Текст книги "Электроника в вопросах и ответах"

Автор книги: И. Хабловски

Соавторы: В. Скулимовски
сообщить о нарушении

Текущая страница: 15 (всего у книги 29 страниц)

Что такое линейные фазовые искажения усилителя?

К линейным искажениям относятся также фазовые искажения, которые наблюдаются в том случае, когда фазы сигналов различных частот, образующих сложный (составной) сигнал, например прямоугольной формы, оказываются сдвинутыми на разное значение. Поскольку прямоугольный сигнал является суммой синусоидальных сигналов с определенными фазовыми сдвигами, то нарушение фазовых соотношений этих сигналов на выходе усилителя не позволит вновь получить прямоугольный сигнал. Можно доказать, что только усилитель с линейной фазовой характеристикой не вносит фазовых искажений.

Что такое динамическая характеристика усилителя?

Динамическая характеристика усилителя – это график, представляющий собой зависимость выходного напряжения (тока) усилителя от входного напряжения (тока) (рис. 7.5). При правильно выбранной рабочей точке усилителя (на линейном участке его рабочей характеристики) выходное напряжение является линейной функцией входного напряжения. В связи с этим динамическая характеристика проходит вдоль прямой линии, наклоненной под некоторым углом к оси U_вх. При увеличении входного напряжения свыше определенного значения в результате нелинейности характеристик ламп или транзисторов динамическая характеристика изгибается и становится горизонтальной линией, параллельной оси U_вх.

Рис. 7.5. Динамическая характеристика усилителя

В усилительных устройствах нас интересует только линейный участок динамической характеристики. Чем он больше, т. е. чем больший диапазон входных напряжений он охватывает, тем больше динамический диапазон усиления. Если выходное напряжение перестает линейно зависеть от входного, то возникают искажения, а об усилителе говорят, что он работает в режиме насыщения.

Что такое нелинейные искажения?

Нелинейные искажения связаны с нелинейностью динамической характеристики усилительной схемы. Если поданый на вход усилителя сигнал имеет слишком большую амплитуду, превышающую линейный диапазон возбуждения усилителя, возникают искажения вершин усиливаемого сигнала. В качестве примера рассмотрим сеточную характеристику лампы, работающей в схеме усилителя (рис. 7.6).

Рис. 7.6. Возникновение нелинейных искажений в усилителе

Рабочая точка лампы находится на середине линейного участка характеристики. Синусоидальный входной сигнал, амплитуда которого не выходит за линейный участок характеристики, вызывает протекание синусоидального тока через лампу и в результате – появление синусоидального напряжения на сопротивлении нагрузки. Если амплитуда возбуждающего (входного) сигнала увеличивается так, что максимальные значения сигнала превышают напряжение, соответствующее верхнему загибу характеристики, и напряжение отсечки, то на выходе появится колебание со срезанными вершинами сигнала. Такого вида сигнал может быть представлен как сумма синусоидального сигнала основной частоты и множества сигналов, частоты которых кратны основной частоте (гармоникам). Поскольку гармоники во входном сигнале отсутствовали, то они возникли в усилителе. Их присутствие в выходном сигнале поясняет другое название нелинейных искажений – искажения из-за гармоник.

Что такое каскадное соединение усилителей?

Каскадным соединением усилителей называется группа ступеней усилителя, в которой сигнал, полученный на выходе первой ступени усиления, возбуждает вторую. В свою очередь сигнал, полученный на ее выходе, возбуждает третью ступень и т. д. вдоль всей цепочки.

Основной чертой усилителя, состоящего из нескольких каскадов, является большее усиление, чем у одиночного. Полный коэффициент усиления усилителя равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов или равен их сумме, если усиление каждого каскада выражено в децибелах. Однако каскадное соединение усилителей приводит к уменьшению общей полосы пропускания.

В качестве примера рассмотрим два одинаковых усилительных каскада с определенной верхней граничной частотой f_в. Этой частоте соответствует на 3 дБ меньшее усиление, чем на средних частотах. Падение усиления каскадного соединения двух ступеней при граничной частоте каждой из ступеней будет равно уже 6 дБ, т. е. новая граничная частота будет ниже. В связи с этой особенностью каскадного соединения ширина полосы каждого усилительного каскада должна быть большей, чтобы общая ширина полосы имела заданное значение.

В общем случае в каскадном соединении отдельных усилителей можно выделить входной каскад с низким уровнем сигнала, непосредственно взаимодействующего с источником возбуждения, средние и выходной каскады, взаимодействующие с нагрузкой, уровень сигнала в которых является наибольшим. В связи с этим требования к отдельным каскадам различны. Во входном существенную роль может играть входное сопротивление и шумовые свойства. В средних каскадах основное значение имеют коэффициент усиления и частотная характеристика. Наконец, для выходного важны вид выхода (симметричный или несимметричный), выходное сопротивление и уровень нелинейных искажений.

Что такое межкаскадная связь?

Это способ соединения отдельных каскадов для передачи выходного сигнала одного каскада в другой. Непосредственная связь коллектора одного каскада с базой второго не применяется, поскольку коллектор и база транзистора требуют подачи постоянных напряжений с сильно отличающимися значениями. Поэтому непосредственную связь используют исключительно в усилителях, предназначенных для усиления очень низких частот. Наиболее часто применяемыми способами связи являются емкостная и трансформаторная.

Что такое резистивный усилитель с емкостной связью?

Резистивный усилитель с емкостной связью, называемый также RС-усилителем, – основная схема. На рис. 7.7 представлена его принципиальная схема на транзисторе. Название схемы связано с характером сопротивления нагрузки (сопротивление R_к) и емкостной связью обсуждаемого каскада с источником сигнала либо предыдущим каскадом и нагрузкой следующего каскада (конденсаторы С₁ и С₂). Транзистор работает по схеме с ОЭ. Эту схему наиболее часто используют, поскольку она дает большой коэффициент усиления по напряжению и току, а следовательно, и большое усиление по мощности.

Рабочую точку транзистора определяют резисторы R₁, R₂, R_э, R_к, причем делитель R₁R₂ определяет напряжение смещения базы, а падение напряжения, возникающее в результате протекания тока эмиттера через резистор R_э, – напряжение эмиттера. При заданном напряжении коллектора, равном разности между напряжением питания и падениями напряжений на резисторах R_к и R_э, устанавливается определенный ток базы.

Параметры элементов, определяющие положение рабочей точки на рабочей характеристике транзистора, обычно подобраны таким образом, чтобы рабочая точка находилась на прямолинейном участке характеристики. Это означает, что при достаточно малых возбуждающих сигналах усилитель работает в классе А и может рассматриваться как линейная схема. Резистор R_э выполняет, кроме того, функции резистора, стабилизирующего рабочую точку транзистора. Для исключения отрицательной обратной связи по переменному току этот резистор обычно шунтируется конденсатором С_э большой емкости.

В представленной на рис. 7.7 схеме резистор R_вх2 символизирует входное сопротивление следующего каскада, которое является параллельным соединением резисторов в цепи базы и входного сопротивления транзистора следующего каскада.

Рис. 7.7. Резистивный усилитель с емкостной связью

В диапазоне средних частот, в котором влиянием действующих в схеме емкостей можно пренебречь, усиление схемы по напряжению выражается следующей формулой:

в которой h_21э – коэффициент передачи по току при коротком замыкании в схеме с ОЭ при малом сигнале; h_11э – входное сопротивление при коротком замыкании в схеме ОЭ при малом сигнале; R_вых – сопротивление, полученное при параллельном соединении резисторов R_к и R_вх2. Знак минус в формуле означает, что фаза выходного напряжения повернута на 180 относительно входного напряжения. Сопротивление R_вых не зависит от выходного сопротивления транзистора. Действительно, выходное сопротивление транзистора в схеме с ОЭ велико, и в связи с этим им можно пренебречь.

В противоположность выходному сопротивлению входное сопротивление транзистора мало и поэтому оказывает существенное влияние на R_вых в схеме, нагрузкой которой является следующий каскад усиления. Входное сопротивление транзистора в схеме с ОЭ примерно равно h_11э. Входное сопротивление транзисторного каскада также снижается из-за шунтирующего влияния параллельного соединения резисторов цепи смещения базы.

От чего зависит верхняя граничная частота в резистивном усилителе с емкостной связью?

При заданном сопротивлении нагрузки усилительного каскада верхняя граничная частота резистивного усилителя зависит от емкости шунтирующей это сопротивление. На рис. 7.7 эта емкость не приведена, поскольку она не оказывает влияния на усиление в диапазоне средних частот, так же как и емкости связи и емкость, включенная параллельно резистору в цепи эмиттера. Цепь, на которую нагружен каскад усиления в диапазоне высоких частот, представлена на рис. 7.8, а. Помимо емкостей, указанных на рис. 7.7, имеются дополнительно выходная емкость транзистора С_вых, входная емкость следующего каскада С_вх, а также емкость рассеяния С_m, которую образуют собственные емкости компонентов и соединительных проводов. Пренебрегая реактивным сопротивлением конденсатора С_с2, которое в диапазоне высоких частот мало, можем представить нагрузку усилителя в виде сопротивления R с подключенной параллельно ему емкостью С₀. Переменный ток транзистора i протекает через обе ветви цепи. В диапазоне средних частот, где реактивное сопротивление конденсатора С₀ велико, практически весь ток протекает через сопротивление R_экв. Поскольку падение напряжения на сопротивлении R_экв является выходным напряжением, то в диапазоне средних частот оно имеет максимальное значение.

Рис. 7.8. Эквивалентная схема (а) и диаграмма токов (б) на частоте f_h11 RC-усилителя

Реактивное сопротивление конденсатора С₀ обратно пропорционально частоте. При некоторой частоте оно становится равным сопротивлению R_экв. В этом случае полный ток делится на две части, равные 0,707 значения тока транзистора i, что следует из векторной диаграммы, приведенной на рис. 7.8, б. В соответствии с законом Ома падение напряжения на сопротивлении R_экв меняется таким же образом. Спад до 0,707 означает спад на 3 дБ относительно значения, действующего в диапазоне средних частот. Поэтому частота, на которой X_с0 = R_экв. является граничной частотой f_в. Эту частоту можно определить, приравняв друг другу X_с0 и R_экв и решив полученное уравнение относительно f_в:

f_в = 1/2πR_эквС₀

Из анализа этого уравнения следует, что при заданной емкости С₀увеличение верхней граничной частоты, а следовательно, расширение полосы усилителя возможно лишь за счет уменьшения сопротивления нагрузки R_экв. Выше частоты f_в реактивное сопротивление X_с0 меньше сопротивления R_экв и поэтому амплитудная характеристика имеет резкий спад.

Коэффициент усиления резистивного усилителя с емкостной связью в диапазоне высоких частот можно рассчитать по следующей формуле:

где К_u – коэффициент усиления усилителя в диапазоне средних частот; f – частота, для которой определяют усиление. Видно, что при f = f_в К'_u = 0,707·К_u.

Емкость, шунтирующая резистор нагрузки, оказывает также влияние на фазовый сдвиг между выходным и входным напряжениями. Угол фазового сдвига убывает с ростом частоты и при частоте f_в составляет 135°, т. е. на 45° меньше угла в диапазоне средних частот.

Эти рассуждения относятся к усилителям с относительно малыми верхними граничными частотами. Для усилителей с очень большой шириной полосы пропускания, в которых сопротивление R_экв имеет малое значение, усиление в диапазоне высоких частот в большей степени зависит от изменений коэффициента h_21б транзистора с частотой, чем от емкости С₀.

От чего зависит нижняя граничная частота в резистивном усилителе с емкостной связью?

Нижняя граничная частота зависит от постоянных времени цепи эмиттера и цепи связи. Постоянной времени (поскольку она имеет размерность «секунда») называется произведение сопротивления резистора и емкости конденсатора. Влияние постоянной времени R_эC_эсказывается в росте сопротивления в цепи эмиттера при уменьшении частоты. При этом возникает отрицательная обратная связь, приводящая к снижению коэффициента усиления. Если емкость конденсатора С_э велика (около 100 мкФ), то нижняя граничная частота зависит главным образом от постоянной времени цепи связи.

Цепь, на которую нагружен усилитель в диапазоне низких частот, представлена на рис. 7.9.

Рис. 7.9. Нагрузка RС-усилителя в диапазоне низких частот

Из-за малого входного сопротивления последующего транзисторного каскада R_вх при рассмотрении цепи связи следует принимать во внимание также сопротивление R_к. Одновременно с уменьшением частоты возрастает сопротивление ветви, состоящей из последовательно соединенных конденсатора С_с2 и резистора R_вх, и большая часть тока начинает протекать через сопротивление коллектора R_к. На основе такой же векторной диаграммы, как для диапазона высоких частот, можно показать, что нижняя граничная частота, при которой усиление снижается на 3 дБ, выражается формулой

Из анализа этой формулы следует, что при заданных сопротивлениях R_к и R_вх нижнюю граничную частоту можно уменьшать лишь путем увеличения емкости связи С_с2. На практике емкость связи С_с2составляет обычно несколько десятков микрофарад.

Усиление резистивного усилителя с емкостной связью в диапазоне низких частот можно рассчитать по следующей формуле:

где К_u – коэффициент усиления усилителя в диапазоне средних частот; f – частота, для которой рассчитывается усиление.

Видно, что при f = f_н К'_u = 0,707·К_u. Конденсатор связи С_с2вносит в схему некоторый фазовый сдвиг между выходным и входным напряжениями. Этот сдвиг увеличивается, если частота снижается, и при частоте f_н составляет 225°, т. е. на 45° больше, чем сдвиг в диапазоне средних частот.

Как работает ламповый резистивный усилитель и какова его схема?

Наиболее простые схемы такого усилителя на триодах и пентодах показаны на рис. 7.10.

Рис. 7.10. Триодный (а) и пентодный (б) резистивные усилители с емкостной связью

Напряжение питания около 200 В подводится между точками, обозначенными Е_а, и массой схемы. Анодный ток протекает через лампы, а также резисторы R_к и R_а. Падение напряжения на резисторах R_к обеспечивает соответствующие отрицательные сеточные напряжения, т. е. задает рабочие точки на сеточных характеристиках. Конденсаторы С_к, включенные параллельно резисторам R_к, имеют малое сопротивление для переменных напряжений, благодаря чему сеточные напряжения остаются постоянными. Резисторы R_c – это сопротивления утечки. Они образуют цепь, по которой электроны, перехваченные управляющей сеткой лампы, могут быть отведены на катод. При отсутствии такого пути утечки накопленные на сетке электроны вызвали бы возникновение на сетке отрицательного напряжения, существенно нарушающего работу усилителя. Обычно сопротивление резистора R_c не превышает 1 МОм.

В случае усилителя на пентоде для обеспечения правильной работы лампы необходимо соединить третью сетку лампы с катодом или массой, я также вторую сетку (экранную) – с источником напряжения питания Е_а. Если требуемое напряжение питания второй сетки меньше, чем напряжение Е_а, то ее соединяют с источником напряжения Е_а через гасящий резистор R_э. Экранная сетка в пентоде действует аналогично аноду, поэтому при работе лампы в качестве усилителя напряжение между экранной сеткой и массой изменяется.

Чтобы воспрепятствовать этим нежелательным изменениям, между экранной сеткой и массой включают конденсатор большой емкости. Он представляет собой короткое замыкание для переменных токов, и благодаря этому потенциал экранной сетки поддерживается на постоянном уровне.

Если на вход схемы подать переменное напряжение, то оно наложится на постоянное сеточное напряжение и вызовет изменение потенциала между сеткой и катодом. В результате изменений этого потенциала изменятся анодный ток и падение напряжения на нагрузочном сопротивлении R_a. Следует добавить, что выходное напряжение имеет полярность обратную полярности выходного, что для импульсных сигналов означает инверсию (поворот) фазы на 180°. Незначительное изменение напряжения в цепи сетки может вызвать изменение анодного тока на несколько миллиампер. При большом сопротивлении резистора R_a на нем возникает падение напряжения, во много раз превышающее входное напряжение. Поэтому схема работает как усилитель напряжения.

Коэффициент усиления схемы в диапазоне средних частот выражается следующей формулой:

К_u = – S·R_a,экв

где S – крутизна сеточной характеристики лампы; R_a,экв – сопротивление нагрузки лампы.

В пентодном усилителе из-за большого внутреннего сопротивления R_i пентода нагрузка представляет собой параллельное сопротивление резисторов R_a и R_C2; в триодном усилителе необходимо еще учитывать включенное параллельное сопротивление R_i.

Конденсаторы С_с1 и С_с2 являются конденсаторами связи, которые выполняют те же задачи, что и конденсаторы связи в транзисторном усилителе. Однако емкости конденсаторов из-за высокого сопротивления сеточной цепи значительно меньше и не превышают обычно 0,5 мкФ. Конденсаторы связи, блокирующие катодные резисторы, оказывают влияние на ход кривой усиления в диапазоне низких частот, тогда как входные и выходные емкости ламп, а также емкости соединительных проводников ограничивают полосу усилителя со стороны высоких частот.

Что такое произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания?

Произведение коэффициента усиления на ширину полосы GB[20]20
  От англ. G (gain) усиление и B (bandwidth) ширина полосы


[Закрыть], называемое также площадью усиления, является параметром, определяющим способность активного элемента усиливать в широкой полосе частот. Из формулы для верхней граничной частоты, которая определяет ширину полосы, следует, что эта частота тем больше, чем меньше сопротивление R_экв, являющееся нагрузкой усилителя. Однако, с другой стороны, меньшему сопротивлению соответствует меньшее усиление, и поэтому требование большой ширины полосы противоречит возможности получения большого коэффициента усиления усилителя. Оказывается, например, что для пентода произведение GB имеет постоянное значение и выражается следующей зависимостью:

B = S/2πС_полн

где S – крутизна сеточной характеристики пентода; С_полн – сумма емкостей, шунтирующих сопротивление нагрузки усилительного каскада.

Если S = 10 мА/В и С = 20 пФ, то GB = 80 МГц. Это означает, что при ширине полосы В = 10 МГц усиление G = 8, т. е. наблюдается «обмен» между усилением и полосой при сохранении постоянства их произведения. Проблема «обмена» усиления и полосы не очень существенна в усилителях низкой частоты, поскольку площадь усиления обычно больше требуемой. Эта проблема становится существенной и в широкополосных усилителях, в которых площадь усиления является решающим фактором, ограничивающим коэффициент усиления схемы. В триодном усилителе произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания не является постоянным. Это следует из того факта, что емкость возрастает при росте коэффициента усиления (эффект Миллера) и уменьшении ширины полосы. При больших усилениях и малых полосах площадь усиления меньше, чем в противоположном случае.

В транзисторных усилителях произведение GB также не является постоянным и достигает максимального значения при оптимальных сопротивлении резистора, шунтирующего входную цепь транзистора, коэффициенте усиления и ширине полосы. Кроме того, для получения большой площади усиления транзистор должен работать при достаточно больших токах эмиттера.

Если речь идет о полевом транзисторе, то его свойства в известной степени схожи со свойствами электронной лампы. В связи с этим произведение GB усилительного каскада на полевом транзисторе должно быть постоянным. Однако из-за значительной емкости между стоком и затвором произведение GB характеризуется такими же свойствами, как произведение GB триода.

Что такое широкополосный усилитель?

Широкополосный усилитель – это усилитель, используемый для усиления сигналов с широким спектром частот, часто сравнимым с площадью усиления применяемых активных элементов, ламп или транзисторов. Примером такого сигнала может быть сигнал изображения, действующий в телевизионных схемах, спектр которого охватывает частоты от нескольких герц примерно до 6 МГц, или последовательность коротких импульсов с малым временем фронта.

Основные схемы однокаскадного широкополосного усилителя не отличаются от представленных на рис. 7.7 и 7.10. Разница заключается в использовании меньших сопротивлений нагрузки и подборе соответствующих усилительных элементов. Для ламповой схемы применяют пентоды с большим отношением крутизны к параллельной емкости (S/С), а для транзисторной – транзисторы, характеризующиеся большим значением граничной частоты f_гр.