Основные характеристики усилительных устройств.

Зависимость коэффициента усиления от частоты входного сигнала К=F(f) принято называть амплитудно-частотной (частотной) характеристикой (АЧХ). Она изображена на рис. 10.5,а. Идеальная АЧХ параллельна оси частот.

Реально, гармонические составляющие входного сигнала усиливаются усилителем неодинаково, поскольку реактивные сопротивления элементов схемы по разному зависят от частоты. Частоты усиления, на которых

коэффициент усиления уменьшается в раз или на 3 дБ по сравнению со средней частотой, называют граничными частотами: нижняя fн и верхняя fв; разность частот

fв −fн =∆f называют полосой пропускания.

Частотные искажения в усилителе всегда сопровождаются наличием сдвига фаз между входным и выходным сигналами, что вызывает появление фазовых искажений. Под фазовыми искажениями подразумевают сдвиги фаз, вызванные реактивными элементами усилителя, а поворот фазы усилительным каскадом не учитывается.

Фазовые искажения усилителя оцениваются его фазочастотной характеристикой ϕ=F(f). График фазочастотной характеристики представляет собой зависимость угла сдвига фазы между входным и выходным напряжениями усилителя от частоты (рис. 10.5,б). Фазовые искажения в усилителе отсутствуют, когда фазовый сдвиг линейно зависит от частоты. Идеальной фазочастотной характеристикой является прямая линия, начинающаяся в начале координат (рис. 10.5,б пунктирная линия).

Амплитудная характеристика отражает зависимость амплитудного значения первой гармоники выходного напряжения от амплитуды синусоидального входного напряжения Uвых = f(Uвх) (рис. 10.6). Амплитудная характеристика не проходит через начало координат ввиду наличия на выходе напряжения собственных помех и шумов усилителя. Участок характеристики ниже точки А не используется, ибо полезный сигнал трудно отличить от напряжения собственных помех и шумов. На участке АВ коэффициент усиления – величина постоянная, и этим участком амплитудной характеристики определяется динамический диапазон усилителя. Кроме того, с помощью линейного участка характеристики можно определить коэффициент усиления по напряжению. Выше точки В линейность зависимости выходного напряжения от входного сигнала нарушается, в выходном напряжении появляются дополнительные частотные составляющие, возникают нелинейные искажения. Причиной является ограничение максимального напряжения одной или обеих полуволн выходного сигнала. Эти

ограничения обычно наступают в оконечных каскадах усилителя, работающих при

наибольшем входном сигнале. Амплитудная характеристика обладает хорошей наглядностью и позволяет качественно определить: коэффициент усиления; динамический диапазон; минимальные и максимальные допустимые значения входного сигнала; уровень собственных шумов.

Переходная характеристика выражает зависимость от времени выходного напряжения усилителя, на вход которого подан мгновенный скачок напряжения (рис. 10.7). Эта характеристика определяет процесс перехода усилителя из одного состояния в другое. Скачкообразное изменение входного напряжения позволяет выяснить реакцию усилителя на это воздействие сразу в двух режимах: переходном и стационарном. Характер переходного процесса в усилителе во многом зависит от наличия реактивных элементов L, C, которые препятствуют мгновенному изменению тока в индуктивности и напряжения на емкости. Напряжение на выходе не может измениться скачкообразно при подаче на вход импульса. Время, в течение которого фронт нормированной переходной характеристики нарастает от уровня 0,1 до уровня 0,9, называется временем нарастания tнар. Превышение мгновенного значения

напряжения над установившимся называют выбросом δ и выражают в процентах.

Существует так называемое критическое значение выброса, при котором δ не зависит от числа каскадов усилителя.

Неравномерность вершины нормированной переходной характеристики обозначается через ∆, измеряется как и выброс в процентах от стационарного значения и не должна превышать 10 % для усилителей высококачественного воспроизведения.

4. Режимы работы усилительных каскадов: А, В, АВ.

В режиме класса А положение рабочей точки выбирается таким образом, чтобы при движении по линии нагрузки она не заходила в нелинейную начальную область коллекторных характеристик и в область отсечки коллекторного тока. На входной характеристике (рис. 10.17,а) рабочая точка выбирается так, чтобы входной сигнал полностью помещался на линейном участке, а значение тока покоя Iбо располагалось на середине этого линейного участка. Амплитуды переменных составляющих входного Iбm и выходного Iкm токов, появившихся вследствие входного сигнала (рис. 10.17,б), в режиме А не могут превышать токи покоя Iбо и Iко соответственно. Режим класса А характеризуется работой транзистора на почти линейных участках своих вольтамперных характеристик. Это обуславливает минимальные нелинейные искажения сигнала (Kг≤1%). Режим класса А является наименее экономичным, в виду того, что полезной является мощность, выделяемая в выходной цепи за счет переменной составляющей выходного тока. Потребляемая мощность определяется значительно большими величинами постоянных составляющих I ко , U кэо . В связи с этим КПД усилительного каскада в режиме А невелик, всегда меньше 40 %. Режим класса А применяется в тех случаях, когда необходимы минимальные нелинейные искажения, а полезная мощность и КПД не являются решающими, это каскады предварительного усиления и маломощные выходные каскады.

Режим класса В – это режим работы транзистора, при котором ток через него протекает в течение половины периода входного сигнала. Положение рабочей точки на ВАХ транзистора выбирается так, чтобы ток покоя был равен нулю (рис. 10.18). В режиме класса В транзистор открыт лишь в течение половины периода входного сигнала. В этом случае выходной ток имеет форму импульса с углом отсечки θ=90°. Углом отсечки называют половину времени периода входного сигнала, в течение которой транзистор открыт и через него протекает ток. Небольшая мощность, потребляемая каскадом, позволяет получить высокое КПД усилителя в пределах 60…70 %. Режим класса В применяется в двухтактных каскадах, где прекращение протекания тока в одном транзисторе (первом плече) компенсируется появлением тока в другом транзисторе (другом плече каскада). Из-за нелинейности начальных участков характеристик транзисторов форма выходного тока (при малых его значениях) существенно отличается от формы тока, если бы был линейный характер характеристик. В связи с этим режим класса В характеризуется большими нелинейными искажениями сигнала ( K г ≤10%) и этот режим используется преимущественно в мощных двухтактных каскадах усиления, однако в чистом виде его используют сравнительно редко. Чаще в качестве рабочего режима используют промежуточный режим АВ.

Режим класса АВ используется для уменьшения нелинейных искажений усиливаемого сигнала, которые возникают из-за нелинейных начальных участков ВАХ транзисторов (рис. 10.19). При отсутствии входного усиливаемого сигнала в режиме покоя транзистор немного приоткрыт и через него протекает ток, равный 5…15 % максимального тока при заданном входном сигнале. Угол отсечки в режиме класса АВ несколько больше 2 π и достигает 120…130°.

При работе двухтактных каскадов в режиме АВ происходит перекрытие положительной и отрицательной полуволн тока плеч двухтактного каскада, что приводит к компенсации искажений ( K г ≤3% ), полученных за счет нелинейности начальных участков ВАХ транзистора. КПД каскадов, работающих в режиме АВ, выше, чем каскадов в классе А, но меньше чем в классе В за счет наличия малого входного тока покоя I бо .