3.8.2. Ачх и фчх при обратной связи

Пусть УУ до введения ОС имеет АЧХ вида:

Примем во внимание

– глубина ОС или возвратная разность.

Таким образом, на . Поэтому коэффициент усиления упадет.

Значит уменьшение при введении ОС согласно формуле на , , и будет неодинаковым, так как глубина обратной связи на и меньше чем .

Из построения вывод: введенная частотно независимая ООС улучшает АЧХ, делает ее более горизонтальной. То есть менее заметна разница между , , . Если ввести понятие о коэффициенте частотных искажений то можно показать, что при введении ООС: .

4. Усилительные устройства

Усилитель – устройство, которое повышает мощность источников сигнала (микрофон); чтобы усилить энергию сигнала ее надо откуда-то черпать. В общем случае У.С. следует считать преобразователь энергии вторичного источника энергии (источники питания) управляемый энергией первичного источника (источника сигнала) и отдающий потребителю мощность превышающую мощность первичного источника.

Структурная схема работы У.С.

– первичный источник (источник сигнала).

– вторичный источник (источник питания).

– мощность потребителю, которая превышает мощность первичного источника сигнала.

У.Э. преобразующий в энергию источника сигнала и передается потребителю.

У.С., которые используются в Т.К.С. – это электронные усилители. В качестве усилительных элементов используются биполярные или полевые транзисторы, как в дискретном виде, так и в составе интегральных микросхем. У.С. обычно многокаскадные устройства, включающие в себя: входные каскады, каскады предварительного усиления и оконечные (выходные) каскады.

О.К. – оконечные У.С.

П.Р. – каскады предварительного усиления (К.П.У.)

В.Х. – входные каскады У.С.

4.1.1. Предварительные каскады ус

а) Резисторный усилительный каскад.

, , – обеспечивают выбор Р.Т (режим класса А) и температурную стабилизацию; – блокировочный конденсатор, предназначен для предотвращения снижения усиления за счет возникшей ОС, при включении в цепь эмиттера.

Емкость конденсатора должна быть настолько большой, чтобы ее сопротивление для переменных токов (частот усиливаемых сигналов) было пренебрежимо мало.

Схема резисторного каскада на биполярном транзисторе

Схема резисторного каскада на полевом транзисторе

Каскады предварительного усиления сигналов (КПУ) предназначены для усиления электрических сигналов до уровня, необходимого для нормальной работы каскада оконечного усиления. КПУ могут выполнятся, как на БТ так и ПТ. Т.к. от каскадов предварительного усиления обычно требуется значительное усиление сигнала по мощности (в 1000 раз), то для получения возможно меньшего количества каскадов КПУ в составе УС схему отдельного КПУ следует выбирать такой, которая имеет наибольший коэффициент усиления по мощности. По этой причине БТ включают по схеме с общим эмиттером (т.к. в этой схеме есть усиление и по току и по напряжению), а на ПТ-схема с общим истоком. УЭ таких каскадов работают в режиме без отсечки выходного тока (в линейном режиме класса А). Схема включения резисторная (стараются обходиться без трансформаторов, к.т. они громоздкие, нетехнологичные, создают значительные искажения сигналов).

– разделительный конденсатор на входе служит для того чтобы при подключении источника сигнала ко входу не произошло изменение напряжения смещения базы транзистора, т.е. чтобы не произошло изменения р.т.; с другой стороны к базе необходимо от источника сигнала подвести сигнал, поэтому – достаточно большая емкость (чтобы ее сопротивление для переменных составляющих тока сигналов было мало по сравнению с входным сопротивлением каскада).

– разделительный конденсатор, через который усиленный сигнал с коллектора данного транзистора передается на вход следующего каскада (обычно потенциал коллектора данного каскада по не равен потенциалу базы последующего каскада за ним, поэтому при отсутствии разделительного конденсатора коллектор своим высоким потенциалом нарушит напряжение смещения послед. каскада). Для того, чтобы получить расчетные соотношения (выражения для коэффициентов усиления, АЧХ, ФЧХ) необходимо от принципиальной электрической схемы каскада перейти к ее эквивалентной. При составлении эквивалентной схемы БТ заменяют гибридной П-образной эквивалентной схемой Джиаколетто.

Эквивалентная схема в области средних частот (БТ)

;

Обычно анализ эквивалентных схем производиться раздельно: для области средних, нижних и верхних частот.

Для области средних частот можно пренебречь присутствием в схеме реактивных элементов (можно считать что коротит по переменному току и его можно заменить проводником. и тоже заменяем проводниками (т.к. их сопротивление в области средних частот малы). А внутренние емкости транзистора не оказывают влияние на работу БТ в этой области частот.

Дальнейшее преобразование схемы сводиться к сокращению контуров, применяя теорему эквивалентных генераторов.

;

из эквивалентной схемы находим:

;

где .

Эквивалентная схема для нижних частот

Эквивалентную схему для нижних частот получим из полной эквивалентной схемы с учетом того что в области нижних частот нельзя пренебречь влиянием на коэффициент усиления разделительного конденсатора и на выходе .

Для этих схем могут быть получены уравнения для АЧХ в виде:

– относительный коэффициент усиления каскада на нижних частотах.

где – постоянная времени каскада на нижних частотах.

уравнение для АЧХ.

Модуль комплексного относительного коэффициента усиления дает уравнение для АЧХ.

Совершенно аналогично уравнение для АЧХ входной цепи.

, где

Уравнение для ФЧХ , то

График АЧХ для нижних частот

Коэффициент усиления на нижних частотах меньше чем на средних и убывает с уменьшением частоты, т.к. сопротивление разделительных конденсаторов обратно пропорционально частоте.

Значения емкостей разделительных конденсаторов находятся по допустимым значениям коэффициента допустимых частотных искажений.

Чем меньше рабочая частота, тем большим будет значение емкости разделительных конденсаторов.

Дополнительные частотные искажения в каскаде на низких частотах создаются также блокировочными конденсаторами в цепи эмиттера и емкость его рассчитывается:

График ФЧХ для нижних частот

Максимальный фазовый сдвиг .

Эквивалентная схема для верхних частот

Эквивалентная схема для верхних частот резисторного каскада строится так:

Транзистор замещается эквивалентной схемой Джиаколетто.

В области верхних частот можно не учитывать влияние блокировочного и разделительного конденсатора, так как на этих частотах их сопротивления пренебрежимо малы.

Данная схема позволяет получить уравнения для АЧХ и ФЧХ в области высоких частот.

где постоянная времени для ВЧ.

уравнение АЧХ для ВЧ.

Уравнение для ФЧХ

График АЧХ для верхних частот

Из рассмотренных уравнений и графика АЧХ следует что при повышении частоты усиливаемого сигнала от средних к высоким частотам коэффициент усиления каскада убывает и при стремлении частоты в бесконечность стремится к нулю.

А скорость снижения коэффициента усиления зависит от постоянной времени каскада. Чем она больше тем раньше начинается спад усиления на высоких частотах.

По графикам можно определить граничные частоты (на которых коэффициент усиления меньше коэффициента усиления на средних частотах в (на 3 дБ)).

Произведение сквозного коэффициента усиления на средней частоте на верхнюю граничную частоту – это площадь усиления каскада.

Это важный показатель, потому что он характеризует широкополосность усиления.

Чем больше площадь усиления, тем больше полоса усиления.

График ФЧХ на верхних частотах

Максимальный фазовый сдвиг .

Уменьшение коэффициента усиления на верхних частотах можно объяснить инерционными свойствами усилительного элемента, т.е. наличием емкостей коллекторного и эмиттерного перехода.

Выходное напряжение на создается переменной составляющей коллекторного тока . Эмиттерный переход шунтируется емкостью и это шунтирование возрастает с ростом частоты.

Чтобы коэффициент усиления на ВЧ не очень быстро спадал с повышением частоты необходимо чтобы было мало, а это значит что нужно выбирать транзисторы с очень маленькими емкостями коллекторного и эмиттерного переходов.

Уравнение для переходной характеристики

При усилении импульсных сигналов основной характеристикой каскада является его ПХ, причем ПХ называют график зависимости мгновенного значения выходного напряжения от времени при подведении ко входу усилителя сигнала единичной функции.(единичного скачка напряжения или тока).

В нормированном виде:

где

Уравнение для переходной характеристики (ПХ) резисторного каскада в области малых времен получим воспользовавшись выражением для относительного комплексного коэффициента усиления каскада в области верхних частот , произведя замену . Тогда получим изображение ПХ. Затем по изображению найдем оригинал функции, воспользовавшись известной теоремой разложения или таблицами перехода от изображения к оригиналам.

Изображению соответствует оригинал

– уравнение ПХ для малых времен.

График ПХ для области малых времен

ПХ точно отображает форму переднего (заднего) фронтов импульсного сигнала прошедшего через усилитель.

По ПХ в области малых времен определяют важнейшие параметры усилителя, среди которых время установления – время, в течении которого выходное напряжение усилителя изменяется от 0,1 до 0,9 своего установившегося значения .

Время установления связано с постоянной времени соотношением .

Время установления усилителя и верхняя граничная частота связаны между собой .

характеризует искажение переднего фронта. Чем больше , тем больше искажение, и наоборот.

Выброс у резисторного каскада равен 0. Выброс – это превышение выходным напряжением своего установившегося значения.

Уравнение ПХ в области больших времен

Уравнение для ПХ в области больших времен получим воспользовавшись уравнением для комплексного относительного коэффициента усиления , полученное при анализе резисторного каскада символическим методом в области нижних частот. Произведя замену , получим изображение ПХ

По таблицам перехода от изображения к оригиналам найдем

ПХ в области больших времен позволяет определить искажения вершин импульсных сигналов.

Заметим, что искажение вершины происходит из-за присутствия в схеме усилителя элементов, которые плохо пропускают НЧ, Искажения вершины отсутствуют в усилителях постоянного тока.

По уравнению ПХ в области больших времен оценивают величину спада (скола) вершины импульсного сигнала. По определению скол вершины

где – длительность импульсного сигнала.

При малых величинах так как и , может быть представлена как . Чем шире импульс, тем больше спад вершины, и наоборот.