Усилители на биполярных транзисторах (стр. 5 из 6)

;

Часто используют величину, обратную нормированному усилению. Она носит название коэффициента частотных искажений.

M_H=1/G_H; M_B=1/G_B.

Вследствие отклонения реальной фазочастотной характеристики усилителя от идеальной в нем имеют место фазовые искажения. Они вызваны неодинаковым сдвигом по фазе отдельных гармонических составляющих спектра сигнала сложной формы, что обусловлено наличием в цепях усилителя реактивных компонентов и инерционными свойствами полупроводниковых приборов. В результате такого неодинакового сдвига по фазе отдельных гармоник форма сигнала на выходе усилителя может стать существенно отличной от формы входного сигнала. Если вносимый усилителем фазовый сдвиг на частоте п-й гармоники пропорционален частоте

, то сигнал на выходе усилителя окажется смещенным во времени на величину . Ее называют временем задержки или временем фазового пробега. Таким образом, если — вносимый усилителем фазовый сдвиг на частоте п-й гармоники — пропорционален частоте ( ), то взаимное расположение гармоник, а следовательно, и форма сигнала не подвергаются изменению.

На практике можно лишь с той или иной точностью приблизиться к идеальным частотной и фазовой характеристикам в полосе пропускания

f=f_B —f_H, в пределах которой находится спектр усиливаемого сигнала.

Нелинейные искажения

Искажения, возникающие в усилителях вследствие нелинейности передаточных характеристик электронных приборов и характеристик намагничивания сердечников трансформаторов, называются нелинейными искажениями. При наличии нелинейных искажений в усилителе (в реальных усилителях они есть всегда) на его выходе возникают новые частоты (гармоники), отсутствующие во входном сигнале.

Общий уровень нелинейных искажений количественно оценивается коэффициентом нелинейных искажений (коэффициентом гармоник):

,

где

, — амплитуды 1-й, 2-й, 3-й и т.д. гармоник выходного сигнала.

Практически имеют значение только вторая и третья гармоники. Обычно коэффициент нелинейных искажений выражается в процентах. Например, для усилителей низкой частоты простейшей бытовой радиоаппаратуры максимальным приемлемым уровнем можно считать 15...20%, а для высококачественных усилителей современной стереоаппаратуры коэффициент нелинейных искажений составляет десятые или даже сотые доли процента.

Еще один вид нелинейных искажений обусловлен появлением в выходном сигнале т.н. комбинационных частот, т.е. частот, получающихся как сумма или разность между любыми (в т.ч. и первыми) гармониками различных сигналов, присутствующих на входе усилителя. Такие искажения принято называть интермодуляционными искажениями. На практике имеют значение интермодуляционные искажения второго и третьего порядков (если

и f₂ — частоты, присутствующие на входе, то интермодуляционные искажения второго порядка обусловлены наличием на выходе усилителя сигналов с частотами f₁ ±f₂, а интермодуляционные искажения третьего порядка — с частотами 2 ±f₂ и 2f₂ ± ). Коэффициентом интермодуляции называется отношение мощности интермодуляционных составляющих на выходе усилителя к минимально возможной выходной мощности полезного сигнала, превышающей уровень собственных шумов усилителя.

Абсолютный уровень интермодуляционных искажений принято оценивать по положению т.н. интермодуляционных точек. Если линейный участок динамической характеристики условно продлить в области высокой входной мощности (когда эта характеристика на самом деле уже не линейна) и одновременно наложить на этот график линию, отражающую суммарную мощность интермодуляционных составляющих второго (третьего) порядка, то точка пересечения этой линии с продленным графиком называется, соответственно, точкой интермодуляции второго (третьего) порядка.

В реальных схемах интермодуляционные искажения второго порядка часто растут медленнее интермодуляционных искажений третьего прядка. Так что интермодуляционная точка третьего порядка лежит ниже (соответствует меньшему уровню входной мощности) интермодуляционной точки второго порядка и имеет большее значение.

Помимо интермодуляционных точек часто говорят о соответствующих им динамических диапазонах по интермодуляции. Выше мы уже дали определение амплитудного динамического диапазона как отношения амплитуд сигнала в точке компрессии и в точке его возможного минимума (определяется собственными шумами). Аналогично вводится и понятие динамического диапазона по интермодуляции, т.е. диапазона уровней мощности входного сигнала, в котором обеспечивается его "безынтермодуляционная" обработка. Снизу такой диапазон также ограничен уровнем собственных шумов усилителя. А вот его верхняя граница определяется как точка, в которой уровень соответствующих интермодуляционных помех становится выше уровня собственных шумов, т.е. эти помехи начинают оказывать на выходной сигнал влияние большее, чем собственные шумы.

Коэффициент шума

Коэффициент шума характеризует уровень шумов (искажений случайного характера, обусловленных различными механическими, тепловыми, молекулярными, электронными и т.п. процессами в радиокомпонентах и соединительных проводниках), привносимых в сигнал при его прохождении через усилитель. В реальных условиях сигнал уже содержит шумы, когда поступает на вход усилителя. Поэтому коэффициент шума определяется следующим образом:

— мощность шумов на входе усилителя;

— мощность шумов на выходе усилителя;

— мощность полезного сигнала на входе усилителя;

— мощность полезного сигнала на выходе усилителя;

— собственная мощность шумов (мощность добавляемых в сигнал шумов).

Коэффициент полезного действия

Коэффициент полезного действия (КПД) отражает эффективность усилителя. Он равен отношению полезной выходной мощности (мощности полезного сигнала) к мощности, затрачиваемой источником питания на функционирование усилителя:

Выходная мощность

Номинальная выходная мощность

— мощность полезного сигнала на выходе усилителя при работе на расчетную нагрузку и заданном коэффициенте гармоник или нелинейных искажений, т.е.максимальная мощность, при которой не превышается заданный уровень искажений.

Входные и выходные параметры усилителя

Помимо параметров, описывающих работу усилителя в целом, не менее важными являются характеристики его входной и выходной цепей. К ним относят в первую очередь входное и выходное сопротивления усилителя:

где

— номинальные амплитудные значения напряжения и тока первой гармоники на выходе усилителя.

В высокочастотных усилителях значительными становятся реактивные составляющие, поэтому здесь должны рассматриваться комплексные амплитуды:

Комплексные величины

, называют, соответственно, входным и выходным импедансом усилителя. В диапазоне СВЧ, где анализ цепей производится в терминах их волновых свойств, для оценки параметров входных и выходных цепей усилителя могут применяться соответствующие коэффициенты отражения по входу/выходу

7. Обратные связи в усилителях

Одной из особенностей электронных усилителей является то, что они обладают преимущественно однонаправленной передачей сигналов, т.е. такой, при которой прохождение сигнала со входа на выход существенно лучше, чем обратное прохождение с выхода на вход. Однако иногда такое прохождение (с выхода на вход) может оказаться полезным (в какой-то мере это всегда и неизбежно ввиду наличия внутренних паразитных связей в транзисторах усилительного каскада). В этом случае говорят о введении в усилительный каскад цепей обратной связи (ОС).

Цепи ОС позволяют существенно влиять на многие параметры усилительных каскадов. В первую очередь к ним относятся: коэффициент усиления, амплитудно-частотная характеристика, входное сопротивление и т.п. Различают положительную (ПОС) и отрицательную (ООС) обратные связи. Возникающие помимо желания разработчика обратные связи принято называть паразитными.