Файл: С.Н. Гринфельд Физические основы электроники уч. пособие.doc

M_н =K_ср/K_н иM_в=K_ср/K_в.

Частотные искажения в усилителе всегда сопровождаются появлением фазовых искажений. При усилении синусоидального сигнала с неизменной час­тотой линейные искажения не играет большой роли: на одной определенной частоте всегда можно добиться доста­точного усиления, а фазовые сдвиги скомпенсировать. Проб­лема линейных искажений возникает тогда, когда сигнал имеет сложную форму. Для такого сигнала фазочастотные искажения не менее, а часто более существен­ны, чем амплитудно-частотные.

Фазовые искажения не влияют на спектральный состав и соотношение амплитуд гармонических составляющих сложного сигнала, а вызывают изменение его формы в результате различных фазовых сдвигов, возникающих у отдельных составляющих сигнала после прохождения через усилитель.

Влияние фазовых искажений на форму сигнала, состоящего из двух гармоник, упрощенно поясняется на рис. 6.7, а и б. Построение проведено при условии, что коэффициент усиления не зависит от частоты, но для второй гармоники усилитель вносит сдвиг фаз на угол φ = π/4. Из графика (рис. 6.7, б) видно, что форма выходного сигнала очень сильно отличается от формы входного, следовательно, большие фазовые искажения не менее существенно, чем частотные, влияют на качество работы усилителя.

Фазочастотные искажения от­сутствуют при отсутствии относительного сдвига гармоник. Для этого должно соблюдаться условие:

_n =n₁.

Это условие выполняется, если фазочастотная характеристика линейна (рис. 6.7, в):

 = a

Вотличие от линейных искажений,нелинейные искаженияв усилителях обусловлены наличием нелинейных элемен­тов, в первую очередь, транзисторов, а также других элементов с нелинейными ВАХ. Нелинейные искажения связаны только с амплитудой входного сигнала и не связаны с его частотой.

При входном сигнале синусоидальной формы нелинейные искажения проявляются в том, что выходной сигнал не явля­ется синусоидальным. При разложении в ряд он оказывается состоящим из основной гармоники, имеющей частоту вход­ного сигнала, и ряда высших гармоник. Величина нелинейных искажений в случае синусоидального сигнала оценивается коэффициентом нелинейных искажений

При наличии нелинейных искажений напряжение или ток первой гармоники является полезным усиленным сиг­налом. Все высшие гармоники, начиная со второй, являются следствием нелинейных искажений. Уровень нелинейных искажений пропорционален мощности высших гармоник, и при усилении синусоидального сигнала оценивается коэффициентом нелинейных искажений (клирфактором):

,

где n– номер гармоники.

При оценке нелинейных искажений в большинстве случаев учитывают только вторую и третью гармоники, так как более высокие гармоники выходного сигнала обычно имеют малую мощность. B многокаскадных усилителях (когда каскады вносят примерно одинаковые нелинейные искажения) общий коэффициент нелинейных искажений принимается равным сумме коэффициентов нелинейных искажений каждого каскада:

K_г≈K_г1+K_г2 + … +K_гn

B общем случае нелинейные искажения отдельных кас­кадов могут частично компенсировать друг друга вслед­ствие сдвига колебаний по фазе. Реальные усиливаемые сигналы в большинстве случаев отличаются от синусоидаль­ных. При их усилении возникают новые гармоники и гар­моники комбинационных частот, поэтому величина K_г не дает полной оценки уровня нелинейных искажений сигнала со сложным спектральным составом.

B многокас­кадных усилителях наибольшие нелинейные искажения обычно возникают в оконечных каскадах, на вход которых поступают сигналы с большой амплитудой.

При отсутствии линейных искажений (т.е. реактивных элементов в схеме усилителя) соотношение основной и выс­ших гармоник на выходе не зависит от частоты входного сиг­нала, а зависит только от его амплитуды; характерно также отсутствие какого бы то ни было сдвига фаз между входным и выходным сигналами.

Сигнал сложной формы, очевидно, сам состоит из ряда гармоник. Поэтому его нелинейные искажения проявляются либо в возникновении дополнительных гармоник, либо (в слу­чае бесконечного ряда гармоник на входе) – в изменении «спектрального состава гармоник», т.е. соотношения их ам­плитуд.

Следует отметить, что между линейными и нелинейными искажениями существует связь, несмотря на их различное происхождение. Пусть, например, в каком-либо промежуточ­ном каскаде усилителя получились нелинейные искажения, т.е. появились высшие гармоники. Эти гармоники могут быть либо дополнительно подчеркнуты, либо частично подавлены, в зависимости от вида частотных характеристик последую­щих каскадов.

Полное отсутствие нелинейных искажений принципиально невозможно, потому что в усилителях используются такие управляющие элементы, как биполярные или полевые тран­зисторы. На рис.6.8 приведен пример возникновения нелинейных искажений, обусловленные нелинейностью ВАХ биполярного транзистора. Из графиков видно, что при подаче на базу транзистора напряжения синусоидальной формы входной ток базы будет отличаться от синусоиды.

6.3. Обратные связи в усилителях

6.3.1. Виды обратных связей

Ч

Рис. 6.9. Простейшая функциональная схема усилителя с ОС

Усилитель с коэффициентом усиления K_u, охвачен цепью ОС с коэффициентом передачи β. Цепь ОС совместно с цепью усилителя, которую она охватывает, образует замкнутый контур, называемыйпетлей ОС.

Произведение

β K_u

в усилительной технике называют петлевым усилениемили фактором ОС.

О

Рис. 6.10. Многопетлевая схема усилителя с ОС

Обратная связь, охватывающую лишь один каскад усилителя (цепи с β₁и β₂), называютместнойОС, а ОС, охватывающую несколько каскадов (цепь с β) –общейОС (см. рис. 6.10). В зависимостиот схемной реализации усилителяОС может быть осуществлена по постоянному току, по переменному току, а также и по постоянному и по переменному току.

Взависимостиот способа получения сигналаU_ocразличают ОСпо токуинапряжению:

• если цепь ОС подключается к выходу усилителя параллельно его нагрузке (R_н), то напряжение ОС (U_ос) будет пропорционально напряжению на выходе, такую ОС называютОС по напряжению (рис. 6.11,a);

• если же цепь ОС подключена к выходу усилителя последовательно с его нагрузкой, то напряжение ее будет пропорционально току в нагрузке (I_н); такую ОС называютОС по току (рис. 6.11, б).

Возможна комбинация этих способов подключения цепи ОС к выходу, в этом случае сигнал ОС пропорционален как напряжению, так и току выходной цепи. Эта ОС называется комбинированной (рис. 6.11, в).

По способу подачи сигналаОС на вход усилителя различают последовательную и параллельную ОС и смешанную:

• обратную связь называют последовательной, если сигнал ОС действует во входной цепи последовательно с входным сигналом (U_вх), приэтом происходит суммирование входного напряжения (U_вх)и напряжения ОС (рис. 6.12, а);

• если же цепь ОС подключается ко входу параллельно источнику сигнала, то ОС называютпараллельной (рис. 6.12, б). При этой связи происходит суммирование токовI_вхи ОС;

• всмешаннойсхеме введения ОС с входным сигналом суммируются ток и напряжение цепи ОС (рис. 6.12, б).

Обратная связь может быть положительной или отрицательной. Положительная ОС (ПОС) возникает в том случае, когда напряжение обратной связи (U_ос) совпадает по фазе с входным напряжением (U_вх). Если напряжение обратной связи (U_ос) противоположно по фазе входному напряжению (U_вх), т.е. они сдвинуты относительно друг друга на 180º, то ОС называетсяотрицательной (ООС). В усилительных устройствах в основном применяется ООС.

И

Рис. 6.13. Структурная схема усилителя с последовательной ООС по напряжению

Наиболее распространенной в усилителях является последовательная отрицательная ОС по напряжению (рис. 6.13). Рассмотрим влияние этого вида ОС на характеристики и параметры усилителя. Здесь усилитель с коэффициентом усиления

K=U_вых/U_вх

охвачен ОС с коэффициентом передачи

β=U_ос/U_вых,

где коэффициент β может принимать значения от 0 до +1 при положительной ОС и от 0 до -1 при отрицательной ОС.

В общем случае напряжение ОС определяется из выражения:

U_ос= ± βU_вых.