Амплитудно-частотные характеристики усилителя

У корректирующих усилителей, предназначенных для исправления амплитудно-частотных искажений других звеньев тракта или подчеркивания и ослабления определенных составляющих усиливаемого сигнала, заранее предусматривают неравномерную амплитудно-частотную характеристику (например, рис. выше, в) или возможность ее регулирования (см. рис. выше, г). При этом граничные частоты f _ни f _в должны характеризовать область частот, в пределах которой отклонения реальной характеристики от заданной не превышают определенной величины (например, 3_ДБ).

Для видеоусилителей не менее важной является фазочастотная характеристикаφ (ω), описывающая зависимость сдвига фаз, вносимого усилителем, от частоты. Для сохранения формы сложных колебаний не обязательно требовать пренебрежимо малые фазы фазовые сдвиги во всей полосе усиливаемых частот. Необходимым условием является линейная зависимость фазового сдвига от частоты, т.к. при этом все гармонические составляющие претерпевают одинаковую временную задержку, причем выходной сигнал лишь сдвигается во времени относительно входного. Такое условие выполняется в том случае, если фазочастотная характеристика линейна.

Однако у физически реализуемых систем линейная фазочастотная характеристика не совместима с идеальной (плоской) амплитудно-частотной и на практике линейную форму имеет лишь ограниченный ее участок.

Под фазовыми искажениями принято понимать отклонение фазочастотной характеристики от линейной в заданной полосе частот.

Сведения, содержащиеся в амплитудно-частотной и фазочастотной характеристиках, сочетает в себе амплитудно-фазовая характеристика, представляющая собой годограф вектора коэффициента усиления К (jω) в комплексной плоскости при изменении частоты ω от нуля до бесконечности. Длина радиус-вектора этой характеристики указывает величину модуля коэффициента усиления К (ω), а угол, образуемый вектором с положительным направлением вещественной оси, — аргумент φ (ω). Для установления значений модуля и аргумента коэффициента усиления на разных частотах на амплитудно-фазовой характеристике отмечают ряд точек, соответствующих определенным частотам.

ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ.
Наряду с частотными характеристиками, опирающимися на метод гармонического анализа, для определения искажений формы сложного колебания применяются переходные характеристики, иллюстрирующие форму выходного напряжения или тока при воздействии на вход усилителя скачка напряжения (единичной ступенчатой функции) или очень короткого импульса (δ- функции).

Временные характеристики — переходные в области малых и больших — форму отклика называют переходной характеристикой усилителя h (t), а временные характеристики — импульсная и искажения прямоугольного импульса — импульсной переходной характеристикой, или весовой функцией g (t).

По весовой функции можно определить выходной сигнал усилителя при произвольном входном сигнале u _вх(t) с помощью интеграла свертки:

Переходная характеристика h (t) наглядно описывает искажения сигнала, возникающие при усилении прямоугольных импульсов.

Основными показателями этих искажений считаются:

§ время запаздывания t _з;

§ длительность фронта t _ф;

§ время спада t _с.

 

27.Обратная связь в усилителях.

Обратной связью называют связь между электрическими цепями, при которой часть энергии выходного сигнала передаётся на вход, т.е. из цепи с более высоком уровнем сигнала в цепи с более низким его уровнем. Обратная связь значительно влияет на свойства и характеристики усилителя, поэтому её часто вводят в усилитель (схему устройства) для изменения его свойств в нужном направление. Такая обратная связь называется внешней. Обратная связь может возникнуть и самопроизвольно, например, из-за физических особенностей усилительного элемента. Такая обратная связь называется внутренней обратной связью. Обратная связь возникающая из-за паразитных связей (емкостных, индуктивных и др.) называется паразитной.

Цепь обратной связи вместе с частью схемы усилителя, к которой она подключена, образует замкнутый контур, называемый петлёй обратной связи, рис. 4.1.

Рис. 4.1. Обратная связь в усилителе К – коэффициент усиления усилителя Β – коэффициент передачи цепи обратной связи.

При проектировании и конструировании радиоэлектронных схем принимают меры для ослабления или ликвидации внутренних и паразитных обратных связей. Если в усилителе имеется одна петля обратной связи, то связь называют однопетлёвой, если петель обратной связи несколько, связь называют многопетлёвой, рис. 4.2а и 4.2б.

Рис. 4.2. – Виды обратной связи

а) Однопетлевая

б) Двухпетлёвая с независимыми петлями.

Отметим, если в петле обратной связи, охватывающей весь усилитель, имеются петли обратной связи, охватывающие отдельные каскады или части усилителя, их называют местными петлями обратной связи.

28. Дифференциальный усилитель

Дифференциальный усилитель - это широко известная схема, используемая для усиления разности напряжений двух входных сигналов. В идеальном случае выходной сигнал не зависит от уровня каждого из входных сигналов, а определяется только их разностью. Когда уровни сигналов на обоих входах изменяются одновременно, то такое изменение входного сигнала называют синфазным. Дифференциальный или разностный входной сигнал называют еще нормальным или полезным. Хороший дифференциальный усилитель обладает высоким коэффициентом ослабления синфазного сигнала (КОСС), который представляет собой отношение выходного полезного сигнала к выходному синфазному сигналу, при условии что полезный и синфазный входные сигналы имеют одинаковую амплитуду. Обычно КОСС определяют в децибелах. Диапазон изменения синфазного входного сигнала задает допустимые уровни напряжения, относительно которого должен изменяться входной сигнал.

 

Дифференциальные усилители используют в тех случаях, когда слабые сигналы можно потерять на фоне шумов. Примерами таких сигналов являются цифровые сигналы, передаваемые по длинным кабелям (кабель обычно состоит из двух скрученных проводов), звуковые сигналы (в радиотехнике понятие «балансный» импедане обычно связывают с дифференциальным импедансом 600 Ом), радиочастотные сигналы (двухжильный кабель является дифференциальным), напряжения электрокардиограмм, сигналы считывания информации из магнитной памяти и многие другие. Дифференциальный усилитель на приемном конце восстанавливает первоначальный сигнал, если синфазные помехи не очень велики. Дифференциальные каскады широко используют при построении операционных усилителей, которые мы рассматриваем ниже. Они играют важную роль при разработке усилителей постоянного тока (которые усиливают частоты вплоть до постоянного тока, т.е. не используют для межкаскадной связи конденсаторы): их симметричная схема по сути своей приспособлена для компенсации температурного дрейфа.

 

На рис. 2.67 показана основная схема дифференциального усилителя. Выходное напряжение измеряется на одном из коллекторов относительно потенциала земли; такой усилитель называют схемой с однополюсным выходом или разностным усилителем и он распространен наиболее широко. Этот усилитель можно рассматривать как устройство, которое усиливает дифференциальный сигнал и преобразует его в несимметричный сигнал, с которым могут работать обычные схемы (повторители напряжения, источники тока и т. п.). Если же нужен дифференциальный сигнал, то его снимают между коллекторами.

 

Рис. 2.67. Классический транзисторный дифференциальный усилитель.

 

Чему равен коэффициент усиления этой схемы? Его нетрудно подсчитать: допустим, на вход подается дифференциальный сигнал, при этом напряжение на входе 1 увеличивается на величину u_вх (изменение напряжения для малого сигнала по отношению ко входу).

 

До тех пор пока оба транзистора находятся в активном режиме, потенциал точки А фиксирован. Коэффициент усиления можно определить как и в случае усилителя на одном транзисторе, если заметить, что входной сигнал оказывается дважды приложенным к переходу база-эмиттер любого транзистора: К_диф = R_к/2(r_э + R_э). Сопротивление резистора R_э обычно невелико (100 Ом и меньше), а иногда этот резистор вообще отсутствует. Дифференциальное напряжение обычно усиливается в несколько сотен раз.

 

Для того чтобы определить коэффициент усиления синфазного сигнала, на оба входа усилителя нужно подать одинаковые сигналы ивх. Если вы внимательно рассмотрите этот случай (и вспомните, что через резистор R₁ протекают оба эмиттерных тока), то получите К_синф = - R_к/(2R₁ + R_э). Мы пренебрегаем сопротивлением r_э, так как резистор R₁ обычно выбирают большим - его сопротивление составляет по крайней мере несколько тысяч ом. На самом деле сопротивлением R_этоже можно пренебречь. КОСС приблизительно равен R₁(r_э + R_э). Типичным примером дифференциального усилителя является схема, представленная на рис. 2.68. Рассмотрим, как она работает.

 

Рис. 2.68. Вычисление характеристик дифференциального усилителя.
К_диф = U_вых/(U₁ - U₂) = R_к/2(R_э + r_э):
К_диф = R_к/(2R₁ + R_э + r_э);
КОСС ≈ R₁/(R_э + r_э).

 

Сопротивление резистора R_к выбрано так. чтобы коллекторный ток покоя можно было взять равным 100 мкА. Как обычно, для получения максимального динамического диапазона потенциал коллектора установлен равным 0,5 U_кк. У транзистора Т₁ коллекторный резистор отсутствует, так как его выходной сигнал снимается с коллектора другого транзистора. Сопротивление резистора R₁выбрано таким, что суммарный ток равен 200 мкА и поровну распределен между транзисторами, когда входной (дифференциальный) сигнал равен нулю. Согласно только что выведенным формулам коэффициент усиления дифференциального сигнала равен 30, а коэффициент усиления синфазного сигнала равен 0,5. Если исключить из схемы резисторы 1.0 кОм, то коэффициент усиления дифференциального сигнала станет равен 150, но при этом уменьшится входное (дифференциальное) сопротивление с 250 до 50 кОм (если необходимо, чтобы величина этого сопротивления имела порядок мегаом, то во входном каскаде можно использовать транзисторы Дарлингтона).

 

Напомним, что в несимметричном усилителе с заземленным эмиттером при выходном напряжении покоя 0,5 U_кк максимальное усиление равно 20 U_кк, где U_кк выражено в вольтах. В дифференциальном усилителе максимальное дифференциальное усиление (при R_э = 0) вдвое меньше, т.е. численно равно двадцатикратному падению напряжения на коллекторном резисторе при аналогичном выборе рабочей точки. Соответствующий максимальный КОСС (при условии, что R_э = 0) также численно в 20 раз превышает падение напряжения на R₁.

 

30.Составной транзистор.

Составной транзистор (транзистор Дарлингтона) — объединение двух или более биполярных транзисторов^[1] с целью увеличения коэффициента усиления по току^[2]. Такие транзисторы используются в сильноточных схемах, например, в схемах стабилизаторов напряжения, выходных каскадах усилителей мощности) и во входных каскадах усилителей, если необходимо обеспечить большой входной импеданс и малые входные токи.

Составной транзистор имеет три вывода (база, эмиттер и коллектор), которые эквивалентны выводам обычного одиночного транзистора. Коэффициент усиления по току типичного составного транзистора, (иногда ошибочно называемого «супербета»^[3]), у мощных транзисторов (например, КТ825) ≈1000 и у маломощных транзисторов ≈50000. Это означает, что небольшого тока базы достаточно для того, чтобы составной транзистор открылся ли насытился.

Высокие значения коэффициента усиления в составных транзисторах реализуются только в статическом режиме, поэтому составные транзисторы нашли широкое применение во входных каскадах операционных усилителей. В схемах на высоких частотах составные транзисторы уже не имеют таких преимуществ — граничная частота усиления по току и быстродействие составных транзисторов меньше, чем эти же параметры для каждого из транзисторов VT1 и VT2.

Достоинства составного транзистора:

· Высокий коэффициент усиления по току.

· Схема Дарлингтона изготавливается в виде интегральных схем и при одинаковом токе рабочая поверхность кремния меньше, чем у биполярных транзисторов. Данные схемы представляют большой интерес при высоких напряжениях.

Недостатки составного транзистора:

· Низкое быстродействие, особенно перехода из открытого состояния в закрытое. По этой причине составные транзисторы используются преимущественно в низкочастотных ключевых и усилительных схемах, на высоких частотах их параметры хуже, чем у одиночного транзистора.

· Прямое падение напряжения на переходе база-эмиттер в схеме Дарлингтона почти в два раза больше, чем в обычном транзисторе, и составляет для кремниевых транзисторов около 1,2 — 1,4 В (не может быть меньше, чем удвоенное падение напряжения на p-n переходе).

· Большое напряжение насыщения коллектор-эмиттер, для кремниевого транзистора около 0,9 В (по сравнению с 0,2 В у обычных транзисторов) для маломощных транзисторов и около 2 В для транзисторов большой мощности (не может быть меньше чем падение напряжения на p-n переходе плюс падение напряжения на насыщенном входном транзисторе).

Применение нагрузочного резистора R1 позволяет улучшить некоторые характеристики составного транзистора. Величина резистора выбирается с таким расчётом, чтобы ток коллектор-эмиттер транзистора VT1 в закрытом состоянии создавал на резисторе падение напряжения, недостаточное для открытия транзистора VT2. Таким образом, ток утечки транзистора VT1 не усиливается транзистором VT2, тем самым уменьшается общий ток коллектор-эмиттер составного транзистора в закрытом состоянии. Кроме того, применение резистора R1 способствует увеличению быстродействия составного транзистора за счёт форсирования закрытия транзистора VT2. Обычно сопротивление R1 составляет сотни Ом в мощном транзисторе Дарлингтона и несколько кОм в малосигнальном транзисторе Дарлингтона. Примером схемы с эмиттерным резистором служит мощный n-p-n — транзистор Дарлингтона типа кт825, его коэффициент усиления по току равен 10000 (типичное значение) для коллекторного тока, равного 10 А.

31.Комплементарный усилитель мощности.