Основные технические показатели и характеристики УУ

Технические показатели УУ представляют собой количественную оценку его свойств. К техническим показателям относятся (рис.2.1):

¨ входное сопротивление . Чаще всего носит емкостной характер;

¨ выходное сопротивление . Чаще всего носит так же емкостной характер;

¨ коэффициент передачи по напряжению : , где j - фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами.

Значение çКê называют коэффициентом усиления. В логарифмических единицах:

.

Для n-каскадных УУ (каскады включены последовательно): ,

или в децибелах: ;

Для n-каскадных усилителей по мощности в относительных и логарифмических единицах определяются аналогично, только , поскольку мощность пропорциональна квадрату напряжения (тока).

Коэффициент полезного действия: , где - максимальная выходная мощность усилителя; - мощность, потребляемая от источника питания.

Искажения - это отклонения формы выходного сигнала от формы входного. В зависимости от происхождения они подразделяются на:

- искажения частотные, вызываемые неодинаковым усилением усилителя на разных частотах.

- искажения фазовые, вызываемые различным фазовым сдвигом различных по частоте составляющих спектра сигнала.

 

Вносимые усилителем искажения оценивают по амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) и по фазочастотной характеристике (ФЧХ).

АЧХ называется зависимость модуля коэффициента передачи от частоты. , или

.

По АЧХ и допустимой величине частотных искажений определяют нижнюю и верхнюю граничные частоты, полосу рабочих частот , равную: .

Зависимость угла сдвига по фазе между входным и выходным сигналами от частоты оценивается по ФЧХ, для резистивного каскада имеющей вид, представленный на рис.2.3.

В импульсных усилителях форма выходного напряжения зависит от переходных процессов в цепях, содержащих LC элементы. Для оценки линейных искажений пользуются переходной характеристикой ( ПХ), зависимостью мгновенного значения напряжения (тока) на выходе от времени при подаче на вход единичного скачкообразного изменения напряжения (тока) (сигнала типа единичной функции).

В ПХ выделяют:

- отношение амплитуды DU выброса к амплитуде установившегося режима ;

- временем запаздывания t_з относительно входного сигнала по уровню 0,1 U_m.

- искажения плоской вершины импульса характеризуется величиной спада напряжения DU_m за время длительности импульса.

АЧХ и ПХ отражают одни и те же физические процессы в различной форме (частотной и временной). Связь частотных и временных искажений иллюстрируется рис.2.5.

 

Нелинейные искажения (искажения формы выходного сигнала) вызываются нелинейностью характеристик усилительных элементов. Количественно нелинейные искажения гармонического сигнала оцениваются коэффициентом гармоник К_г, который представляет собой отношение действующего значения напряжения (тока, мощности) высших гармоник, появившихся в результате нелинейных искажений, к напряжению (току, мощности) основной частоты (первой гармоники) при частотно-независимой нагрузке:

 

Собственные помехи УУ: фон, наводки и шумы. Остановимся на тепловых внутренних шумах усилителя ввиду принципиальной невозможности их полного устранения. Любое резистивное сопротивление R (например, внутреннее сопротивление источника сигнала) создает в полосе частот тепловой шум, среднеквадратичная ЭДС которого определяется формулой Найквиста:

, где k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура сопротивления.

Коэффициент шума - это мера собственных (внутренних) шу­мов приемника. Он равен отношению мощностей сигнала и шума на входе УУ к отношению мощностей сигнала и шума на выходе УУ:

Для многокаскадных УУ (каскады включены последовательно):

где , и т. д. - номинальные коэффициенты усиления по мощности каскадов усилителя, T – шумовая температура

Динамический диапазон УУ отношение (при заданном уровне нелинейных искажений) к (при заданном отношении сигнал/шум на входе): В зависимости от назначения УУ возможна оценка динамического диапазона по выходному сигналу, гармоническим и комбинационным составляющим и др.

Классы усиления.

Чтобы различать динамику изменений режимов работы транзистора, например, при расчете их энергопотребления и тепловыделения, различают пять основных классов усиления, которые обозначаются прописными латинскими буквами: А, В, АВ, C, D.

Класс усиления А. При работе в данном классе усиления транзистор все время находится в активном режиме (рис. 4.1). Режим характеризуется тем, что РТ находится в середине линейного участка входной характеристики (в середине нагрузочной характеристики), амплитудные значения сигналов не выходят за те пределы нагрузочной прямой, изменения тока коллектора пропорциональны изменениям тока базы.

При работе в классе А: коэффициент гармоник - K _г = минимальный, КПД невысокий η = (25…30)%. Усилители класса А применяются в основном в качестве маломощных предварительных каскадов и иногда в качестве оконечных.

Рис. 4.1

Класс усиления В. Этот класс характеризуется тем, что РТ находится в начале входной характеристики (рис. 4.2). Ток нагрузки протекает по коллекторной цепи транзистора только в течение одного полупериода входного сигнала, а в течение второго полупериода транзистор закрыт, так как его рабочая точка будет находиться в зоне отсечки. Угол отсечки определяет ту часть периода, в течение которого транзистор открыт.

Рис. а) угол отсечки б) зависимость коэффициента усиления каскада от угла отсечки

 

При работе в классе B: - угол отсечки θ = 90°, - КПД значительно выше чем в классе А, η = (65…70)%, - коэффициент гармоник: K _г ≤ 10% (большой уровень нелинейных искажений,

что вызвано повышенной нелинейностью усиления транзистора, когда он находится вблизи режима отсечки).

Для того, чтобы усилить входной сигнал в течение обоих полупериодов, используют двухтактные схемы усилителей, когда в течение одного полупериода работает один транзистор, а в течение другого полупериода – второй транзистор в этом же режиме. Режим класса В обычно используют в мощных усилителях. Коэффициент усиления тоже зависит от угла отсечки выходного тока. При уменьшении Θ он уменьшается. График зависимости коэффициента усиления от угла отсечки приведен на рис (посредине).

Рис. 4.2 Класс В Рис. 4.3 Класс АВ Рис.4.4 Класс С

Класс усиления АВ. Данный класс усиления является промежуточным между классами А и В. В этом случае транзистор также переключается между режимом отсечки и активным режимом, но преобладающим является все-таки именно активный режим (рис. 4.3). Незначительное понижение КПД усилительного каскада в классе АВ компенсируется существенным уменьшением нелинейных искажений при усилении одного из полупериодов входного сигнала. При работе в классе АB - угол отсечки θ > 90°, - КПД средний между классами А и В η = (50…55)%, - коэффициент гармоник K _г ≤ 3% (средний уровень нелинейных искажений).

Схемы усилителей мощности строятся так, что участок со значительными нелинейностями, когда транзистор переходит из режима отсечки в активный режим и наоборот, просто не оказывает влияния на выходной сигнал.

Класс усиления С. В классе усиления С транзистор большую часть периода изменения напряжения входного сигнала находится в режиме отсечки, а в активном режиме – меньшую часть (рис. 4.4).

При работе в классе С: - угол отсечки θ < 90°, - КПД высокий η = (75…85)%, - коэффициент гармоник K _г ≥ 10% (очень высокий уровень нелинейных искажений).

Этот класс часто используется в выходных каскадах мощных резонансных усилителей (например, в радиопередатчиках) с повышенным КПД.

Класс усиления D обозначает ключевой режим работы, при котором биполярный транзистор может находиться только в двух устойчивых состояниях: или полностью открытом (режим насыщения), или полностью закрытом (режим отсечки).

Для получения большего усиления, УУ соединяются между собой. Для исключения взаимного влияния друг на друга при передаче сигнала применяют различные типы межкаскадной связи.

Основные типы межкаскадных связей:

· непосредственная,

· резистивно-емкостная,

· трансформаторная.

Межкаскадные связи при помощи контуров

а) индуктивная связь (трансформаторная) б) автотрансформаторная связь

в) емкостная связь г) емкостная связь с неполным включением контуров.

Неполное включение контура:

Для уменьшения влияния выходного сопротивления транзистора на параметры и частотные характеристики усилителя используют частичное (неполное) подключение транзистора и нагрузки к контуру (рис.7).

Вносимые сопротивления в этом случае уменьшаются в р² раз, где р – коэффициент включения.

Коэффициент передачи при этом уменьшается, добротность контура сохраняется.

 

Вводят понятие коэффициент включения контура:

 

 

Сравнение последовательного и параллельного контуров - экв. расстройка

Последовательный контур	Параллельный контур
1. Резонанс напряжений ,	1. Резонанс токов ,
2.	2.
3.	3.
4. В последовательном контуре добротность показывает, во сколько раз напряжение на реактивных элементах (на выходе) больше, чем напряжение на входе. Это явление называется резонанс напряжений.	4. В параллельном контуре добротность показывает, во сколько раз ток ветвей больше общего тока в момент резонанса. Это явление называется резонанс токов.

Усилитель, у которого часть энергии выходного сигнала подается на вход, называется усилителем с обратной связью. Структурная схема усилителя с обратной связью показана на рисунке:

 

 

На вход усилителя с коэффициентом усиления К подается сигнал y. Он равен сумме входного сигнала Хвх и сигнала z, поступающего по цепи обратной связи z = β · Хвых. Здесь β - коэффициент обратной связи. Сигнал на выходе усилителя Хвых будет равен y · K, или: Хвых = (Хвх + β · Хвых) · К. Связь между входным и выходным сигналами в таком усилителе равна:

 

Коэффициент усиления усилителя с обратной связью равен:

 

Если на входе сигналы суммируются y = Хвх + Z, такая обратная связь называется положительной. Положительная обратная связь используется в генераторах.

 

В усилителях используется отрицательная обратная связь (ООС), при которой y = Хвх - Z.

Коэффициент усиления усилителя с ООС равен

 

, где К – коэффициент прямой передачи, или коэффициент усиления без обратной связи, β – коэффициент передачи цепи обратной связи, 1 + β·k – глубина обратной связи, β·k – петлевое усиление.

При β·k >> 1, Koc ≈ 1/β, т.е. при глубокой ООС зависит только от свойств цепи обратной связи.

В общем случае K и Β имеют комплексный характер .