АЭУ - аналоговое электронное устройство

ПОС - положительная обратная связь

ООС - отрицательная обратная связь

КОС - комбинированная обратная связь

ОС - обратная связь

УПТ - усилитель постоянного тока

ОБ - схема включения транзистора с общей базой

1.1 Классификация аналоговых электронных устройств

Аналоговые электронные устройства (АЭУ) предназначены для усиления и обработки сигналов, к которым относятся сигналы, изменяющиеся по тому же закону, что и описываемые ими физические процессы. аналоговый электронный усилитель транзистор

Усилением называется процесс управления энергией, получаемой от местного источника питания при помощи значительно меньшей управляющей энергии, поступающей от источника сигналов.

Таким образом, усиление - это процесс преобразования энергии местного источника, вызываемый действием сигнала и сопровождающийся увеличением его мощности.

Управляющая мощность называется мощностью возбуждения усилителя или входной мощностью , управляемая мощность представляет собой мощность, потребляемую от источника питания . Часть потребляемой мощности, отдаваемая во внешнюю цепь, представляет собой выходную мощность . Входная мощность , получаемая от источника возбуждения, например, микрофона, характеризует уровень сигнала так же, как и выходная мощность , отдаваемая нагрузке, например, громкоговорителю. Назначением усилителя, таким образом, является повышение мощности источника сигнала путем использования его энергии для управления более мощным источником, питающим усилитель.

В отличие от пассивной цепи, например, транзистора, коэффициент усиления мощности усилителя всегда превышает единицу, т.е.

.

Возможно и энергетическое рассмотрение усилителя. Усилитель рассматривается как устройство, управляющее потоком энергии от источника энергии (аккумулятор, выпрямитель) к нагрузке. Управление энергией происходит по закону, определяемому входным сигналом S_BX, в результате чего в нагрузке выделяется мощность Р₂, соответствующая сигналу S_BЫХ. Часть мощности источника энергии Р_п составляют тепловые потери в самом усилителе. Энергетический баланс изображенной на рис. 1.1 схемы выражается равенством . Величина представляет собой КПД усилителя, который, естественно, всегда меньше единицы.

Рис. 1.1. Энергетическое представление усилителя

На энергетической схеме усилитель представляется пассивным элементом цепи.

В электронном усилителе усиление по мощности обычно сопровождается усилением по напряжению и усилением по току. Однако в некоторых случаях усиление по напряжению или усиление по току может отсутствовать, в то время как усиление по мощности, являясь выражением существа работы усилителя, имеет место во всех случаях.

Различают электронные усилители низкой и высокой частоты. Под усилителями низкой частоты условно понимают усилители, предназначенные для усиления естественного (не преобразованного) спектра сигналов. Для таких усилителей отношение высшей и низшей частот рабочего диапазона f_B/ f_H имеет порядок от десятков до 10⁵...10⁶. Под усилителями высокой частоты понимают усилители, предназначенные для усиления спектров модулированных радиосигналов. Для таких усилителей отношение f_B/f_H обычно не превышает 1,1.

К усилителям низкой частоты относятся усилители звуковой частоты (обычно отождествляемые с усилителями низкой частоты), широкополосные усилители гармонических колебаний, импульсные усилители различного назначения, в том числе видеоусилители, усилители постоянного тока, для которых f_H = 0, низкочастотные избирательные усилители.

Частотный спектр усилителей звуковых частот соответствует диапазону слышимых звуковых колебаний и характеризуется пределами 30...12000Гц.

Широкополосные усилители гармонических колебаний, применяемые в основном в измерительной аппаратуре (широкополосные генераторы, вольтметры, осциллографы и т.д.), рассчитываются на работу в полосе частот от десятков герц до нескольких единиц или десятков мегагерц.

Спектр частот, необходимый для неискаженного усиления различного рода импульсов, зависит от их формы и длительности. В частности, для видеоусилителей необходимый спектр частот имеет тот же порядок, что и для широкополосных усилителей гармонических колебаний.

Высокочастотные усилители с резонансными контурами или полосовыми фильтрами представляют собой в основном усилители высокочастотных трактов радиопередающих и радиоприемных устройств различного назначения (усилители высокой и промежуточной частот).

В настоящем пособии рассматриваются основы теории и расчета усилителей низкой частоты на транзисторах.

1.2 Принципы построения аналоговых электронных устройств

Обычно усиление, получаемое от одного активного усилительного элемента (транзистора, электронной лампы), оказывается недостаточным и тогда используют более развитой усилитель, состоящий из нескольких активных усилительных элементов и элементов связи. Элементами связи могут быть сопротивления, переходные устройства, цепи питания, цепи стабилизации исходного режима работы. Активный усилительный элемент с относящимися к нему элементами связи называется каскадом. Усилитель может состоять из нескольких каскадов, каждый из которых выполняет строго определенные функции. На рис. 1.2 представлена типовая структурная схема усилителя, состоящего из четырех каскадов. В этом усилителе два каскада предварительного усиления (КПУ1 и КПУ2), предоконечный каскад (ПОК) и оконечный каскад (ОК) работающий на нагрузку (Н).

Рис. 1.2. Типовая структурная схема усилителя

Все каскады охвачены петлей общей отрицательной обратной связи (ООС). Входной сигнал поступает от источника сигналов (ИС). Основное назначение каскадов предварительного усиления - как можно большее усиление по напряжению. Эти каскады работают в режиме малого сигнала, т.е. в линейном режиме. К ним также предъявляются требования обеспечения равномерной амплитудно-частотной характеристики и требуемого по техническому заданию динамического диапазона. Предоконечный каскад (ПОК) обеспечивает на своем выходе сигнал как по напряжению, так и по мощности достаточный для возбуждения транзисторов оконечного каскада. Иными словами, он должен иметь значительное усиление по напряжению и по мощности. Этот каскад работает в режиме достаточно большого сигнала. Оконечный каскад (ОК) выделяет в нагрузку (Н) полезную мощность благодаря огромному усилению по мощности Кр = n(10...1000).

Усилительные элементы этого каскада работают в режиме большого сигнала, т.е. в нелинейном режиме, в связи с чем к оконечному каскаду предъявляются требования по обеспечению требуемых по техническому заданию нелинейных искажений. Вносимые оконечным и отчасти предоконечным каскадами искажения могут быть уменьшены, если усилитель охватить петлей общей отрицательной обратной связи (ООС).

1.3 Основные энергетические показатели усилителя и количественная оценка усиления

Частотные искажения обусловлены частотной зависимостью коэффициента передачи усилителя, что приводит к изменению соотношений амплитуд и начальных фаз составляющих частотного спектра сигнала на выходе по сравнению с их соотношениями на входе усилителя. В результате форма усиливаемого сигнала искажается.

Причиной образования частотных искажений является наличие в схеме усилителя реактивных элементов (емкостей, индуктивностей), приводящее к зависимости от частоты напряжений и токов в цепях усилителя.

Частотной характеристикой усилителя называется зависимость его коэффициента передачи от частоты при постоянстве напряжения на входе, т.е. и при Больший практический интерес представляют искажения напряжения, поскольку режим работы элементов нагрузки усилителя определяется обычно напряжением, а не током. Имея это в виду, опустим индексы коэффициента передачи, указывающие на его принадлежность к напряжению.

Частотная характеристика строится в прямоугольной системе координат, по вертикальной оси в линейном масштабе откладывают К в абсолютных или логарифмических единицах, а по горизонтальной оси - частоту f в герцах или угловую частоту в логарифмическом масштабе. Необходимость применения логарифмического масштаба по оси частот вызывается широким частотным диапазоном современных усилителей.

Типичная амплитудно-частотная характеристика усилителя приведена на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Амплитудно-частотная характеристика усилителя

На рис. 1.4 К_н, К_в и К₀ - значения коэффициента усиления на низшей, высшей и средней частотах диапазона (под средней частотой f₀ подразумевается частота наибольшего усиления, обычно близкая к ). Идеальная АЧХ усилителя, соответствующая отсутствию вносимых усилителем искажений, представляет собой прямую, параллельную оси абсцисс. При отклонении реальной характеристики от идеальной возникают частотные искажения. Как видно из рисунка 1.4, в области средних частот (с.ч.) реальная характеристика совпадает с идеальной, что и свидетельствует об отсутствии искажений в этой области.

На основании характеристики, изображенной на рис. 1.4, могут быть определены амплитудно-частотные искажения. Количественная оценка этих искажений может производиться посредством коэффициента частотных искажений

где К - коэффициент усиления на частоте (К_н или К_в), для которой определяются искажения. В частных случаях для частот f_H и f_B

Чаще для оценки частотных искажений, вносимых усилителем, пользуются относительным или нормированным усилениемОчевидно, что

Изменение усиления, определяемое коэффициентами Миу, может быть выражено в логарифмических единицах. Эта величина, называемая неравномерностью усиления, находится как

(1.8)

Из рис. 1.4 видно, что для идеальной АЧХ на всех частотах диапазона М = 1, у = 1 или Y = 0.

Рассмотрим схему резистивного каскада при включении транзистора с общим эмиттером (ОЭ), рис. 1.5.

Рис. 1.5. Резистивный каскад с ОЭ

Для того, чтобы яснее представлять себе работу каскада ОЭ на разных частотах диапазона, проанализируем схемы замещения этого каскада в области средних, низших и высших частот. Эти схемы представлены на рис. 1.6.

Схема замещения в области низших частот приведена без учета влияния цепи С_эR_э, так как емкостное сопротивление конденсатора С_э на всех частотах, вплоть до самой низкой, во много раз больше сопротивления R_э. В то же время влиянием емкости С_э пренебречь нельзя, так как по мере уменьшения частоты ее емкостное сопротивление увеличивается и падение напряжения на нем также возрастает, что приводит к уменьшению напряжения на нагрузке R_H и спаду частотной характеристики, обусловленному перераспределением напряжений между и RH. На схеме замещения в области высших частот (рис. 1.6, в) отсутствует емкость С_с, так как в этой области частот ее емкостное сопротивление ничтожно мало и им можно пренебречь, но параллельно R_н оказывается подключенной емкость С₀, включающая в себя емкость коллекторного р-n перехода С_к и емкость монтажа С_м. По мере увеличения частоты ее емкостное сопротивление уменьшается и начинает шунтировать сопротивление нагрузки, в результате общее эквивалентное сопротивление уменьшается, что и приводит к уменьшению напряжения на выходе и спаду АЧХ в области верхних частот.

В области средних частот, как это видно из схемы рис. 1.6, а, отсутствуют реактивные элементы, то есть, нет частотно-зависимых сопротивлений, чем и обусловлена неизменность усиления на этих частотах.

Рис. 1.6. Схемы замещения резистивного каскада ОЭ: а) в области средних частот; б) в области низших частот; в) в области высших частот.

1.4.2 Фазочастотные искажения

На рис. 1.7 проиллюстрированы фазочастотные искажения. Входной сигнал (кривая 3) состоит из двух гармонических составляющих 1 и 2, причем вторая гармоника отстает от первой на (рис. 1.7, а). В процессе усиления изменилось фазовое соотношение между гармоническими составляющими, и вторая гармоника стала совпадать по фазе с первой, в результате форма кривой сигнала на выходе (рис. 1.7, б) изменилась (кривая 3).

Фазовый сдвиг между выходным и входным напряжениями усилителя равен алгебраической сумме фазовых сдвигов, создаваемых отдельными каскадами

Рис. 1.7. Изменение формы сигнала, обусловленное фазочастотными искажениями

Это свойство вытекает их того положения, что коэффициент передачи усилителя равен произведению коэффициентов передачи отдельных каскадов

При постоянном значении коэффициента усиления форма кривой сигнала не искажается, если фазовый угол изменяется прямо пропорционально частоте, т.е.

где а - любое постоянное число, включая нуль.

Это уравнение и является уравнением идеальной фазовой характеристики. Действительно, если на входе усилителя поддерживается напряжение

то напряжение на выходе будет изменяться по закону:

т.е.

Последнее равенство показывает, что независимо от частоты выходное напряжение опережает входное при а > 0 или отстает от него при а < 0 на некоторое время фазового пробега , при этом взаимное расположение синусоид различных частот, а, следовательно, и форма кривой не подвергается изменению.

Так как напряжение на выходе не может возникнуть раньше, чем на входе, то при существовании зависимости всегда . Следовательно, если , то единственной причиной линейных искажений импульсных сигналов является отступление от уравнения идеальной фазовой характеристики.

Фазовой характеристикой называют зависимость угла сдвига фазы между выходным и входным напряжением от частоты, т.е. зависимость аргумента относительного усиления от частоты. При построении фазовой характеристики масштаб обеих осей берут обычно линейным. Положительные значения , откладываемые вверх по вертикальной оси, соответствуют опережению входного напряжения выходным, отрицательные, откладываемые вниз, - отставанию выходного напряжения от входного.

Так как идеальной фазовой характеристикой усилителя, соответствующей отсутствию вносимых усилителем фазовых искажений, является прямая, проходящая через начало координат под любым углом к горизонтальной оси, то и вносимые усилителем фазовые искажения оцениваются не абсолютным значением угла сдвига фазы , вносимого усилителем, а разностью ординат, фазовой характеристики и касательной к ней, проведенной через начало координат. Из графика рис. 1.8, а видно, что в области низких частот проходящая через начало координат касательная к фазовой характеристике совпадает с горизонтальной осью, и поэтому мерой искажений на низких частотах является абсолютное значение вносимого усилителем угла сдвига фазы ф_н, т.е. В области верхних частот фазовые искажения значительно меньше вносимого усилителем угла сдвига фазы (рис. 1.8, б).

Рис. 1.8. Фазочастотная характеристика в области нижних и верхних частот

Иногда бывает удобно пользоваться амплитудно-фазовой характеристикой, связывающей в одну зависимость изменения коэффициента усиления и фазового сдвига , происходящие при изменении f от 0 до . Амплитудно-фазовая характеристика К = Ф() строится в полярной системе координат (рис. 1.9) посредством векторов, абсолютные значения которых равны К, а углы наклона по отношению к оси начала отсчетов (положительное направление оси абсцисс) равны . При этом частотная характеристика коэффициента передачи представляет собой геометрическое место точек концов вектора К, имеющего начало в точке 0 и определенного для различных частот (f₁, f₂, f₃, …). На рис. 1.9 f₀ - средняя частота, коэффициент усиления на которой, равен К₀.

Как видно из рис. 1.9, , с другой стороны, из 1.4 относительное усиление , т.е. (1.9)

Рис. 1.9. Амплитудно-фазовая характеристика

Выражение (1.9) устанавливает связь между амплитудно- и фазочастотной характеристиками для рассматриваемого случая и показывает, что при изменении относительного усиления у от 1 до 0 угол изменяется в пределах от 0 до

1.4.3 Переходные искажения

Переходные искажения характеризуют изменения формы сигнала, вносимые усилителем в переходном режиме. Они определяются как отклонения реальной переходной характеристики усилителя от идеальной. Переходная характеристика представляет собой зависимость мгновенных значений выходного напряжения, тока или соответствующих коэффициентов усиления от времени при подведении ко входу усилителя стандартного сигнала, называемого единичной функцией.

Подведение сигнала стандартной формы необходимо для того, чтобы свойства различных усилителей в переходном режиме рассматривались при одинаковых условиях, что обеспечит сопоставимость полученных результатов. Этот стандартный сигнал должен быть выбран с таким расчетом, чтобы наилучшим образом выявить искажения формы сигнала, вносимые усилителем в переходном режиме (переходные искажения). Таким сигналом и является единичная функция l(t), представляющая собой мгновенный единичный перепад напряжения (или тока) на входе усилителя (рис. 1.10, а).

Очевидно, что при совмещении момента перепада с началом координат для всех значений t < 0 l(t) = 0, а для всех значений t > 0 l(t) = 1. На рис. 1.10, б изображена идеальная переходная характеристика в области малых времен. Эта характеристика имеет ту же форму мгновенного перепада, что и входной сигнал, и отличается от него только увеличенной амплитудой перепада , где К₀ - установившееся значение коэффициента усиления идеального усилителя, а также сдвигом момента перепада на величину фазовой постоянной в направлении запаздывания. Поскольку форма сигнала на выходе усилителя в рассмотренном идеальном случае остается неизменной, переходные искажения отсутствуют.

Рис. 1.10. Стандартный сигнал (а) и идеальная переходная характеристика усилителя для области малых времен (б)

Переходная характеристика реального усилителя отличается от идеальной, так как наличие в схеме усилителя реактивных элементов и соответственно внутренних запасов энергии (энергия электрического поля емкостей, магнитного поля индуктивностей) приводит к постепенному переходу от прежнего энергетического состояния к новому, вызываемому действием рассматриваемого стандартного сигнала. Вследствие этого происходит также постепенное изменение переходного коэффициента усиления.

Так как обычно время нарастания переднего фронта и время образования спада T_i отличаются очень значительно, то для показа фронта и плоской вершины переходной характеристики приходится использовать два отдельных графика с масштабами времени, отличающимися на несколько порядков. В связи с этим целесообразно разбить переходную характеристику на два участка: участок малых времен или передний фронт переходной характеристики, и участок больших времен или ее плоскую часть (вершину).

Реальная переходная характеристика в области малых времен может быть апериодической (рис. 1.11, кривая а) или в случае, если на переходный процесс накладываются резонансные явления, может иметь периодический (колебательный) характер (рис. 1.11, кривая б).

В обоих случаях при переходный коэффициент усиления где К₀ - установившееся значение коэффициента усиления. Практически K(t) оказывается близким к К₀ уже в конце участка малых времен.

В целях обобщения часто используют нормированную переходную характеристику, представляющую собой зависимость

Здесь обобщенное время, причем является постоянной времени цепи, определяющей форму переходной характеристики.

Рис. 1.11. Переходная характеристика в области малых времен

На рис. 1.12 приведены нормированные переходные характеристики для участка малых времен и для случаев апериодического (кривая а) и колебательного (кривая б) устанавливающегося процесса. Очевидно, что в обоих случаях относительная величина переходного коэффициента усиления y(t) стремится к единице.

Искажения переднего фронта оцениваются длительностью фронта t_Ф (называемой также временем установления). В случае колебательного устанавливающегося процесса они характеризуются также относительными величинами выбросов Нв1, Нв2,... и впадин Нвп1, Нвп2, … . Поскольку полная длительность фронта (соответствующая нарастанию y(t) от 0 до 1) теоретически равна бесконечности, величину t_Ф принято определять для изменения y(t) в пределах от d до 1-d, где d равно 0,1 или 0,05. Определение длительности фронта показано на рис. 1.12 (t_Фа для апериодической переходной характеристики а и t_Фб для колебательной переходной характеристики б). Там же показаны относительные величины первого (наибольшего) выброса и первой (наибольшей) впадины для характеристики б. Величины Hв₁ и Нвп₁ выражают обычно в процентах.

Рис. 1.12. Нормированная переходная характеристика для участка малых времен

Рис. 1.13. Нормированная переходная характеристика для участка больших времен

На рис. 1.13 изображена нормированная переходная характеристика для участка больших времен (плоская часть характеристики), построенная для участка времени, имеющего порядок интересующей нас длительности импульса и превышающего представленный на рис. 1.12 передний фронт в сотни и более раз.

Искажения плоской части характеристики измеряют относительными величинами подъема и спада . Здесь у_max и y_min наибольшее и наименьшее значения в пределах плоской части характеристики.

Переходные искажения оказывают влияние на качество воспроизведения звуковых передач. Поэтому для высококачественных усилителей звуковых частот, помимо частотных, регламентируют также и переходные искажения. Величина to для этих усилителей не должна превышать 5...15мкс. Однако наиболее существенное значение переходные искажения имеют для импульсных усилителей, в том числе для усилителей видеосигналов. Так, при слишком большой длительности фронта to в телевизионном изображении размываются мелкие детали, стираются резкие границы яркости, понижается также четкость работы импульсных устройств других назначений. Обычно необходимо стремиться, чтобы , где Т_{u min} - минимальная длительность усиливаемого импульса, что по абсолютной величине может составлять десятки или даже единицы наносекунд.

При больших значениях выбросов и впадин в телевизионном изображении происходит подчеркивание мелких деталей, образуются светлые и темные полосы (окантовка) вдоль контуров изображения. Поэтому в видеоусилителях необходимо выдерживать

Переходные искажения так же, как и частотные, определяются при малых уровнях входного сигнала, соответствующих линейной области работы усилителя. Причиной переходных искажений в области малых времен для усилителя, изображенного на рис. 1.5, является наличие емкости С₀, а в области больших времен - емкости С_с.

1.4.4 Связь между переходной и частотной характеристиками

Из сказанного выше следует, что и частотные и переходные искажения представляют собой линейные искажения, вызываемые одной и той же причиной (наличие в схеме усилителя реактивных элементов), но одни (частотные) проявляются в установившемся режиме, а другие - в устанавливающемся или переходном режиме работы усилителя.

Из теории электрических цепей известно, что связь между временной и частотной характеристиками линейной цепи устанавливается посредством интеграла Фурье и имеет в символической форме записи вид:

(1.10а)

или

(1.10б)

в зависимости от того, какая из характеристик является заданной и какая - искомой. Здесь f(t) - непериодическая функция времени, описывающая переходный процесс в рассматриваемой цепи, F()- соответствующая спектральная функция.

Спектральная функция F() непериодической функции времени f(t) является, как известно, сплошной (непрерывной) и представляет собой частотную зависимость комплексной амплитуды бесконечно малого участка спектра шириной около частоты .

Если под непериодической функцией времени f(t) понимать переходную характеристику усилителя, то частотный спектр F() должен соответствовать подведению ко входу усилителя единичной функции и учитывать искажающее воздействие на нее исследуемого усилителя.

Другими словами, необходимо, чтобы частотный спектр

где - частотный спектр единичной функции, а - частотная характеристика усилителя, определяемая его коэффициентом передачи К().

Известно, что

Таким образом, выражение (1.10а) может быть представлено в виде:

(1.11)

определяющем зависимость между переходной f(t) и частотной К() характеристиками усилителя.

Приведенная связь между характеристиками позволяет определить поведение усилителя в переходном режиме, если известна его частотная характеристика. Может быть показано, что крутизна переднего фронта переходной характеристики возрастает (уменьшение t_Ф) по мере расширения полосы равномерно усиливаемых высоких частот, а протяженность плоской части этой характеристики, ограничиваемая допустимой величиной спада , возрастает по мере расширения полосы равномерно усиливаемых низких частот диапазона. Другими словами, чем лучше частотная характеристика усилителя, тем более совершенной является его переходная характеристика.

Из сказанного следует, что анализ и расчет усилителя могут производиться как частотным, так и временным методом. В случае применения частотного метода целью расчета является получение требуемого усиления в заданном диапазоне частот при допустимых частотных искажениях. При использовании временного метода целью расчета является получение требуемого усиления при допустимых переходных искажениях (длительность фронта, выбросы, подъем и спад плоской части характеристики).

В принципе оба метода равноценны. Однако очевидно, что при расчете усилителей непрерывных колебаний (аналоговых сигналов), работа которых частично или полностью относится к установившемуся режиму, удобнее пользоваться частотным методом, в то время как при расчете усилителей, сигналы которых представляют собой последовательность ряда кратковременных непериодических импульсов, удобнее применять временной метод. В случае необходимости всегда может быть осуществим переход от одного метода исследования к другому.

1.4.5 Нелинейные искажения

Особенностью нелинейных искажений является такое искажение формы сигнала, при котором в его спектре появляются новые частотные составляющие.

Нелинейность усилителя вызывается наличием в нем нелинейных элементов (транзисторы, лампы, трансформаторы, диоды). Нелинейный элемент содержит нелинейные параметры (входные сопротивления транзисторов, диодов, динамическая магнитная проницаемость материала сердечника трансформатора).

Нелинейные искажения оцениваются на основе динамической характеристики, представляющей собой зависимость между мгновенными значениями токов или напряжений на выходе и входе усилителя. Динамическая характеристика определяется для больших пределов изменения сигналов, приводящих к заходу в области нелинейных зависимостей между напряжениями и токами.

Различают следующие виды динамических характеристик:

1.Выходная динамическая характеристика типа

2.Входная динамическая характеристика типа

3.Проходная динамическая характеристика типа

4.Сквозная динамическая характеристика типа

Здесь i₂ и u₂ - мгновенные значения токов и напряжений на выходе, i₁ и u₁ - мгновенные значения токов и напряжений на входе, e₁ - ЭДС источника сигналов на входе усилителя.

В качестве примера рассмотрим типичную по форме проходную характеристику используемую часто для расчета нелинейных искажений (рис. 1.14, а).

Рис. 1.14. Проходные динамические характеристики:

а) реальная, б) идеальная

Динамическая характеристика, соответствующая отсутствию вносимых усилителем искажений приведена на рис. 1.14, а.

При отклонении динамической характеристики от прямолинейной возникают нелинейные искажения. Основные нелинейные искажения вносят оконечные и предоконечные каскады, активные усилительные элементы в которых работают в режиме большого сигнала.

Методы количественной оценки нелинейных искажений

Величина нелинейных искажений может определяться:

1.непосредственно по форме динамической характеристики;

2.по спектру образующихся нелинейных искажений (гармоники, комбинационные частоты).

При оценке нелинейных искажений по первому способу, используемому в телевидении, величина искажений определяется отношением среднего изменения крутизны динамической характеристики, происходящего при колебаниях напряжения сигнала в пределах от u_{1 max} до u_{1 min}, к исходному значению крутизны при u_{1 0}, равному tg , что соответствует коэффициенту нелинейных искажений

(1.12)

Сказанное поясняется рисунком 1.15.

Рис. 1.15. Определение нелинейных искажений по форме динамической характеристики

При оценке нелинейных искажений по второму способу необходимо предположить, что:

а) входной сигнал представляет собой установившееся гармоническое колебание определенной частоты;

б) входной сигнал представляет собой установившиеся периодические колебания сложной формы.

Случаи (а) и (б) существенно отличаются как по характеру образующихся нелинейных искажений, так и в отношении методики их расчета и измерений.

В случае (а) вследствие нелинейности усилителя, помимо колебаний с частотой сигнала на входе образуются колебания гармоник с частотами , и т.д. При этом величина нелинейных искажений определяется коэффициентом гармоник К_г, представляющим собой отношение суммарного действующего значения напряжения (или тока) гармоник к напряжению (или току) основной частоты.

Обычно коэффициент гармоник выражается в процентах таким образом:

(1.13)

или

(1.14)

Очевидно, что значение К_г не изменяется, если вместо действующих значений напряжений или токов подставить в эти выражения их амплитудные значения. При чисто активном характере сопротивления нагрузки усилителя коэффициент гармоник, найденный из выражений (1.13) и (1.14), имеет одно и то же значение, так как напряжения и токи всех гармоник связаны между собой неизменной величиной сопротивления. При комплексном характере сопротивления нагрузки значения К_г, найденные из указанных выражений, получаются различными, и следует использовать (1.13) или (1.14) в зависимости от того, что является в рассматриваемом случае существенным - нелинейные искажения напряжения или тока.

В любом случае коэффициент гармоник может быть выражен через отношение суммарной мощности гармоник к мощности основной частоты, т.е.

(1.15)

Допустимая величина коэффициента гармоник для усилителей звуковой частоты в зависимости от качества соответствующего тракта воспроизведения колеблется в пределах от 0,1% до (3...5)%. Особенно жесткие требования в отношении нелинейных искажений предъявляются к усилителям измерительной аппаратуры (К_г порядка сотых и тысячных долей процента). В телевизионных усилителях нелинейные искажения, приводящие к изменению соотношения яркостей, могут быть значительной величины (Кг = 10... 15%), не оказывая существенного влияния на качество изображения. То же относится и к импульсным усилителям, использующим к тому же в ряде случаев ограничение сигналов по максимуму.

1.4.6 Помехи и шумы

Помехи и шумы, образующиеся в цепях усилителя, могут значительно снижать качество его работы, так как они искажают форму сигналов и обнаруживаются в паузах между сигналами.

Искажение формы сигналов может получиться как за счет непосредственного наложения напряжения помех и шумов на напряжение сигнала, так и путем модуляции сигнала шумом в нелинейных цепях усилителя.

Различают следующие виды помех и шумов:

1. Тепловые шумы (во входных цепях усилителя);

2. Шумы усилительных элементов (флуктуационные, дробовые, полупроводниковые и др.);

3. Шумы контактного и пробойного происхождения;

4. Помехи за счет источников питания усилителя (фон);

5. Помехи за счет влияния внешних полей;

6. Помехи от механических вибраций (микрофонный эффект).

В усилителях с относительно небольшой чувствительностью, имеющих минимальное входное напряжение сигнала порядка единиц милливольт, снижение относительной величины помех и шумов до допустимого значения не представляет труда при надлежащем качестве деталей и монтажа, фильтрации питающих напряжений, экранировании цепей и деталей, а также амортизации деталей и шасси усилителя.

Однако по мере увеличения чувствительности усилителя трудности обеспечения его необходимой помехозащищенностью растут. Это относится в особенности к тепловым и флуктуационным шумам. Причем, очевидно, что определяющими являются тепловые шумы входных цепей усилителя и шумы первого активного усилительного элемента (транзистора, лампы), т.е. шумы в звеньях усилителя с наименьшими величинами сигнала. Именно эти шумы, принципиально неустранимые и допускающие снижение в относительно небольших пределах, ограничивают увеличение чувствительности усилителей.

Для количественной оценки общей величины шумов усилителя определяют его относительный уровень шумов

(1.16)

Здесь U_ш и Р_ш - общие величины напряжения и мощности шумов и помех, вызываемых всеми действующими и перечисленными выше причинами. U_{c max} и Р_{с шах} - максимальное напряжение и мощность сигнала. Все перечисленные величины относятся к выходу усилителя.

Для высококачественных усилителей звуковых частот относительный уровень шумов Н_ш не должен превышать (-70)дБ. Такого же порядка должна быть величина Н_ш и для высококачественного телевизионного или измерительного усилителя.

Динамический диапазон

Динамический диапазон характеризует предел изменения напряжения и мощности в рассматриваемой цепи и измеряется как

(1.17)

Относя максимальные и минимальные значения напряжения и мощности сигнала к их величинам, принимаемым за начальные (например, к стандартным начальным величинам Р_н = 1мВт и U_н = 0,775 эфф.В), получаем, что

(1.18)

Таким образом, динамический диапазон может быть определен как разность между максимальным А_{с max} и минимальным А_{с min} значениями уровней напряжения или мощности сигнала в рассматриваемой цепи.

Существенное значение в отношении работы усилителя имеет естественный динамический диапазон источника сигналов, т.е. динамический диапазон изменений напряжения или мощности на входе усилителя. Строго говоря, к усилителю следовало бы предъявить требование неискаженной работы в пределах всего этого диапазона. Однако естественный динамический диапазон сигнала в ряде случаев весьма велик.

Так, динамический диапазон сигнала при звуковой передаче, определяемый диапазоном изменения громкостей, составляет для речи до 50 дБ, а для музыки (симфонический оркестр) до 75 дБ. Динамический диапазон сигнала при телевизионной передаче, определяемый диапазоном изменения яркостей изображения, составляет примерно 60 дБ.

Неискаженное усиление в пределах динамического диапазона источника сигналов ограничивается со стороны высоких уровней передачи мощностью и нелинейными искажениями, а со стороны низких уровней - собственными шумами усилителя.

2. Свойства усилителей с обратной связью

На рис 2.7 приведена структурная схема обратной связи по напряжению последовательного типа. Как видно из рисунка 2.7, цепь b представлена делителем Z_BZ_A.

Выходное сопротивление любого реального источника ЭДС и, в частности, усилителя может быть обнаружено только при протекании тока через источник. Поэтому коэффициент передачи К' и выходное сопротивление Z'_ВЫХ усилителя, охваченного обратной связью, удобно определить из зависимости выходного тока I₂ от входного напряжения усилителя U_BX. Изобразим схемы замещения выходной цепи усилителя, не охваченного обратной связью по напряжению (рис.2.8, а) и охваченного обратной связью по напряжению (рис. 2.8, б). На схеме рис. 2.8, б К'_хх и Z'_ВЫХ - эквивалентные параметры выходной цепи при наличии обратной связи. Для нахождения этих эквивалентных параметров нужно перейти от напряжения U_BX к напряжению U₁ т.к. изменение коэффициента усиления за счет обратной связи можно обнаружить только по отношению к напряжению U₁.