Фазо-частотная характеристика (ФЧХ)

ФЧХ (рисунок1.2,б) – это зависимость сдвига фазы сигнала от частоты f , – это угол между входным и выходным сигналом.

1.3.5 Амплитудная характеристика при постоянной частоте (рисунок 1.3).

Здесь в точке А при U_выхmin= U_помех. В точке B на входе U_вхmin,когда сигнал можно различить на фоне помех. На участке ВС имеет место линейное усиление, то есть форма сигнала не меняется. В точке С начинается нелинейное усиление, U_выхmaxограничивается заданным уровнем нелинейных искажений.

Амплитудная характеристика дает возможность оценить предельное значение амплитуды входного сигнала, соответствующее границе линейного усиления. По этой характеристике определяется динамический диапазон усилителя D

D_дБ=20 lg(U_вхmax /U_вхmin).

На участке CD нелинейные искажения возникают за счет нелинейности характеристик транзистора и проявляются в искажении формы сигнала, которые оцениваются коэффициентом нелинейных искаженийn или клирфактором , где U₂, U₃ – высшие гармоники, U₁ – первая гармоника (полезная). В спектре выходного сигнала появляются новые высшие гармоники, которые искажают сигнал.

Усилитель передает на выход не только усиленный полезный сигнал, но и нежелательные колебания, возникающие внутри него, и поэтому называются собственными помехами. Основными из них являются фон, наводки, тепловые шумы резисторов и элементов с активными потерями, шумы усилительных элементов.

1.3.6 Коэффициент полезного действия усилителя h – отношение номинальной выходной мощности, отдаваемой в нагрузку, к суммарной мощности, потребляемой им от всех источников питания h =Р_н/Р_S

2 Лекция 2. Классы усиления и обратные связи в усилителях

Содержание лекции:

– классы усиления усилителя;

–обратные связи в усилителях.

Цели лекции:

–изучить классы усиления усилителя;

–изучить влияние обратных связей в усилителях.

2.1 Классы усиления усилителя

Различаются классы: А, В, АВ, С. Рассмотрим их на работе усилителя (рисунок 2.1).

2.1.1 Класс усиления А

Начальная рабочая точка (р.т.) А выбирается на середине линейного участка сквозной динамической характеристики (СДХ) i_к=f(e_г) (рисунок 2.2,а). Для задания р.т. на базу транзистора подается смещение Е_см.. Допустим, на вход подан сигнал

(рисунок 2.2 .б).

Тогда. На рисунке 2.2,в показано изменение тока коллектора, на рисунке 2.2,г – I_кR_к, а на рисунке 2.2,д – изменение напряжение на выходе U_к=Е_к ‑ I_кR_к.

Ток коллектора носит непрерывный характер. Входной сигнал должен быть таким, чтобы крайние положения рабочей точки не выходили за пределы линейного участка СДХ, т.е. за MN .

Следует обратить внимание на то, что ток коллектора совпадает по фазе с входным сигналом, выходной сигнал в противофазе с входным.

В классе А низкий коэффициент нелинейных искажений, но и низкий к.п.д. .

Класс А применяется:

– в каскадах предварительного усиления;

– в предоконечных каскадах;

– в RC-генераторах синусоидального напряжения;

– в любой схеме, где недопустимы нелинейные искажения.

2.1.2 Класс усиления B.

Начальная рабочая точка B выбирается в точке запирания транзистора. Ток коллектора носит импульсный характер. Угол, при котором прекращается ток коллектора, называется углом отсечки q. При идеальном режиме, т.е. при прямолинейном характере СДХ ток покоя коллектора равен нулю, q = 90°.

Этот режим характеризуется высоким к.п.д. , но и высоким коэффициентом нелинейных искажений.

2.1.3 Класс усиления АB.

Режим класса АВ является промежуточным между А и В. Начальная р.т. выбирается в точке пересечения линеаризованной СДХ с осью абсцисс. Для этого подается смещение Е_см на базу. Угол отсечки токаколлектора q > 90°. Часть синусоиды на выходе отсекается, но меньше, чем в классе В, поэтому искажения меньше, чем в классе В, но больше, чем в классе А (n_А < n_АВ < n_В). Кпд h = 0,5 (h_А < h_АВ< h_В).

Используется:

– в однотактных усилителях при резонансном усилении узкой полосы частот, при усилении импульсных сигналов одной полярности;

– в двухтактных усилителях мощности.

2.1.3 Класс усиления С.

В этом режиме начальная рабочая точка выбирается левее начала СДХ. При отсутствии входного сигнала ток коллектора равен нулю. Угол отсечки коллекторного тока q < 90°. Усиливается только небольшая часть синусоиды. К.п.д. высокий , но и высок коэффициент нелинейных искажений.

Применяется класс С в LC – генераторах. Резонансный контур в коллекторной цепи настраивается на заданную частоту и из широкого спектра частот, который имеет срезанная синусоида, выделяется нужная.

2.1.3 Класс усиления С.

Режим Д, или ключевой режим работы транзистора, состоит в том, что на его вход подаются прямоугольные импульсы большой амплитуды, полностью запирающие и отпирающие транзистор. Усилительный элемент всегда находится в одном из двух крайних состояний: «полностью открытом» (падение напряжения между выходными электродами близко к нулю) или «полностью закрытом» (ток в выходной цепи близок к нулю). Поэтому потери энергии в транзисторе всегда ничтожно малы. Режим Д позволяет получить в усилителе очень высокий КПД. Но повышение КПД усилителей класса Д происходит за счет ухудшения других показателей.

2.2 Обратные связи в усилителях

2.2.1 Виды обратных связей

Процесс передачи сигналов в усилительных трактах в направлении, обратном основному, т. е. с выхода на вход, называется обратной связью (ОС), а цепь, по которой осуществляется эта передача, – цепью обратной связи (рисунок 2.3). Здесь – коэффициент усиления усилителя; – коэффициент передачи звена обратной связи.

Различают обратные связи:

– внутреннюю – обусловлена физическими свойствами и конструкцией активного элемента;

– внешнюю – вводятся специальные цепи обратной связи;

– паразитную – возникает помимо желания разработчика. Это индуктивная, емкостная и гальваническая связь между цепями, создающая пути для обратной передачи энергии. Её стараются устранять введением специальных схем.

Цепь ОС с частью схемы усилителя, которую она охватывает и образует замкнутый контур, называется петлей ОС.

В зависимости от количества петель ОС различают однопетлевую и многопетлевую ОС. Петли ОС могут быть независимыми, а также частично или полностью входить одна в другую. Если в петле ОС, охватывающий усилитель или его часть, имеются петли, охватывающие один каскад, их называют местными ОС. ОС, которая охватывает все каскады усиления или пару каскадов, называется общей ОС.

Введение ОС в усилитель позволяет создавать усилители с необходимыми свойствами, а также новые классы электронных схем с разными функциями.

ОС к входу и выходу подключается разными способами. От способа снятия ОС с выхода различают:

а) ОС по току и напряжению:

если ОС снимается с или с и U_ос изменяется пропорционально выходному напряжению, то это ОС по напряжению. ЕслиОС снимаетсяссопротивления, последовательного и изменение напряжения обратной связи пропорционально изменению тока, то это ОС по току.

б) ОС параллельная и последовательная:

параллельная ОС имеет место, если напряжение ОС подается на вход усилителя параллельно источнику сигнала . Если ОСподключается к входу усилителя последовательно с источником сигнала , то имеется последовательная ОС;

в) ОС положительная и отрицательная:

в общем случае, с учетом влияния реактивных элементов для усилителя (рисунок 2.3) можно записать . Поделим на U_вых

. Тогда можно записать . Отсюда определим коэффициент усиления усилителя с обратной связью

где ;

; ,

j_к – угол сдвига фазы между U _вых и U _вх усилителя;

j_ос – угол сдвига фазы между U _выхос и U _вхос._.

Если (глубина ОС) – вещественная и положительная, то обратная связь положительная. При этом , j_к +j_ос =0.

Если – вещественная и отрицательная, то обратная связь отрицательная, , j_к +j_ос = π.

Положительная обратная связь (ПОС) увеличивает коэффициент усиления по напряжению (фазы входного сигнала усилителя и сигнала ОС совпадают), а отрицательная обратная связь (ООС) – уменьшает К (фазы названных сигналов противоположны).

В усилительной технике в основном применяют ООС, которая

увеличивает: полосу пропускания ; динамический диапазон усиления Д; при последовательной ОС; при ОС по току;

уменьшает: коэффициент усиления К; нестабильность ; нелинейные и линейные искажения; при параллельной ОС; при ОСпо напряжению.

Подытоживая сказанное, можно сделать следующие выводы:

- введение цепи ОС может изменить основные параметры усилительного устройства как количественно, так и качественно;

- введение цепей ООС и ПОС, как правило имеет противоположное воздействие на параметры усилителя;

- способы введения и снятия сигналов ОС могут влиять на характер воздействия обратной связи на параметры усилителя.

3 Лекция 3. Обеспечение режима работы усилителя

Содержание лекции:

– способы обеспечения смещения рабочей точки усилителя;

– стабилизация режима в усилительном каскаде.

Цели лекции:

– изучить виды смещения рабочей точки;

–изучить способы стабилизации режима работы усилительного каскада.

3.1 Способы обеспечения смещения рабочей точки усилителя

Режим работы транзистора характеризуется начальным положением рабочей точки (р.т.) на линии нагрузки или на сквозной динамической характеристике в режиме покоя, т.е. при отсутствии входного сигнала.

Начальное положение рабочей точки задается величиной тока во входной цепи или напряжением смещения.

Наибольшее распространение имеют независимое смещение и от коллекторного питания. Независимое смещение (рисунок 3.1) от Е_см через R_б используется в усилителях мощности, в импульсных схемах.