Частотные характеристики усилителя

Частотные свойства усилителя описываются амплитудно-частотной и фазочастотной характеристиками, которые формируются в линейном режиме усилителя.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) — зависимость модуля коэффициента усиления от частоты K_r(J) = U_mx JU_{BX т} при U_{KX я} = U_{iK muaKt} ⁼ const.

Фазочастотная характеристика (ФЧХ) — зависимость разности фаз выходного и входного напряжений усилителя Av|/(f) = vj/_ивых — i_Ubx от частоты синусоидального входного сигнала при его постоянной амплитуде.

Обычно обе частотные характеристики получают одновременно в одном эксперименте.

Частотные характеристики позволяют избежать искажения формы выходного сигнала, связанные с ошибкой при выборе усилителя, в котором гармонические составляющие, содержащиеся в сигнале, будут усиливаться неодинаково. Нарушение этого требования приводит к искажениям, которые называются линейными.

Для обсуждения амплитуднои фазочастотных характеристик обратимся к схеме замещения (см. рис. 2.3.7) усилительного каскада, представленного на рис. 2.3.1. По схеме замещения можно получить выражение для комплексного коэффициента усиления и далее для его модуля и аргумента.

Чтобы избежать громоздких вычислений, обсудим влияние сопротивлений отдельных емкостных элементов схемы на вид АЧХ.

Начнем с конденсатора С,. Его реактивное сопротивление X_Ci = 1/(2я/С,). На частоте/ = О Х_сj и источник сигнала оказывается отключенным от входа усилителя: K_v (0) = 0. При увеличении частоты реактивное сопротивление X_Ci уменьшается.

Комплексное напряжение С/_БЭ," равно U_B3m= U_{BX m}R_BX/(R_BX ~jX_c), а его модуль.

Отсюда следует, что U_B3m возрастает при росте частоты. При R_BX

напряжение 11_{БЭ т} достигает максимума U_{nx т} и стабилизируется. Подобные же изменения происходят и с током базы, так как /_{г> т} = U_{B3 m}/h_xv Выходное напряжение пропорционально току базы: ?/_{ВЬ1Х т} ~ /_{п т}. Поэтому K_V(J) — 1_{Ъ т}. Отсюда следует, что для исключения влияния сопротивления элемента С, должно выполняться условие.

Аналогичное влияние на К_и оказывает реактивное сопротивление элемента С₂. По линейной схеме замещения сопротивление этого элемента уменьшает выходное напряжение, гак как он включен последовательно с резистором нагрузки. Поэтому, чтобы исключить его влияние, надо выполнить условие.

В правильно спроектированном усилителе емкости конденсаторов С, и С₂ выбираются таким образом, чтобы сопротивления конденсаторов были меньше, чем, соответственно, входное сопротивление усилительного каскада и сопротивление нагрузки на самой низкой частоте сигнала.

Элемент С_п, в отличие от С₂, включен параллельно R_u. Поэтому его влияние противоположное. Уменьшение сопротивления Х_с> приводит к уменьшению амплитуды выходного напряжения усилителя и_{вых т}.

Совместное влияние реактивных сопротивлений конденсаторов С, С₂ и С_п формирует АЧХ, приведенную на скриншоте с модели EWB на рис. 2.3.9.

Рис. 23.9. Амплитудно-частотная характеристика усилителя напряжения.

(EWB)

АЧХ получена при U_Bxm = 1 мВ. График построен для амплитуды U_Bblxm. Численно он совпадает с коэффициентом усиления К_и. Из графика АЧХ следует, что имеются три области частот, которые различаются значениями выходного напряжения и характером зависимости: низкие, средние и высокие. В области низких частот поведение кривой объясняется влиянием реактивных сопротивлений конденсаторов С, и С₂. Граница этой области установлена вертикальной линией, которая пересекает АЧХ на уровне 0,707t/_{BbIX тмакс} = 147 мВ (пунктирная линия). Это значение частоты называется нижней граничной частотой/_{ф н} = 80 Гц. /7_{ВЫХ тмакс} = 208 мВ — максимальное напряжение в области средних частот (штрихпунктирная линия). Средняя область ограничена справа верхней граничной частотой f _в = 47,5 МГц так же на уровне 0,707{/_{вых тмакс} = 147 мВ. Рабочей областью усилителя является область средних частот. Область высоких частот, где выходное напряжение уменьшается до нуля, формируется под влиянием реактивного сопротивления конденсатора С_п.

Критерий для уровня 0,707 = 1/ л/2 соответствует передаче половины мощности сигнала.

Заметим, что график АЧХ построен в логарифмическом масштабе по частоте и в линейном — по напряжению (коэффициенту усиления). Часто функцию АЧХ строят в логарифмическом масштабе в децибелах: K_irj6 = = 201og (U_BKXm/U_Bxm).

В этом случае критерием для определения будет уровень на граничных частотах К_илБгр = К_ЦлБшкс — 3 дБ. На рис. 2.3.10 при тех же значениях граничных частот K_UjAmK = 46,4 дБ, К_{идЪ гр} = 43,4 дБ.

Рис. 2.3.10. Амплитудно-частотная характеристика усилителя напряжения в логарифмических масштабах (EWB).

Фазочастотная характеристика (ФЧХ) однозначно связана с АЧХ. В большинстве случаев, если качество ФЧХ удовлетворительное, то ФЧХ можно не анализировать. Идеальная ФЧХ — прямая линия в отрицательной области, проходящая через нуль.

Упражнение 2.3.3*.

Па рис. 2.3.11, а —г приведены четыре варианта двух АЧХ, полученных при исходных значениях емкостей в линейной схеме замещения усилителя на рис. 2.3.6 (кривая 1) и после изменения в два раза емкости одного из элементов С, или С_и (кривая 2).

Выбрать для каждого из представленных вариантов правильный вариант ответа:

• 1) увеличена С,;
• 2) уменьшена С,;
• 3) увеличена С";
• 4) уменьшена С_и.

Рис. 23.11. К упражнению 2.3.3