Основные определения.

§5. Искажения в усилителях

Если вход усилителя подается сигнал представляющий одно гармо­ническое колебание синусоидальной формы, то при линейной характеристи­ке усилительного элемента на входе получается усилительный сигнал то же формы, что и на входе что видно из рисунка 40.

Но как правило на вход усилителя подается сложный сигнал - со многими гармоническими составляющими различных частот. Чтобы такой сложный сигнал воспроизводился без искажений надо чтобы каждая входя­щая в него гармоника усиливалась одинаково. Но в усилителе имеются реак­тивные элементы, сопротивление которых зависит от частоты подведенного к ним колебания.

Поэтому усиление суммарного сигнала с различными частотами бу­дет различным. В результате форма сигнала на выходе будет несколько от­личаться от формы сигнала на входе.

Отклонение формы выходного сигнала от формы входного сигнала называется искажениями.

Искажения, вызываемые неодинаковым усилением на различных час­тотах называются частотными искажениями. Для определения работоспособ­ности усилителя на различных частотах исследуется амплитудно-частотная характеристика (АЧХ). - зависимость модуля коэффициента усиления от частоты. Для удобства построения и охвата большого диапазона частот обычно АЧХ строится в логарифмическом масштабе то есть на оси х откла­дывается не частота f, которая может изменяться от 0 Гц до 10⁶ Гц, а лога­рифм частоты lgf. АЧХ имеет вид.

На рисунке 41 прямая линия 1 соответствует идеальной частотной ха­рактеристике, а кривая 2 это реальная характеристика, показывающая ослаб­ление коэффициента усиления на верхних и нижних частотах. Количественно частотные искажения оцениваются коэффициентом частотных искажений М

то есть это отношение коэффициента усиления на средних частотах к коэффициенту усиления на заданной частоте. Однако как правило для усили­теля задается диапазон рабочих частот от нижнего значения f_н до верхнего значения f_B в котором и устанавливается предельное допустимое значение М, обычно задаваемое в дБ (децибелах) М дБ = 201gM

допустимая величина частотных искажений зависит от назначения усилителя. Для усилителей звуковой (аудиоусилители) в диапазоне 30 - 20000Гц М не должен превышать 2 дБ, а для телефонии в диапазоне 30 ... 3400Гц М ~ЗдБ; в других областях применения в соответствии с установ­ленными техническими нормами.

Частотные искажения создаются элементами имеющими линейные электрические характеристики (элементы L и С) и поэтому они называются линейными искажениями.

Кроме этого в усилителях могут наблюдаться нелинейные искажения, вызванные нелинейностью ВАХ активных элементов; фазовые искажения, возникающие вследствие зависимости угла сдвига фазы от частоты, а для ви­деоусилителей импульсных сигналов имеют место переходные искажения.

Для более углубленного изучения явлений вызывающих искажения в усилителях рекомендуется к самостоятельной проработке:

Тема 2.2. Принципиальная схема усилителя на транзисторах. Назначение элементов схемы усилителя.

Принцип усиления

1.1. Принципиальная схема усилителя.

В настоящее время схемы усилителей в основном строятся на исполь­зовании транзисторов и дискретных пассивных элементов (резисторов и кон­денсаторов) или создаются в виде интегральных схем. Наиболее удобным объектом для практического изучения работы усилителя является каскад предварительного усиления, который может быть выполнен на одном или более транзисторах. Основное требование, предъявляемое к каскаду предва­рительного усиления - это получение наибольшего усиления. Это требование реализуется при применении схемы включения транзистора с общим эмитте­ром так как при таком включении имеет место усиление по току К| и по на­пряжению К_и и соответственно усиление по мощности Р максимально т.к.

При выборе схемы предварительного каскада усиления необходимо также обеспечить:

минимальность нелинейных искажений - что достигается соответст­вующим подбором рабочей точки усилительного элемента

минимальность линейных искажений, что возможно при ограничении применения в схеме элементов L и С.

Эти условия реализуются в резисторной схеме предварительного уси­ления рис. 42.

Работу данного усилительного каскада для наглядности луч­ше представить графически в виде вольт - амперных зависимостей во вход­ной и выходной цепи:

 

Из графиков видно что для получения неискаженного усиленного сигнала надо на входной характеристики транзистора на ее линейном участке выбрать точку покоя П и установить диапазон входного сигнала U_{вх мин} - U_{вх мах}, при этом для фиксации положения точки П надо подать на базу тран­зистора напряжение смещения U_бо, которое не должно зависеть от наличия входного сигнала и тогда через базу будет протекать постоянный ток базы I_бо, который вызывает в цепи коллектора постоянный ток напряжения сме­щения. В данной схеме используется делитель напряжения на резисторах R₁ R₂, который делит напряжение источника питания Е таким образом чтобы большая его часть падала на резисторе R₁, а на R₂ выделялось напряжение равное и_бэ. (Возможны и другие способы задания точки П, например от до­полнительного источника напряжения, с использованием в цепи базы стаби­литрона или токоограничительного резистора). Для того чтобы положение точки П не изменялось в зависимости от входного сигнала необходима галь­ваническая развязка цепи базы с цепью источника сигнала. Для этого ставит­ся конденсатор С_Р1(разделительный конденсатор) величина емкости которого выбирается такой, чтобы она обеспечивала прохождение переменного сигна­ла в требуемом диапазоне частот. Резистор R_K является токоограничивающим

в цепи коллектора, чтобы при переходе режима работы из точки ГГ в точку М транзистор не вышел в область превышения электрических режимов и не сгорел.

Резистор Rэ обеспечивает температурную стабилизацию режима по­коя данного усилительного каскада. При увеличении окружающей темпера­туры ток коллектора возрастает за счет дополнительной генерации носителей заряда в полупроводнике. Увеличение тока приводит к увеличению потен­циала Uэ. относительно земли, что равносильно уменьшению Uбо и точка П несколько смещается вниз. Соответственно уменьшается ток покоя коллек­тора и точка П' остается в прежнем положении. При уменьшении окружаю­щей температуры и снижении тока коллектора потенциал Uэ уменьшается, в результате точка П' остается стабильным. Таким образом наличие сопротив­ления Rэ обеспечивает отрицательную обратную связь по току и напряжению и обеспечивает температурную стабилизацию положений точек П и П'.

Конденсатор Сэ шунтирует резистор Rэ по переменному току, исклю­чая отрицательную обратную связь по переменному току, а также частичное падение усиливаемого переменного сигнала на Rэ. Отсутствие Сэ вызывает уменьшение коэффициента усиления каскада по напряжению в 1,5 раза.

Конденсатор С_р2 также разделительный. Он не пропускает постоян­ную составляющую напряжения источника питания Е_к на базу следующего транзистора. Обычно в качестве С_р2 используется конденсатор большой ем­кости, чтобы усиленный сигнал проходил через него без ослабления.

Элементы Rф1 и Сф1 предназначены для фильтрации напряжения пи­тания и исключения паразитных связей по цепи питания при последователь­ном включении нескольких каскадов усиления.