2.6. Динамические показатели

 Нелинейные искажения (искажения формы выходного сигнала) вызываются нелинейностью характеристик усилительных элементов. Количественно нелинейные искажения гармонического сигнала оцениваются коэффициентом гармоник K_г, который представляет собой отношение действующего значения напряжения (тока, мощности) высших гармоник, появившихся в результате нелинейных искажений, к напряжению (току, мощности) основной частоты (первой гармоники) при подаче на вход гармонического колебания основной частоты (причастотно-независимой нагрузке):

Для n-каскадных УУ (каскады включены последовательно):

.

Кроме K_г в усилителях многоканальной связи нелинейность оценивается затуханием соответствующей гармонической составляющей, (например, второй):

.

 Собственные помехи усилителя: фон, наводки и шумы. Остановимся на тепловых внутренних шумах усилителя ввиду принципиальной невозможности их полного устранения.

Любое резистивное сопротивление R (например, внутреннее сопротивление источника сигнала R_г) создает в полосе частот ∆f тепловой шум, среднеквадратичная ЭДС которого определяется формулой Найквиста:

,

где k – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура сопротивления.

Мерой оценки шумовых свойств УУ является коэффициент шума F, равный отношению мощностей сигнала и шума на входе УУ к отношению мощностей сигнала и шума на выходе УУ:

В диапазоне СВЧ находит применение оценка шумовых свойств УУ посредством определения шумовой температуры системы T_с:

,

где T₀ – стандартная шумовая температура, (рекомендация МЭК).

Для многокаскадных УУ (каскады включены последовательно):

где ,и т.д.– номинальные коэффициенты усиления по мощности каскадов усилителя.

Амплитудная характеристика и динамический диапазон.

Амплитудная характеристика усилителя представлена на рис. 2.6.

Динамическим диапазоном входного сигнала усилителя D_вх называют отношение (при заданном уровне нелинейных искажений) к(при заданном отношении сигнал/шум на входе):

В зависимости от назначения УУ возможна оценка динамического диапазона по выходному сигналу, гармоническим и комбинационным составляющим и др.

Лекция 3 анализ работы усилительных каскадов

3.1. Работа усилительного каскада в режиме малого сигнала.

3.1.1. Критерии и особенности малосигнального режима работы транзистора

Считается, что транзистор работает в малосигнальном, или линейном режиме, если в процессе работы не проявляется влияние нелинейности его ВАХ. Основным критерием линейного режима работы транзистора является малое значение в нем сигнальных составляющих выходных токов ∆I_вых и напряжений ∆U_вых по сравнению с их значениями I_вых0 и напряжений U_вых0 в ИРТ. Количественно интенсивность сигнала характеризуется коэффициентами использования транзистора по току и напряжению, при этом

; ,

где ∆I_вых, ∆U_вых, – наибольшие отклонения выходного тока и напряжения от их значений I_вых0, U_вых0 в ИРТ.

Обычно влияние нелинейности ВАХ транзистора становится заметным, когда какой-либо из этих коэффициентов превышает 0,2…0,3.

Считается, что при малосигнальном режиме работы транзистора взаимосвязи и взаимозависимости между его токами и напряжениями в ИРТ определяются постоянными коэффициентами. Эти коэффициенты называются малосигнальными параметрами.

Существует ряд систем параметров. Дальнейшее рассмотрение будем осуществлять в основном на базе системы Y-параметров. В этой системе параметры имеют размерность проводимости, а взаимосвязь между комплексными амплитудами токов и напряжений определяется системой уравнений:

;

,

где ,,,, – комплексные амплитуды сигнальных токов и напряжений.

В системе Y-параметров в качестве аргументов (воздействий) принимаются сигнальные разности потенциалов и , а качестве функций – значения сигнальных токов и . Основным параметром, который в первую очередь определяет усилительные свойства транзистора, является проводимость Y₂₁, часто называемая крутизной транзистора и обозначаемая S. Проводимость Y₁₁ является главной характеристикой входных свойств транзистора, а Y₂₂ – выходных, поэтому указанные проводимости соответственно называются входной и выходной проводимостью транзистора. Параметр Y₁₂ характеризует влияние выходного напряжения на выхдной ток, т.е. степень прохождения сигнала в направлении, обратном основному (в направлении с выхода на вход), поэтому проводимость Y₁₂ носит название проводимости обратной связи. Существенным отличием УП от пассивных цепей является их свойство преимущественной однонаправленности передачи сигналов, которое может быть охарактеризовано неравенством |Y₂₁|>>|Y₁₂|.

В основной частотной области транзистора, под которой понимается область частот f<f_S, где f_S – частота, на которой модуль крутизны транзистора уменьшается в раз (на 3 дБ), взаимосвязи между токами и напряжениями в транзисторе определяются вещественными коэффициентами. Поэтому в этой частотной области для характеристики свойств транзистора вместо системы комплексных Y-параметров используется система вещественных g-параметров g₂₁, g₁₁, g₂₂, g₁₂. При этом

;

,

где i_вх, i_вых, u_вх, u_вых, – сигнальные токи и напряжения соответственно.

Соотношения (3.*) удобно в целях наглядности взаимодействия между токами и напряжениями представить в виде эквивалентной схемы замещения четырехполюсника (рис. 3.*). Эта схема включает себя два зависимых генератора тока, один из которых (источник тока ) характеризует степень управляющего воздействия входного напряжения u_вх на выходной ток i_вых, а второй – воздействия обратной связи через проводимость g₁₂ на входной ток i_вх. Левая часть рис. 3.* соответствует верхней строчке соотношения (3.*), а вторая – нижней.

Рис. 3.*. Эквивалентная схема, определяющая взаимосвязи между токами и напряжениями в линейном четырехполюснике.