Электроника учебное пособие

ние усилителя ограничено искажениями сигнала, вызванными выходом рабочих точек усилительных каскадов за пределы линейного участка характеристики. Минимально допустимое напряжение обычно ограничено уровнем собственных шумов усилителя, на фоне которых полезный сигнал не удается выделить.

Выходная мощность характеризуется номинальной выходной мощностью. Под ней понимают мощность на выходе усилителя при работе на расчетную нагрузку и заданном коэффициенте гармоник или нелинейных искажений.

Коэффициент полезного действия представляет собой отношение выходной мощности, отдаваемой усилителем в нагрузку, к общей мощности, потребляемой от источника питания:

η = Pвых P0 .

Он характеризует энергетические показатели усилителя.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителя – это за-

висимость модуля коэффициента усиления от частоты входного сигнала

(рис. 7.2, а).

Фазочастотная характеристика (ФЧХ) – зависимость угла сдвига фазы между выходным и входным напряжениями от частоты (рис. 7.2, б).

Амплитудно-фазовая характеристика – это построенная в полярной системе координат зависимость коэффициента усиления и фазового сдвига усилителя от частоты (рис. 7.2, в). Она объединяет в себе амплитудно- и фазочастотные характеристики усилителя и представляет собой годограф комплексного коэффициента K(jω).

Амплитудная характеристика – зависимость амплитудного значения напряжения первой гармоники выходного напряжения от амплитуды синусоидального входного напряжения (рис. 7.2, г).

Переходная характеристика усилителя Uвых (t) – это зависимость мгновенного значения выходного напряжения от времени при единичном скачкообразном изменении входного напряжения. Эта характеристика отражает переходные процессы в схеме и позволяет судить об искажении усиливаемого импульсного сигнала. На практике проще оценивать искажения и сравнивать свойства усилителей, если характеристику пронормиро-

51

вать, т. е. за переходную характеристику принять h(t) = Uвых (t)K0 , где K0 – максимальный коэффициент усиления (рис. 7.2, д).

г) д)

Рис. 7.2. Характеристики усилителя: а – амплитудно-частотная; б – фазочастотная; в – амплитудно-фазовая; г – амплитудная; д – переходная

Нелинейными искажениями называются искажения формы выходного сигнала, вызванные нелинейностью ВАХ активных приборов, используемых в усилителе. Нелинейные искажения приводят к появлению на выходе усилителя напряжений и токов с частотами, являющимися высшими гармониками составляющих входного сигнала, которых не было в спектре входного колебания. При усилении гармонического сигнала нелинейные искажения принято оценивать коэффициентом гармоник (коэффициентом нелинейных искажений)

Kг = P2 + P3 + ... + Pn 100% ,

P1

где P2 , P3 ... Pn – мощности второй, третьей и т.д. гармоник выходного тока.

При чисто резистивной нагрузке усилителя отношение мощностей можно заменить отношением квадратов амплитуд напряжений или токов, тогда

52

Рабочий диапазон частот (полоса пропускания, диапазон пропускания частот и т.д.) – полоса частот от низшей рабочей частоты ωн до высшей ωв , в пределах которой коэффициент усиления или коэффициент преобразования усилителя не выходит за пределы заданных допусков. Если к усилителю не предъявляются специальные требования, то рабочий диапазон частот определяют на уровне 3 дБ. Это диапазон от низшей частоты ωн до высшей ωв , на котором коэффициент усиления не уменьшается ниже уровня 3дБ относительно своего значения на средней частоте, т.е. в 1,41 раза (см. рис. 7.2, а).

§ 7.2. КЛАССЫ УСИЛЕНИЯ

Усилители электрических сигналов чаще всего выполняют на биполярных или полевых транзисторах, а также на электронных лампах, туннельных диодах и других приборах, имеющих на вольтамперной характеристике участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Независимо от типов активных электронных приборов, применяемых в усилителе, принцип усиления остается единым и сводится к тому, что в цепи, в состав которой входит активный электронный прибор, устанавливаются определенные постоянные токи. Этот режим работы называют статическим. Он характеризуется постоянным падением напряжения на компонентах, входящих в состав усилительного каскада. При подаче сигнала переменного тока на управляющие электроды активного прибора ток в цепи начинает изменяться в соответствии с приложенным сигналом. Этот переменный ток создает переменное падение напряжения на компонентах, входящих в состав усилительного каскада.

В зависимости от постоянного тока и падения напряжения на активном приборе усилительного каскада, а также от значения входного усиливаемого сигнала режимы работы усилителей принято делить на следующие классы: A, B, AB, C и D.

53

54

для мощных устройств, выполняемых на маломощных усилительных элементах.

§ 7.3. ВЫБОР И СТАБИЛИЗАЦИЯ РАБОЧЕЙ ТОЧКИ

Трем возможным схемам включения транзисторов соответствуют три основных типа усилительных каскадов: с общим эмиттером (рис. 7.7); с общей базой; с общим коллектором. Различные многокаскадные усилители и каскадные схемы считаются комбинациями перечисленных усилитель-

рехполюсником. В режиме А исходная рабочая точка (РТ) должна находиться в активной (рабочей) области ВАХ транзистора. Рабочая область на семействе выходных ВАХ биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ, ограничена линиями, отделяющими область насыщения, отсечки, и линиями допустимых значений коллекторного тока Iк.доп , коллекторного

напряжения Uк.доп и рассеиваемой мощности Pк.доп (рис. 7.8, а). В облас-

тях насыщения и отсечки транзистор теряет усилительные свойства, превышение Uк.доп и Pк.доп приводит к выводу транзистора из строя, а пре-

вышение Iк.доп значительно ухудшает усилительные свойства. Нерабочие

области заштрихованы.

Для того чтобы выбрать РТ в случае биполярного транзистора, нужно задать I0к , U0кэ , I0б и U0бэ . Ток I0б и напряжение U0бэ однозначно связаны, как это следует из ВАХ (рис. 7.8, б). Выбор РТ начинают с опре-

56

57

Рассмотренная схема установки рабочей точки требует двух источников питания и на практике не используется. Обеспечить выбранный режим при использовании только одного источника питания можно с помощью схем, представленных на рис. 7.10.

в) г)

Рис. 7.10. Схемы стабилизации РТ: а – с фиксированным током базы; б – коллекторная стабилизация; в – на основе делителя напряжения; г – эмиттерная стабилизация

Схема с фиксированным током базы (рис. 7.10, а). Здесь необходи-

мые значения начальных токов I0к и I0б обеспечиваются выбором сопротивлений Rк и Rб соответственно. Используя второй закон Кирхгофа, можно записать:

откуда ток коллектора определяется по формуле (7.3), а ток базы по фор-

муле (7.4)

58

Уравнение (7.2) описывает линию нагрузки схемы. Поскольку напряжение на эмиттерном переходе U0бэ обычно существенно меньше напряжения питания схемы E0 (U0бэ << E0 ), то ток базы можно определить как

I0б ≈ E0 . Rб

Таким образом, в рассматриваемой схеме ток базы задается величинами E0 и Rб , т.е. является фиксированным. При этом ток коллектора также фиксированная величина

I0к ≈ βI0б .

Однако схему с фиксированным током базы используют редко по следующей причине. Дестабилизирующие факторы влияют на величину коэффициента β , таким образом, для каждого значения β необходимо подбирать соответствующие значения сопротивления Rб для стабилизации

I0к .

Схема с коллекторной стабилизацией (рис. 7.10, б). Данная схема обеспечивает лучшую стабильность рабочей точки за счет использования отрицательной обратной связи по напряжению. Здесь выход схемы (коллектор транзистора) соединен со входом схемы (база транзистора) через сопротивление Rб .

Возникающее при колебании температуры изменение коллекторного тока Iк приводит к изменению напряжения U0кэ на величину

Uк = − Iк Rк ,

а следовательно, и тока базы

Iб = Uк .

Rб

59