Низкочастотные и переходные искажения в усилителях переменного сигнала

На низких частотах выполнить условия пренебрежимо малого значения сопротивления конденсаторов С_р и С_б не удается, в результате чего в каскаде возникают низкочастотные искажения, и при прохождении прямоугольного импульса большой длительности происходит спад его вершины, возникающий из-за того, что каскад не способен передавать постоянные напряжения. Для снижения этих искажений требуется увеличение емкостей конденсаторов С_р и С_б, что не всегда выполнимо из конструктивных и экономических соображений. Поэтому номиналы емкостей этих конденсаторов выбирают исходя из предельно допустимых частотных или переходных искажений.

Рассмотрим принципы выбора минимально возможного значения емкостей конденсаторов С_р и С_б, при котором спад АЧХ усилителя в разделительной цепи из-за плохого шунтирующего действия блокировочного конденсатора С_б не превысит заданных значении e_р и e_б соответственно.

По мере понижения частоты и перехода в низкочастотную область сопротивление конденсатора повышается, и, хотя при этом напряжение u₁ растет, общее выходное напряжение u₂ рассматриваемой цепи падает. Эквивалентная схема рис. 4.8 имеет достаточно широкую применимость. В частности, она может быть использована при рассмотрении особенностей работы и частотных искажений в области низких частот схемы рис. 2.5,б, если в соответствии с рис. 4.8,а в качестве источника сигнального тока принят ток , в качестве резистора R2 – двухполюсник , а качестве R1 – параллельное соединение и .

Нормированная АЧХ разделительной цепи определяется соотношением

, (4.12)

где t_р=С_р(R1+R2) – постоянная времени разделительной цепи. На основании (4.12) можно сформулировать требования к значениям емкости конденсатора С_р, при которых на нижней граничной частоте спад нормированной АЧХ не превышал бы :

,

где .

В схемах рис. 4.7 конденсаторы С_б в области низких чаете не могут оказать достаточного блокирующего действия, в результате цепь заземления общего провода УП не имеет нулевого сопротивления и схемы ОЭ, ОК. и ОБ выступают в роли схем рис. 4.6, т. е. каскадов ОЭ_f, ОК_f и ОБ_f. В них

, (4.13)

где R_f – резистивное сопротивление внешней по отношению к транзистору цепи, шунтируемой конденсатором С_б; – постоянная времени блокирующей цепи. Для схемы ОЭ_f (рис. 4.7,а) R_f=R , для ОК_f (рис. 4.7,б) R_f=R_к, для ОБ_f (рис. 4.7,в) R_f=R_дел, где .

Из-за ненулевого значения сопротивления Z_f в области низких частот коэффициенты усиления каскадов (рис. 4.7) в этой области частот меньше номинальных К₀ в F раз, при этом параметры имеют комплексный характер ( ), а нормированная АЧХ дополнительный спад e_б. Ход основных частотных зависимостей согласно (4.11) и (4.13) определяется соотношениями

(4.14а)

Для схем ОЭ_f и ОИ_f g=g₁₁, для ОК_f и ОИ_f g=g₂₂, для ОБ_f и ОЗ_f g=g₁₁. На рис. 4.9 приведены построенные в соответствии с (4.14а) графики АЧХ для схемы ОЭ_f. Обычно , вследствие чего наиболее заметно рассматриваемые процессы проявляются в каскадах ОЭ и ОИ, в меньшей степени в схеме ОБ и практически незаметны при включениях ОЗ, ОК и ОС. Поэтому выбор номиналов блокировочных конденсаторов на основании допустимых значений ее осуществляют только при построении схем ОЭ, ОИ и ОБ. Соотношения для выбора значения емкости конденсора С_б по допустимым частотным искажениям, оцениваемым: параметром e_б. вытекают из (4.14а). При этом

- для включений ОЭ и ОИ: (4.14 б)

- для включения ОБ: (4.14 в)

Соотношения (4.14б) и (4.14в) используются при оценках предельных значений емкостей конденсаторов С_б, обеспечивающих приемлемый уровень низкочастотных искажений.

В любом усилительном каскаде, не являющемся УПТ, т. е. с АЧХ, имеющей спад в области низких частот, возникают переходные искажения. Эти искажения связаны с тем, что усилители переменных сигналов не способны передавать постоянные и медленно меняющиеся сигнальные напряжения. В частности, если в схеме рис. 4.8 сигнальный ток i_с или сигнальная ЭДС Е_с имеет вид cкачка, то напряжение u₂ на выходе разделительной цепи будет изменяться по экспоненциальному закону, а именно , где – значение напряжения на выходе разделительной цепи в момент начала действия импульсного сигнала. График напряжения u₂(t) приведен на рис. 4.10. При конечной длительности t_и прямоугольного импульса к моменту его окончания вершина импульса претерпевает спад

, (4.15)

где f_0,7 – нижняя граница полосы пропускания разделительной цепи, определенная по уровню d=0,7.