А.С. Белокопытов, К.С. Ржевкин, А.А. Белов, А.С. Логгинов, Ю.И. Кузнецов, И.В. Иванов - Основы радиофизики (1119801), страница 37
Текст из файла (страница 37)
6.1,в), как правило, служит емкость обратно смещенного р — п-перехода, величина которой меняется под действием усиливаемого сигнала ЕЕ (1) и напряжения генератора накачки ЕЕ„(1). В оптическом диапазоне управляемым рективным элементом является среда, поляризация которой меняется под действием двух волн — усиливаемого сигнала и волны накачки. По отношению к источнику и потребителю сигнала ламповые и транзисторные усилители являются четырехполюсниками, т. е. системами, имеющими две пары выводов — вход и выход. Усилитель-четырехполюсник является устройством несимметричным и невзаимным: его вход и выход неэквивалентны.
Это следует из рассмотрения свойств нелинейных элементов, проведенного в гл. 1Ч„и означает, что коэффициент преобразования мощности сигнала от входа к выходу не равен коэффициенту ее преобразования от выхода ко входу. Распространены также усилители, являющиеся двухполюсниками — системами с одной парой выводов. Классическим примером такой системы служит туннельный диод. В усилителях-двухполюсниках вход и выход физически неразделимы, а источник и потребитель сигнала подключены к одной н той же паре выводов. Эффект усиления в данном случае проявляется в увеличении мощности, от аемой источником в нагрузку при включении в цепь усилнтеля-двухполюсника.
При рассмотрении свойств усилителей необходимо учитывать, что.управляемые элементы нелинейны. Таким образом, в нагрузке появляется не сам сигнал, а его увеличенная копия, которая подобна самому сигналу лишь приближенно. Поэтому усиление неизбежно сопровождается искажениями и прн создании'уснлнтелэ( приходится принимать специальные меры, чтобы свести этн искажения к мннныуьцс1Так,!в случае электронного усилителя зависимость Е(У,„,. ЕЕ а) — нелинейная функция. Следовательно, ь ф, такие величины.
как крутизна 5 и выходное сопротивление Я;: дЕ д(Е -~Ф()г(( Я= — и Л,= —, д(Е„, дЕ (6.2) определяются выбором начкчьных значений ЕЕ„„а и ЕЕ,„ха в отсутствие сигнала, т. е. выбором рабочей точки. В силу нелинейности управляемых элементов коэффициент усиления на заданной частоте может быть постоянным только для сигналов малой амплитуды.
1Прохождение гармонического сигнала малой амплитуды через усилитель сопровождается нс только увеличением его аз!гьтитуды. но и сдвигом по фазе. Совместное изменение амплгггуды и фазы сигнала в усилителе характеризует когнхыгксный коэффициент 6.1. Общие и инципы по пения силителей и их основные характе истики 137 усиления гармонического сигнала по мощности Р„„(сГ,„„! !1,„„! сов ~р Р „!(Х !!Х ! соя у (6. 3) где О и (Х„„, 1,„и Х,„„— комплексные амплитуды входного и выходного напряжения и тока соответственно, у, (о,„„— сдвиги фазы между напряжением и током на входе и выходе. Очевидно, что коэффициенты усиления по мощности (К„), току (К<) и напряжению (К„) связаны соотношением Кг — — К„К;.
(6.4) !К„! (дБ) = 1О!я !К ! !К„,;! 1дБ) = 20!я!К„;!. (6.5) 0 н,/2 (6.6) нл, е При работе усилителя в режиме, когда его входное со- с противление В,„равно сопротивлению нагрузки В„, определения (6.5) и (6.6) эквивалентны. Действительно: -н,/2 Р,„(Х;„„В (Х „ 10 1я — = 10!В, = 20!я —. (6.7) Рис. 6.2. Амплитуде-частотная (а) и Рви 11н(Хач (Хв~ фазе-частотная (б) характеристики Усилитель производит усиление сигнала без искаже- Ус"""те"Я ний в том случае. когда форма (спектр) сигнала сохраняется, т. е.
(6.8) что равносильно задержке распространения сигнала в усилителе на время г. Необходимым условием неискаженной передачи сигнала является сохранение взаимосвязи его спектральных состгвляюших, что возможно при условии постоянства АЧХ (~К(ы)! = сопит) и линейности ФЧХ (у(ы) = ыт). В силу инерционности управляемых элементов и наличия реактивных элементов эти условия могут быть выполнены Величины Кг, К„, К; зависят от частоты колебаний, что является следствием ограниченного быстродействия управляемых элементов и наличия в усилителях реактивных элементов, в том числе физически неустранимых.
Зависимость !К(ы)! называют амплитудно-частотной характеристикой (АХЧ), зависимость ф(ю) — фазо-частотной характеристикой (ФЧХ). Обобшенный вид АЧХ и ФЧХ усилителя показан на рис. 6.2. В силу принципа причинности АЧХ и ФЧХ однозначно связаны между собой: задание одной из них во всем интервале частот однозначно определяет и другую. Там, где К(ы) и <р(ю) не зависят от частоты, усилитель является чисто резистивной системой.
Зависимость К(м) и р(ы) от частоты связана с наличием в системе реактивных параметров. Полосу пропускания усилителя характеризуют нижняя и верхняя частоты ы, и ы„. По определению, это частоты, при которых происходит уменьшение коэффициента усиления по напряжению (току) в з/2 раз либо по мощности в два раза. ) Существуют два способа выражения коэффициен- !к(,„)! та усиления: представление в относительных единицах и представление в логарифмических единицах— децибелах (1дБ = О, 1 Б).
Связь относительных и логарифмических единиц определена соотношениями 138 Глава 6. Усилители алект ических и оптических сигиалоа (6.9) где У„и ~р„— амплитуды и фазы гармоник в спектре выходного напряжения. Для количественной оценки нелинейных искажений используют величину, называемую коэффициентом нелинейных искажений К„, или коэффициентом гармоник, или клирфактором. Величина К„определяется как отношение мощности высших гармоник к мощности основной гармоники в спектре выходного сигнала при гармоническом входном сигнале заданной амплитуды.
Тогда гг2 — 100% а=2 (6.10) Его допустимая величина обычно не превышает 5 — 10%. Усилители высокого качества имеют величину К„10 ' и менее. Основным средством уменьшения нелинейных искажений является применение рассматриваемых далее глубоких аврицагнельных обратных связей. Отношение максимальной и минимальной возможных амплитуд сигнала на выходе усилителя называют его динамическим диапазоном. Максимальная амплитуда ограничивается насыщением, а минимальная — внутренними шумами усилителя, свойства которых подробно рассмотрены в гл.
Ч111. Исключительное разнообразие задач, выполняемых усилительными устройствами, привело к созданию многих типов усилителей, различающихся применяемыми активными элементами, принципом действия, диапазоном рабочих частот, величиной усиления, выходной мощностью и т. д. Далее будут рассмотрены принципы работы и схемы усилителей, использующих электронные лампы и транзисторы.
6.2. Принципы построения усилителей. Основы анализа их характеристик Основными активными управляемыми элементами, используемыми при создании электронных усилителей, являются многоэлекгродные лампы, биполярные транзисторы и многочисленные разновидности полевых транзисторов. Все этн элементы объединяет качественное сходство вольт-амперных характеристик, из чего следуют и сходные принципы построения усилительных схем. приближенно н в ограниченном интервале частот в пределах полосы пропускания усилителя. Сигналы малой амплитуды с более широким спектром испытывают в усилителе линейные искажения. Для сигналов большой амплитуды характерно возникновение нелинейных искажений, связанное с нелинейностью управляемых элементов и приводящее к нарушению принципа суперпозиции. Нелинейные свойства усилителя описывает амплитудная характеристика — зависимость амплитуды выходного сигнала от амплитуды входного (рис. 6.3).
Обычно ее получают для гармонического сигнала, частота которого лежит в полосе пропускания усилителя. Максимальная величина выходного напряжения ограничена, р 6 3 л д как правило, напряжением источника питания вследствие пасы- ная характеристика щения управляемого элемента. Нелинейность его характеристики усилителя приводит к образованию составляющих спектра выходного сигнала, отсутствующих в спектре входного. Выходной сигнал при наличии нелинейных искажений можно представить рядом Фурье: В.2. Принципы пост оения силителей.
Основы анализа их характеристик 139 В простейшем случае усилитель электрических сигналов можно представить после- Р " ' " .ЮВ."~Ю~ Я умйймемого элемента Ву, и сопротивления нагрузки активного элемента ~ (рис.6.1,а). Все они охвачены общим током ((1), величина которого зависит от поступающего на вход управляемого элемента напряжения (Е (1). Предположим, что цепь управления тока не потребляет.
С большой степенью точности это предположение реализуется в усилите- '7 ользуюших электронные лампы и полевые транзисторы. Пусть под действием управляющего сигнала Ь(Е,„> 0 ток в цепи нагрузки получает приращение Ы > О. При этом возрастает падение напряжения на сопротивлении К„ и уменьшается напряжение на управляемом элементе. Приращения напряжений на нагрузке и управляемом элементе оказываются равными н противоположными по знаку, т.
е. выходной сигнал противофазен входному (сдвинут на 180'). Такая схема носит название инверлгирующего усилителя ~Действительно, запишем для представленной на рис. 6.1, а схемы уравнение Кирхгофа: (6.11) Ж„=(Е,,+ХВ . С учетом постоянства Е„и В„оно означает, что Ь(Е,, = — Хь(ХЯ„) = Ь(Е„„„. (6.12) Поскольку величина 1 есть функция (Е,„и (Е„„, как это следует из семейств выходных характеристик нелинейных управляемых элементов, приращения Хь(Е,, и ХьХ, вызван- ные малым приращением г) (Е, можно найти, используя (4.4): д1 дХ Ь(Емж ХзЕ= — Ь(Е + йъ(Е,„„= ЯЬ(Е + —. (6.!3) Отсюда, с учетом (6.12), найдем коэффициент усиления по напряжению: Ь(Е, Ь(Е „ ЯЬ(Е + или ʄ— — — — Я вЂ” Я(К„(! Я,), ЬУ,„„Л Я; м н+ (6.14) где знак !! означает параллельное включение резисторов В; и Н . Прн условии 12; » В К„= — ЯВ„.
(6.15) Полученное выражение справедливо в диапазоне частот, где К„(ы) постоянен. В общем случае частотно- зависимой нагрузки усилителя (6.15) следует представлять в виде К„= -ЯЯ„(ш), (6.16) Рис. 6.4. Упрощенная эквивалентная схема усилителя в случае представления активного элемента генератогде г„(щ) — импеданс нагрузкиупра- Ром тока (а) нлн генератором напряжения (б) вляемого элемента, учитывающий и реактивности активного и пассивных элементов цепи.
Отметим, что в проводимом рассмотрении амплитуда входного сигнала на входе управляемого элемента поддерживается постоянной и не зависит от частоты. В общем случае при изменении частоты необходим учет зависимости от частоты коэффициента передачи входной цепи усилителя. Выражение (6. ! 4) дает основание представить схему усилителя рнс. 6.1, а эквивалентной схемой рис.
6.4, а, где управляемый элемент заменен генератором тока 1, = — 5(Ем 140 Глава 6. Усилители алектрических и оптических сигналов с внутренним сопротивлением В„или рис. 6.4, б, где активный элемент заменен генератором напряжения (Г, = — р(Г . Здесь |я = БВ, — статический коэффициент усиления по напряжению, как это следует из (6.13). Рис. 6.5. Принципиальные схемы резистивных усилителей, использующих: пентод (а), биполярный транзистор (б) и полевой транзистор с управляющим р-и-переходом (в) На рис. 6.5 изображены принципиальные схемы усилительных устройств, называемых резистивными усилителями, отличающихся друг от друга только типом используемого управляемого активного элемента.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
