Общий принцип усиления колебаний

Для выявления принципа усиления сигналов рассмотрим замкнутую цепь из источника постоянного напряжения Е, нагрузочного резистора R" и управляемого резистора Ry, сопротивление которого изменяется с помощью сигнала ис (рис. 1, я). Изменение Ry приведет к изменению тока / в этой цепи. Так как ток / в цепи протекает в одном направлении (/ > 0), выделим:

=> постоянную составляющую тока /₀, которая вызывает отбор мощности Ро = ELо от источника постоянного напряжения Е

=> переменную составляющую тока /", которая создает в нагрузочном резисторе R" мощность полезного сигнала.

Рис. I. Принцип усиления сигналов (а) и его реализация (б).

При изменении значения R_y в пределах от <�" до 0 ток / изменяется от 0 до ?//?," что соответствует изменению мгновенной мощности в нагрузочном.

резисторе R_H от 0 до E²iR_u. Отсюда следует, что для увеличения мощности сигнала в нагрузочном резисторе следует расширять пределы изменения сопротивления управляемого резистора R_y, увеличивать напряжение источника Е и уменьшать нагрузочное сопротивление R_w Так как функции сигнала м_с сводятся лишь к изменению значения сопротивления управляемого резистора /?_у, на что принципиально нс требуется затрат мощности, в нагрузочном резисторе R_H можно получить уровень мощности, значительно превышающий уровень мощности источника сигналов и_с.

Таким образом, принцип усиления мощности сигналов базируется на управлении сопротивлением резистора R_y в цени источника постоянного напряжения Е большой мощности с помощью маломощного источника входного сигнала и_С9 благодаря чему мощность отбирается от источника Е и передается в нагрузку R_H.

Функции управляемого резистора выполняют транзисторы (рис. 1, б). Для создания требуемого режима работы транзистора в схему усилителя вводят дополнительные элементы (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и др.). Транзистор вместе с источником питания и дополнительными элементами образует собственно усилитель, или усилительный каскад, к которому подключаются источник сигналов и нагрузка. Соединив последовательно отдельные каскады, можно построить многокаскадный усилитель. Принципы построения усилительных схем рассмотрены в параграфе 9.4.

Показатели усилителя. Усилитель является передаточным звеном, которое можно представить в виде линейного четырехполюсника. Свойства усилителя и качество его работы оценивается по показателям, полученным в результате тестирования. Тестовым сигналом для аналоговых усилителей выбирают гармоническое колебание (и|), так как при прохождении через линейный четырехполюсник оно сохраняет свою форму (и2), изменяя при этом амплитуду и претерпевая временной сдвиг (рис. 2, а, б).

Усилительный каскад следует рассматривать с трех точек зрения:

=> для источника сигналов усилитель является нагрузкой, поэтому представляет интерес его входное сопротивление или проводимость;

=> для нагрузки усилитель служит источником сигналов, поэтому следует знать его параметры как источника (например, ЭДС и внутреннее сопротивление);

=> как передаточное звено усилитель характеризуется коэффициентом усиления (передачи) напряжения и тока.

Рис. 2. Прохождение гармонического сигнала (а) через линейную цепь (б) и нелинейную цепь с двухсторонним ограничением (в) Частотные характеристики и искажения. Используя комплексную форму представления гармонических колебаний, можно сформировать такие важные показатели усилительного каскада в линейном режиме, как входные сопротивление и мощность, выходная мощность, коэффициенты усиления (передачи) напряжения и тока. Зависимости показателей от частоты со тестового сигнала называются частотными характеристиками. Среди этих зависимостей наиболее важной является зависимость коэффициента усиления напряжения от частоты АГ (со) схр /ср (со), где:

=> К (со) — амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), представляющая собой зависимость отношения амплитуд выходного и входного напряжений (UJV1) от частоты со усиливаемого сигнала;

=> ср (со) — фазочастотная характеристика (ФЧХ), или зависимость фазового сдвига (р между выходным и входным напряжениями от частоты со.

На рис. 3 изображены АЧХ и ФЧХ широкополосного и резонансного усилителей.

Рис. 3. АЧХ и ФЧХ широкополосного (а) и резонансного (б) усилителей.

По АХЧ и ФЧХ широкополосных усилителей оцениваются линейные искажения, обусловленные зависимостью сопротивления линейных реактивных элементов от частоты. Идеальной АЧХ является прямая линия, параллельная оси абсцисс. Усилитель с идеальной АЧХ имеет постоянный коэффициент усиления на всех частотах. Реальная АЧХ позволяет определить рабочий диапазон и амплитудно-частотные искажения. Рабочим диапазоном называют полосу частот F_miH -5- F_Mакс, в пределах которой модуль коэффициента усиления не выходит за пределы заданных допусков. Например, рабочий диапазон усилителей для телефонии составляет 0,3−5-3,4 кГц. Идеальной ФЧХ является прямая линия, проходящая под любым углом через начало координат: ф (со) = где Т_г= const. В этом случае выходное гармоническое напряжение.

с любой частотой ои получает задержку относительно входного на время Т₃. Следовательно, усиливаемый сигнал, представляющий собой сумму гармонических колебаний, сохраняет свою форму на выходе усилителя, однако сдвигается во времени на T_v Оценку фазочастотных искажений производят по отклонению фазового угла (р от идеальной ФЧХ. Для широкополосных резистивных усилителей идеальная ФЧХ совпадает с осью абсцисс, т. е. Г, = 0. Поэтому для оценки искажений служат фазовые углы ф_н, ф_в (рис. 3,а). Искажения в нижней части рабочего диапазона обусловлены наличием в усилителе разделительных (по постоянному току) эле;

ментов, в верхней части — паразитными емкостями транзисторов и нагрузки. Следует отметить, что фазовые искажения звуковых колебаний не воспринимаются человеческим ухом, однако при усилении видеосигналов они приводят к искажению засветки экрана.

Для резонансных усилителей АЧХ (рис. 3,6) позволяет:

=> оценить неравномерность усиления в полосе пропускания приемника, приводящую к амплитудно-частотным искажениям звуковых колебаний после детектирования;

=> определить ослабление сигнала при заданной расстройке относительно резонансной частоты (Do колебательного контура.

Идеальная АЧХ для оценки указанных параметров должна иметь П-образную форму. По ФЧХ (рис. 3,6) можно оценить так же, как и для широкополосных усилителей, фазовые искажения, вносимые усилителем. Идеальной ФЧХ является прямая, проходящая под углом через Шо;

Нелинейные искажения. При увеличении амплитуды входного напряжения синусоидальной формы наблюдается искажение формы выходного напряжения. Это обстоятельство вызвано нелинейностью вольт-амперных характеристик транзистора. Увеличение напряжения на базе транзистора вводит его в режим насыщения, в котором ток и напряжение на коллекторе транзистора остаются неизменными. При уменьшении напряжения на базе транзистор переходит в режим отсечки. В этом режиме ток через транзистор не протекает. Поэтому при очень больших амплитудах входного напряжения выходное напряжение имеет форму, близкую к прямоугольным импульсам (рис. 2, в). Искажение формы гармонического напряжения при усилении, обусловленное нелинейностью вольт-амперных характеристик транзисторов, принято называть нелинейными искажениями.

В широкополосных усилителях нелинейные искажения сопровождаются появлением высших гармоник в выходном напряжении. Поэтому для их оценки используют коэффициент гармоник, представляющий собой следующее отношение:

где ½, 1* Pi, u ?/2,2, Р2.2, ?А, з" Р2,3″^2.4, ?А, 4—амплитуды выходного напряжения и выходная мощность 1-й, 2-й, 3-й, 4-й и т. д. гармоник, причем ^2/i⁼ 0,5Lt₂JR_n R" — сопротивление нагрузки усилителя.

Как следует из (1), нелинейные искажения, по сути дела, оцениваются отношением суммы активных мощностей всех высших гармоник к мощности основной частоты.

Амплитудная характеристика. Амплитудной характеристикой называют зависимость амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного (рис. 4). Она не проходит через начало координат из-за наличия собственных шумов С/_ш усилителя и имеет область насыщения или ограничения амплитуды выходного напряжения, что обусловлено нелинейными свойствами транзисторов. Амплитудная характеристика позволяет определить:

Рис. 4. Амплитудная характеристика усилителя.

=> коэффициент усиления (по наклону);

=> динамический диапазон D = (/|_MaKC/t/_]MHH усилителя;

=> максимальную амплитуду входного напряжения, при которой в усилителе не проявляются нелинейные искажения.