Характеристики многокаскадных усилителей

а) Амплитудная характеристика (АХ)

Амплитудная характеристика усилителя отражает зависимость амплитуды выходного напряжения от изменения амплитуды напряжения на входе. По этой характеристике судят о возможных пределах изменения входного и выходного сигналов усилителя. Ее снимают при синусоидальном входном сигнале для области средних частот.

Типичный вид амплитудной харак­теристики усилителя показан на рис. 3. Участок 1—3 соответствует про­порциональной зависимости амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного сигнала Е_гm, которые связаны между собой коэффициентом усиления усилителя K_U0.

Рис. 3. Амплитудная характеристика

Амплитудная характе­ристика не проходит через начало ко­ординат ввиду наличия на выходе на­пряжения собственных помех и шумов усилителя. Участок ниже точки 1 ам­плитудной характеристики не используется, так как здесь полезный сигнал трудно отличить от напряже­ния собственных помех и шумов усилителя. По величине U_min/K_U0 оценивают уровень минимальных напряжений входного сигнала (чувствительность) усилителя.

При достижении некоторого значения входного сигнала Е_гm, соответствующего точке 3, пропорциональность зависимости выходного напряжения от входного сигнала нарушается. Причиной является огра­ничение максимального напряжения одной или обеих полуволн вы­ходного сигнала на неизменном уровне. Ограничение создается обычно в оконечном каскаде усилителя, работающем при наибольшем входном сигнале, и связано с нарушением требуемой связи парамет­ров режима покоя каскада с амплитудными значениями его переменных составляющих напряжения и тока. Ограничение напряжения одной из полуволн обусловливается перемещением рабочей точки характеристики каскада вдоль линии нагрузки по пере­менному току в область начальных участков коллекторных характеристик, а другой полуволны — перемещением рабочей точки в область отсечки коллекторного тока.

Для получения наибольшей амплитуды выходного напряжения необходимо, чтобы точка покоя выходного каскада размещалась посередине его линии нагрузки по переменному току.

При этом режим ограничения по амплитуде будет устанавливаться одновременно для обеих полуволн выходного напряжения. При невыполнении указан­ного условия режим ограничения амплитуды наступит вначале лишь для одной из полуволн и граничной точке 4 линейно нарастающего участка амплитудной характеристики (рис. 3) будет соответство­вать меньшая величина U_выхm.

Отношение амплитуды максимально допустимого выходного напряжения к минимально допустимому D = U_max/U_min называется динамическим диапазоном усилителя.

При входном напряжении синусоидальной формы сигнал на выходе усилителя, строго говоря, нельзя считать чисто синусоидальным.

Ввиду неизбежной нелинейности входных и выходных вольтамперных характеристик транзисторов возникают искажения формы кривой выходного напряжения.

Это относится как к синусоидальному входному напряжению, так и к входному сигналу любой другой формы. Такие искажения, вносимые усилителем, называют нелинейными. С увеличением амплитуды входного напряжения нелинейность вольтамперных характеристик транзисторов проявляется сильнее, поэтому при большем напряжении входного сигнала нелинейные искажения, вносимые усилителем в кривую выходного напряжения, возрастают.

Нелинейные искажения, создаваемые усилителем, оценивают для синусоидального входного напряжения, исходя из состава высших гармонических составляющих в кривой выходного напряжения появление которых вызвано отличием формы напряжения u_вых от синусоиды.

Мерой оценки служит коэффициент нелинейных искажений (клирфактор) усилителя, указываемый в процентах:

,

где Р₂, Р₃, Р₄, — мощности, выделяемые в нагрузке под воздействием 3-й, 4-й, гармонических составляющих напряжения (U₂, U₃, U₄);

P₁ — мощность в нагрузке, обусловленная основной гармонической составляющей напряжения (U₁).

б) Амплитудно-частотная (АЧХ) и фазочастотная характеристики (ФЧХ)

Зависимость модуля коэффициента усиления K_U от частоты определяет амплитудно-частотную характеристику усилителя, а зависимость угла фазового сдвига j от частоты — его фазочастотную характеристику. В области низких частот полосы пропускания указанные зависимости при чисто активной нагрузке обусловливаются наличием конденсаторов в схеме, а в области высоких частот — главным образом, частотными параметрами транзисторов. Обычно на практике можно независимо иссле­довать влияние элементов, определяющих ход указанных характе­ристик в области высоких и низких частот.

Рассмотрим особенности работы усилителя в области низких частот.

При расчете коэффициентов усиления одиночных каскадов сопротивление конденсаторов переменному току Х_с = 1/wС принималось равным нулю. Как указывалось, такое предположение действительно для полосы средних частот. Коэффициент усиления усилителя для этих частот соответствует величине K_U0 (рис. 3 а), равной произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов. По мере снижения частоты начинает сказываться уменьшение проводимости межкаскадных конденсаторов связи С_р в усилителе.

Общий вид амплитудно-частотной характеристики многокаскадного усилителя с конденсаторной связью (а), влияние емкости конденсаторов связи на амплитудно-частотную характеристику усилителя в области низких частот (б).

Рис. 4 Общий вид амплитудно-частотной характеристики многокаскадного усилителя с конденсаторной связью

Вследствие падения напряжения на конденсаторах уменьшается напряжение сигнала, поступающее на первый каскад от источника входного сигнала и на последующие каскады с выходов предыдущих. Падение напряжения на конденсаторах приводит к уменьшению амплитудных значений сигналов на выходе каждого каскада и усилителя в целом, что проявляется снижением его коэффициента усиления в области низких частот (рис. 3а). Влияние конденсаторов С_р является причиной того, что в усилителе с конденсаторной связью ко­эффициент усиления К_U ®0 при f®0. Характер зависимости коэффициента усиления в области низких частот определяется величи­ной емкости конденсаторов С_р. В частности, с увеличением их ем­кости снижение коэффициента усиления происходит при более низких частотах (рис. 3 б).

Необходимо отметить, что на коэффициент усиления усилителя в области низких частот оказывают влияние также конденсаторы С_э. Их влияние проявляется в том, что с уменьшением частоты снижаются коэффициенты усиления каскадов вследствие уменьшения шунтирующего действия конденсаторов на резисторы R_э.

Уменьшение модуля коэффициента усиления в области низких частот Ки учитывается коэффициентом частотных искажений усилителя

М_н = K_U0/K_Uн, (2)

который представляет собой произведение коэффициентов частотных искажений, обусловленных каждым из конденсаторов в усилителе:

М_н=М_нС1М_нС2…М_нСN. (3)

Коэффициент частотных искажений, обусловливаемый влиянием каждого из конденсаторов, рассчитывают с учетом его постоянной времени t_нС и частоты w_н по формуле:

. (4)

Так, для конденсатора С_р1 постоянная времени t_нр1= C_p1(R_г + R_вх1), где R_вх1 — входное сопротивление первого каскада; для конденсатора С_э1 t_нэ1= C_э1(R₄ || R_Т1э), где R_Т1э – сопротивление транзистора Т₁ со стороны эмиттера (R_Т1э »r_э); для конденсатора С_р2 t_нр2 = С_р2(R_вх2 + R_вых1), где R_вх2 – входное сопротивление второго каскада. Аналогично определяются постоянные времени и для других конденсаторов в схеме.

При расчете усилителя на требуемую область низких частот исходным параметром является низшая частота полосы пропускания f_нп усилителя для усиливаемых сигналов. Частоте f_нп соответствует коэффициент частотных искажений М_н = М_нп (рис. 3а), величина которого зависит от назначения усилителя. Так, например, для усилителей звуковых частот величину М_нп часто принимают равной . Согласно выражениям (2) и (3), задача сводится к выбору таких значений емкостей конденсаторов в усилителе, чтобы произведение коэффициентов частотных искажений, обусловливаемых наличием конденсаторов в схеме, составляло М_н = М_нп.

Как отмечалось, наличие конденсаторов в схеме приводит к появлению и фазо-частотных искажений. В полосе средних частот, где влияние конденсаторов не проявляется, сдвиг по фазе выходного напряжения усилителя относительно входного возможен только на величину np, где п — число каскадов усилителя, осуществляющих изменение фазы сигнала на 180°. Как известно, ими являются лишь каскады ОЭ (или ОИ), поскольку схемы ОБ и ОК (а также ОЗ и ОС) фазу сигнала не поворачивают.

С понижением частоты входного сигнала появление фазового сдвига обусловлено тем, что ток в цепях с конденсаторами опережает по фазе напряжение. Так, например, в области низких частот входное напряжение каждого каскада будет создаваться входным током емкостного характера, протекающим через конденсатор С_р. В связи с этим напряжение, поступающее на вход каскада после конденсаторов, будет иметь опережающий фазовый сдвиг относительно напряжения источника (для первого каскада) и выходного напряжения предыдущего каскада (для промежуточных каскадов). В результате фазовый сдвиг выходного напряжения усилителя относительно его входного напряжения в области низких частот имеет опережающий характер, его угол равен сумме углов фазовых сдвигов, создаваемых всеми конденсаторами в схеме:

j_н = j_нр1 + j_нр2 + j_нэ1 + j_нр3 + j_нэ2 + … . (5)

Угол фазового сдвига, создаваемого каждым из конденсаторов, находят из выражения, отражающего связь между коэффициентом частотных искажений и фазовым сдвигом:

, (6)

Откуда . (7)

Для иллюстрации влияния конденсаторов на частотные и фазо­вые искажения предположим, что емкости всех конденсаторов в усилителе, кроме С_р2 довольно большие. Тогда амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики усили­теля в области низких частот будут обусловлены конденсатором С_р2. Ампли­тудно-частотная характеристика усилителя будет определяться из условия М_н = М_нр2 по выражению (4), а фазо-час­тотная — по выражению (7) для С_р2. Вид характеристик показан на рис. 5 а, б сплошными линиями. При этом угол фа­зового сдвига в усилителе, обусловленный конденсатором С_р2, j_н®p/2. Для часто­ты входного сигнала, при которой М_н =, угол фазового сдвига согласно вы­ражению (7) j_н=p/4 (рис. 5 а, б). Влияние всех конденсаторов усилителя вызывает спад амплитудно-частотной ха­рактеристики при больших частотах и со­гласно соотношению (7) — увеличение фазового сдвига (пунктирные кривые на рис. 5 а, б).

Рассмотрим работу усилителя в области высоких частот.

Факторами, влияющими на характеристики усилителя в области высоких частот, являются зависимость коэффициента β транзистора от частоты и наличие емкости коллекторного переходе С_К(э₎ (для каскадов ОЭ). Уменьшение коэффициента усиления усилителя в области высоких частот обусловливается снижением коэффициентов усиления отдельных каскадов вследствие уменьшения модуля ко­эффициента β транзисторов, а также шунтирующего действия ем­костей Ск(_Э). О степени уменьшения коэффициента β судят по гра­ничной частоте fβ, на которой его значение снижается в раз от­носительно величины β₀, действительной для области средних частот.

В области высоких частот коэффициент передачи тока β является комплексной величиной:

, (8)

в связи с чем, а также с учетом емкости C_кэ создается отстающий фазовый сдвиг выходного напряжения относительно входного.

Рис. 5. К объяснению влияния конденсаторов на амплитудно-частотную (а) и фазо-частотную (б) характеристики усилителя

Уменьшение коэффициента усиления каскада в области высоких частот характеризуется коэффициентом частотных искажений

, (9)

где t_в— эквивалентная постоянная времени каскада в области высоких частот.

t_в =t_b+t_к (10)

Постоянная времени t_b, примерно равная времени жизни неосновных носителей заряда в базе (дырок в транзисторах типа р-п-р), связана с граничной частотой f β выражением

, (11)

а постоянная времени t_к определяется параметрами коллекторной цепи каскада :

t_к = С_к(э) (r _к(э) ||R_к||R_н) . (12)

Угол фазового сдвига, создаваемого одним каскадом усиления, находят из соотношения

j_вк = -arctgwt_в. (13)

Согласно выражению (13), коэффициент частотных искажений увеличивается с ростом частоты, что соответствует уменьшению коэффициента усиления каскада. При этом угол фазового сдвига, соз­даваемого каскадом, стремится к величине — p/2.

Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики каскада в области высоких частот показаны на рис. 6 а, б.

Для многокаскадного усилителя - коэффициент частотных искажений в области высоких частот нахо­дят по произведению коэффициентов частотных искажений, вносимых каскадами:

M_в=M_в1M_в2...M_вN, (14)

а угол фазового сдвига — как сумму углов фазовых сдвигов, создаваемых каскадами: j_в = j_в1+j_в2 + j _вN. (15)

Рис. 6. Влияния частотных свойств транзистора на амплитудно -

частотную (а) и фазо-частотную (б) характеристики усилителя

Расчет усилителя в области высоких частот связан с обеспечением верхней частоты f_вп полосы пропускания усилителя, определяемом на уровне M_вп . На рис. 6, а принято М_вп = М_нп , хотя их равенство при определении полосы пропускания частот усилителя в принципе не обязательно. Расчет сводится к выбору типа транзистора по частоте f_b и определению t_в, при которых обеспечиваются необходимые коэффициенты частотных искажений каскадов, входящих в усилитель.

Амплитудные и фазовые искажения усилителя относятся к классу линейных, так как они не вызывают изменения формы усиливаемого синусоидального сигнала. При более сложной форме усиливаемого сигнала, характеризующегося спектром гармоничес­ких составляющих, амплитудные и фазовые искажения усилителя являются причиной появления несоответствия между формой выходного и входного напряжений вследствие нарушения связи меж­ду гармоническими составляющими по амплитуде и фазе.