Нелинейные искажения

Искажения формы выходного сигнала, вызванные нелинейностью входных и выходных характеристик усилительных приборов, а также характеристик намагничивания сердечников трансформаторов, называются нелинейными

искажениями.

Предположим, что на вход усилителя подан гармонический сигнал Uвх а на выходе за счет нелинейности характеристики транзистора форма тока изменилась так, как показано на рис. Таким образом, за счет нелинейных искажений на выходе усилителя появляются дополнительные частоты, отсутствующие во входном сигнале. Чем больше нелинейность усилителя тем сильнее искажается синусоидальный сигнал, поданный на вход усилителя, и тем больше относительная амплитуда появившихся в выходном сигнале высших гармоник.

Тема 3.3. Режимы работы усилительных приборов

Общие сведения

Усилительные приборы могут работать в режимах A, B, AB, C и D. Режим работы определяется постоянным напряжением между электродами и токами, протекающими в цепях электродов усилительного прибора. Режим отображается положением рабочей точки на нагрузочных характеристиках усилительного прибора и представляет собой зависимость выходного тока от постоянного напряжения между управляющим (базой, затвором) и эмиттирующим (эмиттером, истоком) электродами усилительного прибора при включенной нагрузке в его выходной цепи.

Постоянное напряжение, действующее между этими электродами, называется напряжением смещения. Так как обычно отсчет напряжения смещения производят относительно эмиттирующего электрода, считая его потенциал равным нулю, то часто в литературе применяется определение напряжения смещения, как напряжения на соответствующем управляющем электроде.

Точка на нагрузочной характеристике, соответствующая постоянному току при данном напряжении смещения, называется рабочей точкой.

Если ток в рабочей точке определяется при отсутствии сигнала, то он называется током покоя, а эта точка на характеристике называется точкой покоя.

Рассмотрим режимы A, B, AB, так как режимы C и D применяются редко и принципиально не отличаются от режима B (используются меньшие, чем при режиме B, углы отсечки).

Режим А

В этом режиме, подавая на управляющий электрод усилительного прибора соответствующее напряжение смещения, рабочую точку А устанавливают примерно в средней части нагрузочной характеристики усилительного прибора, работающего без отсечки тока.

При подаче на вход усилителя сигнала ток в выходной цепи усилительного прибора (для биполярного транзистора и во входной цепи) протекает в течение всего периода входного сигнала. В режиме А амплитуда переменной составляющей выходного тока должна быть равна или меньше тока покоя усилительного прибора. При таком условии среднее значение тока, потребляемого от коллекторного источника питания, будет мало отличаться от тока покоя усилительного прибора.

Режим характеризуется малыми нелинейными искажениями.

Недостатками режима А является сравнительно низкий КПД, который не может быть больше 50%.

В результате потери мощности на активных сопротивлениях КПД усилителя всегда будет меньше 50% и составит для транзисторных усилителей примерно 30-40%.

Режим B

В этом режиме, подавая на управляющий электрод усилительного прибора необходимое напряжение смещения, рабочую точку покоя А выбирают в начале нагрузочной характеристики, при этом усилительный прибор в режиме покоя будет закрыт. При подаче на вход усилителя сигнала ток в выходной цепи (для биполярного транзистора и во входной цепи) протекает только при определенной полярности входного сигнала, т.е. в течение половины периода входного сигнала, и тогда угол отсечки выходного тока Ѳ=90^о.

Углом отсечки называется половина той части периода, выраженная в градусах, в течении которой ток протекает через усилительный прибор.

Основным недостатком режима B являются значительные нелинейные искажения, так как форма выходного сигнала не повторяет форму входного. Искажения могут доходить до 40%.

При отсутствии сигнала в идеальных условиях каскад усилителя, работающий в режиме B, не потребляет мощность от источника сигнала. Теоретически предельное значение КПД режима B не превышает 78%. За счет потерь на активных сопротивлениях схемы КПД режима B меньше 78% и составляет 60-65%.

Режим АВ

Этот режим в отношении расположения рабочей точки покоя А и величины выходного тока покоя является промежуточным между режимами А и В. В режиме АВ на управляющий электрод усилительного прибора подается напряжение смещения такой величины, при котором рабочая точка покоя А будет находиться примерно в том месте, где нижний криволинейный участок характеристики переходит в прямолинейный участок и в выходной цепи усилительного прибора будет протекать ток покоя I_ко, составляющий примерно 10-15% от максимального значения выходного тока I_кm.

При подаче на вход усилителя сигнала, ток в выходной цепи (для биполярных транзисторов и во входной цепи) протекает в течении половины периода при определенной полярности входного сигнала и частично при обратной полярности до момента запирания усилительного элемента

За счет этого угол отсечки выходного тока Ѳ>90^о. из-за наличия небольшого тока покоя КПД режима АВ несколько меньше КПД режима В и составляет примерно 50%. Режим АВ, так же как и режим В, применяется только в двухтактных схемах усилителей.

В режиме АВ величина коэффициента гармоник несколько ниже, чем в усилителе, работающем в режиме В.

Для уменьшения нелинейных искажений в двухтактных усилителях, работающих в режиме В или АВ, применяются отрицательная обратная связь.

R

б2

б1

б1

б2