IV.3. Расчёт гармонических составляющих выходного тока

Для расчёта коэффициента гармоник усилительного каскада К_Г нужно найти гармонические составляющие выходного тока, имеющие место при подключении к его входу источника синусоидальной ЭДС. Существует два способа определения гармонических составляющих выходного тока: графоаналитический и графический.

Графоаналитический способ гармонического анализа требует затраты большого количества времени и труда, длительных вычислений и даёт точность значительно выше необходимой.

При графическом способе расчёта коэффициента гармоник пользуются упрощёнными способами гармонического анализа, дающими достаточную для практики точность.

При усилении сигналов без преобразования их формы отсечка части усиливаемого колебания недопустима. В условиях усиления сигнала без отсечки выходной ток (при синусоидальной ЭДС источника) в основном состоит из постоянной составляющей, первой, второй и третьей гармоник. Четвёртая гармоника при этом обычно не превышает 1% от первой, а пятая и более высокие гармоники настолько малы, что практически не влияют на коэффициент гармоник.

Расчёт гармонических составляющих выходного тока, необходимых для определения коэффициента гармоник усилительного каскада, при наличии тока во входной цепи УЭ (ток во входной цепи имеется в усилительных каскадах на биполярных транзисторах и в лампах, работающих в режиме с сеточными токами) производят по сквозной динамической характеристике при помощи упрощённых методов гармонического анализа.

Наиболее употребительным является метод пяти ординат, при пользовании которым на сквозной динамической характеристике отмечают пять точек (рис.4.6), соответствующих:

1. Полной положительной амплитуде ЭДС источника сигнала Е_ИСТ.m;

2. Половине амплитуды ЭДС источника сигнала 0,5Е_ИСТ.m;

3. Точке покоя (отсутствию сигнала на входе каскада);

4. Половине отрицательной амплитуды ЭДС сигнала – 0,5Е_{ИСТ. m};

5. Полной отрицательной амплитуде ЭДС источника сигнала – Е_ИСТ.

Рис.4.6. К расчёту гармонических составляющих выходного тока

транзисторного каскада по сквозной динамической

характеристике переменного тока.

Значения выходного тока в этих пяти точках обозначают соответственно через I_МАКС., I₁, I₀, I₂ и I_МИН. Среднюю составляющую (среднее значение за период сигнала) выходного тока и амплитудные значения его первой, второй, третьей и четвёртой гармоник находят по следующим формулам:

I_МАКС. + I_МИН. + 2(I₁ + I₂)

I_СР. = ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾.

I_МАКС.- I_МИН. + I₁ - I₂

I_{1 m} = ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾.

I_МАКС + I_МИН. - 2I₀

I_{2 m} = ¾¾¾¾¾¾¾¾.

I_МАКС.- I_МИН.- 2(I₁ - I₂)

I_{3 m} = ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾.

I_МАКС. + I_МИН. - 4(I₁ + I₂) + 6I₀

I_{4 m} = ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾.

Правильность вычислений проверяют по уравнению:

I_СР. + I_1m + I_{2 m} + I_{3 m} + I_{4 m} = I_МАКС.

Подставив найденные значения гармоник выходного тока в известную формулу:

Ö I²_{2 m} + I²_{3 m} + I²_{4 m}

К_Г = ¾¾¾¾¾¾¾¾,

I₁

рассчитывают коэффициент гармоник каскада для первых четырёх гармоник.

Найденное среднее значение выходного тока используют для расчёта тока, потребляемого от источника питания.

Контрольные вопросы:

1. Дайте определение выходным и входным характеристикам транзистора и объясните ход этих характеристик. Когда применяются эти характеристики?

2. Чем отличаются статические характеристики усилительного элемента от динамических?

3. Нарисуйте (желательно по памяти) усилитель на биполярном транзисторе с общим эмиттером и постройте нагрузочную прямую на семействе статических выходных характеристик. Поясните принцип построения.

4. Объясните назначение фильтрующей цепочки R_Ф,C_Ф в цепи коллектора (стока) усилительного каскада с ОЭ (ОИ).

5. Дайте определение входной динамической характеристике биполярного транзистора и объясните, почему при расчётах можно пользоваться статическими характеристиками вместо динамических.

6. Дайте определение коэффициента гармоник усилителя. Для чего производится расчёт гармонических составляющих выходного тока усилителя?

Глава V. Каскады предварительного усиления.

V.1. Основные требования и режим работы.

Назначением каскадов предварительного усиления является усиление тока или напряжения сигнала, создаваемого источником сигнала, до величины, необходимой для подачи на вход каскада мощного усиления.

Для уменьшения количества каскадов предварительного усиления коэффициент усиления каждого каскада желательно иметь наибольшим. Для этого в каскадах предварительного усиления используются УЭ с высоким коэффициентом усиления (транзисторы с большим статическим коэффициентом усиления тока h_21Э) и так выбирают режим работы, положение рабочей точки покоя и электрические данные схемы межкаскадной связи, чтобы получить от каскада наибольшее усиление при допустимых частотных или переходных искажениях.

Вследствие малой амплитуды сигнала в цепях каскадов предварительного усиления расчёт коэффициента усиления, тока и напряжения выходного сигнала таких каскадов обычно производят аналитически, без построения динамических характеристик переменного тока, используя справочные данные для этого транзистора и рекомендованный режим работы.

Для уменьшения нелинейных искажений и повышения стабильности усилителя в каскадах предварительного усиления почти всегда используют режим работы А; это не вызывает затруднений с энергетической точки зрения, так как потребление мощности от источника питания невелико. Из-за малой амплитуды сигнала и работы в режиме А вносимые каскадами предварительного усиления нелинейные искажения ничтожны и расчёт коэффициента гармоник таких каскадов обычно не производят.

Транзисторы в каскадах предварительного усиления обычно включают с общим эмиттером, так как при работе на входную цепь следующего каскада это даёт возможность получить наибольшее усиление. Включение транзистора с ОБ здесь целесообразно лишь для входных каскадов, работающих от источника сигнала с очень низким внутренним сопротивлением (порядка входного сопротивления транзистора при таком включении). В этом случае коэффициент усиления каскада может оказаться не ниже, чем при включении с ОЭ, а многие показатели каскада улучшатся. Включение транзистора с ОК в каскадах предварительного усиления используется лишь в особых случаях для входных или выходных каскадов усилителя, когда эти каскады должны иметь специальные свойства.

Напряжение источника питания оконечного (выходного) каскада усилителя обычно оказывается вполне достаточным для питания всех каскадов предварительного усиления с учётом включения в их цепь питания развязывающих и сглаживающих фильтров. Для сокращения расхода энергии питания транзисторы применяют маломощные, а ток покоя их выходной цепи выбирают возможно малый, лишь обеспечивающий как необходимую амплитуду напряжения сигнала, так и удовлетворительные частотные и усилительные свойства применённого транзистора.