Характеристики усилителей

Рассмотрим более подробно характеристики усилителей.

Амплитудная (АХ), U_вых = f (U_вх) (рисунок 2.5).

U_min

U_max

U_вх

U_вых

Рисунок 2.5 – Амплитудная характеристика УК

По амплитудной характеристике судят о возможных пределах изменения входного и выходного сигналов усилителя. АХ не проходит через начало координат ввиду наличия на выходе напряжения собственных шумов и помех. По величине U_min / K_uо оценивают уровень минимальных напряжений входного сигнала (или чувствительность) усилителя.

АХ условно можно разделить на два участка:

• линейный, где наблюдается пропорциональная зависимость амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного сигнала;

• нелинейный, где пропорциональность нарушается. Причиной этого является ограничения максимального напряжения одной или обеих полуволн выходного сигнала на неизменном уровне.

Ограничение выходного сигнала создается обычно при наибольшем входном сигнале, когда происходит смещение рабочей точки вдоль линии нагрузки по переменному току. Для получения максимальной амплитуды выходного напряжения необходимо, чтобы точка покоя (или рабочая точка) выходного каскада размещалась посередине его линии нагрузки по переменному току.

Такие искажения выходного сигнала, которые возникают ввиду нелинейности входных и выходных ВАХ транзисторов, называют нелинейными и оцениваются коэффициентом нелинейных искажений:

K = · 100%,

где Р₁ – мощность в нагрузке, обусловленная основной гармонической составляющей напряжения;

Р₂, Р₃, Р₄… – мощности, выделяемые в нагрузке под воздействием 2-ой, 3-ей, 4-ой и т. д. гармонических составляющих напряжения.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), К_U = f (f) (рисунок 2.6).

Наличие в схеме усилителя конденсаторов и зависимость параметров транзистора от частоты приводит к тому, что при изменении частоты входного сигнала U_вых изменяется как по амплитуде, так и по фазе.

K_u

Полоса пропускания

f

f_в

f_н

K_u. С_р

Рисунок 2.6 – Амплитудно-частотная характеристика УК

С_p

Рассмотрим эквивалентную схему усилительного каскада с ОЭ (рисунок 2.7).

R_к

R_вых

С_кэ

1/h₂₂

h₂₁ I_вх

h₁₁

U_вых

U_вх

Рисунок 2.7 – Эквивалентная схема УК с ОЭ

К_u принимает мах значение в области средних частот, т.к. в этой области сопротивление разделительного конденсатора мало и стремится к нулю:

X_ср = → 0, т. к. емкость C_p велика, а X = значительно больше параллельно включенных ему сопротивлений (т. к. C_эк – мала). Т. е. в области средних частот К_U мало зависит от частоты сигнала, т. к. влиянием C_p и C_эк можно пренебречь.

При очень низких частотах (f_н → 0), К_Uн → 0, т. к. сопротивление разделительного конденсатора стремится к бесконечности Х_Ср = → ∞, падение напряжения на нем увеличивается, и, следовательно, U_вых уменьшается.

При очень высоких частотах (f_в → ∞), К_Uв → 0, т. к. сопротивление емкости коллектор-эмиттер стремится к нулю Х_Cкэ = → 0, т. е. сопротивление емкости коллектор-эмиттер транзистора уменьшается и шунтирует R_вых. Поэтому U_вых снижается. C_р на высоких частотах не оказывает влияния на К_U, т.к. Х_Ср – мало.

Такое снижение К_U в области нижних и верхних частот называют частотными искажениями, которые оценивают коэффициентами частотных искажений:

• на нижних частотах M_н = =

• на верхних частотах M_в = = ,

где К_Uо – коэффициент усиления на средних частотах;

τ_н, τ_в – постоянные времени для разделительных конденсаторов в области низких и высоких частот.

Обычно М_н = М_в ≈ .

Частоты f_н и f_в, соответствующие допустимым значениям коэффициента частотных искажений М, называют нижний и верхний граничными частотами, а диапазон частот ∆ f = f_в − f_н, в котором М не превышают допустимых значений, называют полосой пропускания усилителя.

φ_н

Фазо-частотная характеристика (ФЧХ), φ = f (f) (рисунок 2.8).

0

f

Рисунок 2.8 – Фазо-частотная характеристика УК

Наличие конденсаторов в схеме приводит к появлению и фаза-частотных искажений.

Фаза-частотная характеристика усилителя показывает, что в области нижних частот выходное напряжение U_вых опережает по фазе входное U_вх, а в области верхних частот отстает от него. В предельных случаях, при f → 0 и f → ∞, угол сдвига фаз стремится к π / 2 и – π / 2. С понижением частоты входного сигнала появление фазового сдвига обусловлено тем, что ток в цепях с конденсаторами опережает по фазе напряжение. Т. е. напряжение, поступающее на вход каскада после С_р, будет иметь опережающий фазовый сдвиг относительно напряжения источника сигнала (для первого каскада) и относительно U_вых предыдущего каскада (для промежуточных каскадов).

В области высоких частот появление фазового сдвига обусловлено частотными параметрами транзистора, т. е. зависимостью коэффициента передачи тока β от частоты, и наличием емкости С_к-э (для каскадов ОЭ).

Амплитудные и фазовые искажения усилителя относятся к классу линейных, т. к. они не вызывают изменения формы усиливаемого синусоидального сигнала.