рис. 1.13).

В реальном усилителе в НЧ-области UВЫХ опережает по фазе еГ, в ВЧ- области – отстает. Схема замещения усилителя для НЧ-области имеет вид

(рис. 1.14).

15

Поясним этот факт с помощью векторных диаграмм. Построим век- торную диаграмму, приняв начальную фазу еГ, равной нулю (рис. 1.15). За-

пишем выражение для тока

угол. Вектор U&BX совпадает с I&BX . Вектор напряжения U&ВЫХ.ХХ совпадает с U&BX , т.к. в НЧ-области коэффициент передачи тока транзистора является действительным чистом. Напряжение U&ВЫХ.ХХ выполняет функцию еГ для выходной цепи, поэтому аналогично I&BX вектор I&ВЫХ будет сдвинут относи- тельно U&ВЫХ.ХХ на положительный угол, а вектор U&ВЫХ совпадет с I&ВЫХ . Та- ким образом, в НЧ-области U&ВЫХ сдвинуто относительно ег на положитель-

ной угол. Для области средних частот реактивными элементами схемы можно пренебречь, угол φ = 0.

Для ВЧ-области схема замещения имеет вид (рис. 1.16). Пусть на- чальная фаза еГ равна нулю (рис. 1.17). Вектор IBX и UBX совпадают с еГ.

Напряжение U&ВЫХ.ХХ : h&21UВХ , а так как в ВЧ-области

Запишем выражение для I&ВЫХ , полагая для простоты выкладок RН >> ХС.МЭ, так, что RН можно пренебречь

16

ность ФЧХ приводит к искажению формы сложного сигнала в результате разных фазовых сдвигов гармоник (рис. 1.18).

Пусть на вход подан сигнал, содержащий первую и третью гармоники | K&e |1 = | K&e |3 = 1, но гармоники сдвигаются на разные углы. В результате

разных фазовых сдвигов гармоники сигнала будут задержаны на разное время, что приводит к искажению формы усиливаемого сигнала, такие ис- кажения называются фазовыми. Для синусоидального сигнала одной часто- ты фазовые искажения отсутствуют.

Частотные и фазовые искажения не связаны с нелинейностью харак- теристик УЭ, поэтому называются линейными. Их особенностью является то, что изменяя форму сложного сигнала, они не изменяют его спектраль- ный состав.

В усилителях наблюдается комплексное действие неравномерностей АЧХ и ФЧХ на искажения сигнала, поэтому линейные искажения оцени- вают по степени частотных искажений. Мерой частотных искажений, вно-

симых усилителем на частоте f является коэффициент частотных искажений

Мf = Ke / | K&e |f.

Рис. 1.18

Из последнего выражения видно, что коэффициенты частотных иска-

жений на нижней fН и верхней fВ рабочих частотах равны МН = МВ = 2 . Ве-

личины МН и МВ используются для расчета реактивных элементов схемы усилителя.

Нелинейные искажения сигналов в усилителе.

Управляемые элементы усилителя имеют нелинейные ВАХ. Напри- мер, для биполярного транзистора нелинейна входная ВАХ IБ = F(UБЭ) – для

17

схемы с ОЭ и зависимость коэффициента передачи тока от тока выходной цепи h21 = F(IК). Это является причиной появления нелинейных искажений сигналов, при которых изменяется форма и спектральный состав сигнала. Такие искажения называются нелинейными. Сущность этого вида искаже- ний заключается в следующем. Если на вход усилителя, имеющего нели- нейную характеристику «вход-выход» подать синусоидальный входной сигнал с частотой f1, на выходе напряжение будет искажено по форме, т.е. будет несинусоидальным, содержащим колебания основной частоты f1 и высших гармоник с частотами fi = n · f1, где n = 2, 3…и т.д. Следовательно,

на выходе усилителя при наличии нелинейных искажений появятся новые гармоники, отсутствовавшие в спектре входного сигнала.

Степень нелинейных искажений оценивают по величине коэффициен-

та гармоник

kГ = PГ ,

Р1

где РГ – суммарная мощность высших гармоник сигнала; Р1 – мощность первой гармоники.

Мощность синусоидального сигнала может быть выражена через ам- плитудное значение тока P = IМ2 × R / 2 , выражение для kГ принимает вид

где I1M – амплитуда тока первой гармоники;

IiM – амплитуда тока высшей гармоники с номером i.

Мощность высших гармоник уменьшается с увеличением номера, по- этому при практических расчетах гармоники выше четвертой не учитыва- ются из-за слабого влияния на kГ. Оценка нелинейных искажений по kГ не дает полного представления о степени искажений сложного сигнала, пред- ставляющего из себя сумму колебаний разных частот, т.к. в этом случае на выходе усилителя кроме высших гармоник для каждой составляющей сиг- нала появляются еще и колебания так называемых комбинационных частот. Так, например, при подаче на вход сигнала, состоящего из колебаний с час- тотами f1 и f2, на выходе появятся не только высшие гармоники 2 f1, 2 f2, 3 f1,

3 f2 и т.д., но и колебания с частотами f1 + f2; f1 – f2; f1 + 2f2; f1 – 2 f2 и т.д. (комбинационные частоты). Для высококачественных усилителей звуковых

частот используется коэффициент интермодуляционных искажений, учиты- вающий комбинационные частоты.

Аналитический метод расчета интермодуляционных искажений от- сутствует, его величину устанавливают на основе измерений, тогда как kГ можно рассчитать на этапе проектирования. Величина kГ позволяет косвен-

18

но судить и об интенсивности интермодуляционных искажений, поэтому метод оценки нелинейных искажений по величине kГ нашел широкое при- менение.

Амплитудная характеристика усилителя. Динамический диапазон.

Амплитудной характеристикой (АХ) усилителя называется зависимость ам- плитудного или действующего значения выходного напряжения от ампли-

тудного или действующего значения входного напряжения при воздействии на вход усилителя гармонического сигнала постоянной частоты. АХ усили- теля приведена на рис. 1.19 для идеального – 1 и реального усилителей – 2.

Рис. 1.19

Идеальная АХ выходит из начала координат под углом α, для которо- го tg(α) = КU. Реальная АХ совпадает с идеальной только в области средних значений напряжений (участок А – Б). Изгиб АХ при малых UВХ связан с наименьшим на выходе усилителя напряжения собственных помех UП, ко- торое действует и при UВХ = 0. Помехи могут полностью забивать или силь- но маскировать слабый полезный сигнал. Для нормальной работы усилите- ля наименьшее выходное напряжение UВЫХ.MIN должно превышать UП. При

больших напряжениях изгиб АХ обуславливается нелинейностью ВАХ и сопровождается ростом нелинейных искажений. Напряжение, при котором

kГ = kГ.ДОП называется номинальным UВЫХ.НОМ. При UВХ > UВХ.НОМ наблюда-

ется зона ограничения

UВЫХ = UВЫХ.MAX = const.

По АХ задают ряд параметров усилителя:

-чувствительность – величина напряжения UВХ.MIN;

-динамический диапазон усилителя DУ = UВЫХ.НОМ / UВЫХ.MIN. Его из- меряют в децибелах: DУ, дБ = 20 lg Dу. При работе усилителя еГ может из-

меняться. Динамический диапазон сигнала DC = еГ.MAX / еГ.MIN. Необходимо

обеспечить DУ > DC.

- отношение сигнал/шум С/Ш = UВЫХ.НОМ / UП. Измеряется в децибе-

лах.

19

Классификация усилителей.

Усилители делятся на линейные (использующие участок А-Б АХ) и нелинейные или усилители или усилители-ограничители (использующие и участок за т. Б АХ). Нелинейные усилители используются в импульсной технике для формирования импульсных сигналов.

Линейные усилители по форме АЧХ и рабочему диапазону частот (рис. 1.20) делятся на:

-УПТ – усилители постоянного тока (используются в промышленно- сти для усиления сигналов с датчиков);

-УЗЧ – усилители звуковой частоты (∆f = 20 ÷ 20·103 Гц);

-УВЧ – усилители высокой частоты (∆f = 103 ÷ 108 Гц – усилители видеосигнала в телевидении);

-ШПУ – широкополосные усилители (∆f = 20 ÷ 108 Гц – усилители радиоустройств, измерительные усилители, усилители в осциллографах);

-УПУ – узкополосные усилители – используются в качестве актив- ных фильтров.

Рис. 1.20

2 КАСКАДЫ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО УСИЛЕНИЯ

2.1 Усилительный каскад с общим эмиттером

Назначение элементов и работа схемы

Простейшая схема каскада с общим эмиттером (ОЭ) представлена на рис. 2.1. Коллектор транзистора через резистор RК подключен к источнику питания ЕК. База подключена к ЕК через резистор RБ. Входной сигнал UВХ поступает на базу транзистора относительно эмиттера, выходной сигнал UВЫХ снимается с коллектора относительно эмиттера. Назначение резистора RБ – задание режима покоя каскада. Через него на базу относительно эмит- тера подается от ЕК отрицательный потенциал. Эмиттерный переход смеща- ется в прямом направлении, через него протекает ток

I = ЕК −UБЭ.П , Б.П RБ

20

где UБЭ.П – падение напряжения на эмиттерном переходе от протекания тока

IБ.П.

В цепи коллектора транзистора протекает ток

IК.П = h21.Э × IБ.П ,

где h21.Э – коэффициент передачи тока базы в схеме с ОЭ.

От протекания тока IК.П между коллектором и эмиттером транзистора выделяется падение напряжения UКЭ.П.

Конденсаторы СР1 и СР2 выполняют функцию фильтрующих (раздели- тельных) элементов. Конденсатор СР1 препятствует протеканию постоянно-

го тока по цепи (+ ЕК) → еГ → RГ → RБ → – ЕК. СР2 – по цепи(+ ЕК) → RН → RК → – ЕК. Конденсаторы СР1 и СР2 заряжены до напряже-

ний UБЭ.П и UКЭ.П соответственно.

Составим уравнение выходной цепи по второму закону Кирхгофа для режима покоя

При анализе каскадов по постоянному току в соотношениях использу- ются абсолютные значения токов и напряжений. При изменении величины резистора RБ изменяется IБ.П, изменяется ток IК.П, и, как следует из (2.1), из- меняется UКЭ.П. Уравнение (2.1) описывает связь между координатами точки покоя выходной цепи UКЭ.П, IК.П и представляет собой уравнение прямой,

которая может быть построена на семействе выходных ВАХ транзистора (рис. 2.2). Она проходит через точки с координатами (ЕК, 0) и (0, ЕК / RК) и называется линией нагрузки по постоянному току.