Учебное пособие: Основные показатели работы усилителей

Как видно из рисунка 3.3, а, при изменении частоты входного сигнала от нуля до бесконечности модуль коэффициента усиления вначале возрастает, достигая постепенно на некоторой частоте максимальной величины К0, а затем вновь уменьшается. Основная причина этих изменений – наличие в схеме реактивных элементов. Причиной частотных искажений является присутствие в схеме усилителя реактивных элементов – конденсаторов, катушек индуктивности, междуэлектродных емкостей усилительных элементов, емкости монтажа и т.п. Зависимость величины реактивного сопротивления от частоты не позволяет получить постоянный коэффициент усиления в широкой полосе частот.

Фазочастотной характеристикой (ФЧХ) называют зависимость фазового сдвига выходного сигнала относительно входного от частоты входного сигнала. Типичный вид фазовой характеристики показан на рисунке 3.3, б. По оси абсцисс откладываются значения частоты входного сигнала в логарифмическом масштабе, а по оси ординат – аргумент комплексного коэффициента усиления усилителя (в градусах или радианах) в линейном масштабе.

На частотах, равных нулю и стремящихся к бесконечности, создаются конечные фазовые сдвиги, так как усилитель имеет в схеме конечное число реактивных элементов. В области средних частот рабочей полосы усилителя фазовые сдвиги, как правило, незначительны; в области нижних и верхних частот фазовые сдвиги возрастают.

Входное и выходное сопротивления. Усилитель можно рассматривать как активный четырехполюсник, к входным зажимам которого подключается источник усиливаемого сигнала, а к выходным – сопротивление нагрузки. На рисунке 3.4. показана одна из возможных эквивалентных схем усилительного каскада, где усилитель (>) представлен в виде четырехполюсника. Источник сигнала (генератор G), подключаемый ко входу усилителя, характеризуется величиной ЭДС Uг. и внутренним сопротивлением Rг. Усилитель одновременно является нагрузкой для источника сигнала и источником сигнала для внешней нагрузки Rн.

При построении схемы использована теорема об эквивалентном источнике, согласно которой любую, сколь угодно сложную схему, всегда можно представить в виде источника напряжения (ЭДС) и включенного последовательно с ним резистора, соответствующего выходному сопротивлению. Это применено при изображении генератора и выходной цепи усилителя. С другой стороны, входную цепь любого каскада всегда можно представить в виде резистора, соответствующего эквивалентному входному сопротивлению такого каскада, что сделано применительно к входной цепи усилителя и нагрузки.

Рисунок 3.4. Усилитель как четырехполюсник

Входное и выходное сопротивления – важнейшие параметры усилительных устройств. Их значения должны учитываться при согласовании усилительного устройства как с источником входного сигнала (датчиком), так и с нагрузкой. В общем виде значения входного и выходного сопротивлений носят комплексный характер и являются функцией частоты. Эти зависимости необходимо учитывать при анализе воздействия на вход усилительного устройства непериодического сигнала, который характеризуется широким спектром гармонических составляющих. На практике обычно для большинства случаев ограничиваются рассмотрением только активных составляющих входного и выходного сопротивлений. Для них справедливы следующие выражения:

Rвх = R1 = (U1 / I1) при Rн – const,

Rвых = U2X / I2K,

где R2X – напряжение холостого хода на выходе усилителя (Rн = ∞); I2К – ток короткого замыкания (Rн = 0).

При практическом использовании усилителей большое значение имеет соотношение величин Rг. и Rвх. Если Rг << Rвх то Uвх »Uг. Если Rг >> Rвх, то Iвх » Iг. Если же Rвх и Rг соизмеримы, то необходимо знать значения их сопротивлений для того, чтобы определить, какой уровень сигнала будет действовать непосредственно на входе усилителя.

Рассмотрим согласование каскадов более подробно. Воспользуемся структурной схемой рисунка 3.4, считая, что на нем изображен один каскад многокаскадного усилителя. Источником сигнала (генератором G) может быть как внешний источник, так и предшествующий каскад. Нагрузкой усилителя может быть не только оконечное устройство (потребитель), но и вход следующего каскада усилителя.

Из рисунка 3.4. видно, что на входе каскада образуется делитель напряжения генератора из резисторов Rвых и Rвх. Напряжение Uвх = Iвх Rвх, откуда

. (3.3)

Из анализа последнего выражения можно сделать вывод, что Uвх, всегда будет меньше Uг. Для согласования каскадов по напряжению необходимо, чтобы (Rвх/(Rг + Rвх)) не намного отличалось от 1. Этого можно добиться, если будет выполняться условие Rвх>>Rг. На практике обычно считают достаточным, чтобы Rвх > 10 Rг. Такое соотношение между Rвх и Rг соответствует согласованию каскадов по напряжению.

Для того чтобы обеспечить согласование генератора сигнала и усилителя по току, необходимо обеспечить условие Rвых >> Rвх.

При идеальном согласовании каскадов по напряжению или по току мощность, передаваемая на вход последующего каскада, равна нулю, т.к при таких согласованиях или входной ток, или входное напряжение будет равно нулю, следовательно, будет равна нулю в обоих случаях и входная мощность. Если же необходимо согласовывать каскады по максимуму передаваемой мощности, то условие согласования будут иным.

Входная мощность, поступающая на вход каскада, равна Pвх = Uвх * Iвх. Выразив Uвх и Iвх через величины рисунка 3.4. получим:

(3.4)

Для нахождения максимума Рвх в зависимости от соотношений между Rвх и Rвых, найдем частную производную дРвх / дRвх и приравняем ее нулю. После простых преобразований можно получить, что экстремум Pвх достигается, если Rвх = Rг. При таком соотношении между входным и выходным сопротивлениями достигается максимум передачи мощности, при этом, подставив полученное соотношение в (3.4), можно получить: Pвх= Uвх2 / 4 Rвх или Pвх = Pг /2.

Выходное сопротивление усилителя, как указывалось выше, комплексно, но для большинства практических рассмотрений можно считать его активным Rвых Сопротивление нагрузки усилителя в общем случае обозначается Rн. Для практического использования усилителей большое значение имеет соотношение величин Rвых и Rн аналогичное соотношению величин Rг и Rвх во входной цепи. Очевидно, если Rн >> Rвых, то в выходной цепи обеспечивается согласование по напряжению (работа в режиме холостого хода), а при Rн << Rвых – режим согласования по току (работа в режиме короткого замыкания). При равенстве этих величин обеспечивается максимальная передача мощности в нагрузку.

Как пример рассмотренного на рисунке 3.5. показана эквивалентная схема трехкаскадного усилителя, на которой каждый каскад представлен активным четырехполюсником.

Искажения в усилителях. При усилении электрических сигналов могут произойти искажение сигнала. Под искажениями понимают изменение формы сигнала на выходе по сравнению с формой сигнала на входе. При этом изменение величины сигнала в результате его усиления (ослабления) не учитывают.

Существуют довольно много причин, а в соответствии с ними, и типов искажений. Наиболее важными из них являются частотные, фазовые искажения и нелинейные.

Частотными называются искажения, обусловленные изменением величины коэффициента усиления на различных частотах.

Предположим, что входной сигнал содержит три частотных составляющих:

.