Амплитудная характеристика и динамический диапазон

Амплитудной характеристикой (АХ) усилителя называется зависимость амплитудного или действующего значения выходного напряжения от входного синусоидального напряжения (рис 1.3, б). Отношение выходного и входного напряжений равно коэффициенту усиления K. Поэтому амплитудная характеристика, казалось бы, должна быть прямой линией, исходящей из начала координат. Однако в действительности она совпадает с этой прямой только в средней части, на участке АВ.

Начальный участок АХ отклоняется от прямой из-за наличия на выходе усилителя напряжения собственных помех U _п.

Верхний загиб АХ обусловлен наступлением перегрузки одного из каскадов усилителя, чаще всего оконечного, в результате чего начинается ограничение выходного колебания. Дело в том, что любой каскад в состоянии пропустить переменное напряжение с амплитудой не превышающей некоторого значения. Использование верхнего криволинейного участка характеристики приводит к нелинейным искажением. Однако их величину по кривизне этой характеристики не оценивают, так как она отражает не все виды нелинейных искажений. Верхний изгиб используют лишь для определения порога перегрузки. По графику АХ лишь весьма приближенно можно судить о характере и степени нелинейности (непостоянства) передаточных свойств каскада, т. е. о зависимости этих свойств от уровня усиливаемого сигнала. Более подробно принципы представления передаточных свойств нелинейных цепей рассмотрены в гл. 5.

Динамическим диапазоном D усилителя называется отношение наибольшего выходного (или входного) напряжения усилителя к наименьшему в пределах линейной части амплитудной характеристики:

D =U _вых2 /U _вых1= U _вх2 /U _вх1. (1.5)

Обычно он выражается в децибелах D, дБ = 20 lg D и составляет 40…60 дБ. Амплитуда колебания, представляющего реальный (например, речевой) усиливаемый сигнал, непрерывно изменяется от минимального до максимального значения, отношение которых называется динамическим диапазоном сигнала D _с = U _{с max} / U _{c min}. Так, для радиовещательных речевых сигналов D _с≈40 дБ, для симфонического оркестра D _с≈70 дБ. Чтобы усилитель мог воспроизвести на выходе все изменения уровня входного сигнала, надо обеспечить D ≥ D _с.

Для некоторых устройств, например логарифматоров, вся АХ является нелинейной и подчиняется определенному закону. Однако ее начало и конец отклоняются от нужного закона нелинейности и по-прежнему имеют вид, показанный на рис. 1.3, б. Такие устройства характеризуются двумя динамическими диапазонами: по входу и выходу, причем D _вх≠ D _вых.

СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ НЕКОТОРЫХ АЭУ

Рассмотренные выше основные технические показатели могут быть отнесены к большинству АЭУ. Однако некоторые устройства, кроме того, характеризуются специфическими показателями, которые рассматриваются в соответствующих главах, посвященных изучению этих устройств. Например, для интегральных операционных усилителей и других аналоговых микросхем применяют такие параметры, как входные токи, ЭДС смещения нуля (приведенная ко входу), максимальная скорость нарастания выходного напряжения, коэффициент ослабления синфазных входных напряжений и др.

Устройства перемножения и деления имеют по два входа, условно обозначаемых х и у. Выходное напряжение перемножителя U _ВЫХ = kU_ХU_Y, а делителя U _ВЫХ = kU_Х / U_Y, где k – специфический показатель, называемый масштабным коэффициентом. Для перемножителя он имеет размерность 1/В, а для делителя – В. Главный показатель этих устройств – погрешность выходного напряжения. Для перемножителей оценивают также величины прямого прохождения или просачивания на выход напряжения одного из сомножителей при равенстве нулю второго.

Специфическим параметром компараторов, являющихся устройствами переключения на основе сравнения двух напряжений, служит время переключения. Основными показателями логарифматора являются динамический диапазон по входному напряжению и максимальная относительная погрешность выходного напряжения. Активные фильтры характеризуются частотами среза и неравномерностью АЧХ в полосе пропускания.

 

Режимы работы усилителей

 

В современных усилительных устройствах усилительные элементы (УЭ) могут работать в различных режимах: A, B, AB, C, AD, BD, BE и ABE. Сравнительно большой ряд режимов работы УЭ объясняется как многообразием самих усилителей, так и очень широкой областью их применения.

Из выходных статистических данных ВАХ УЭ следует, что для получения заданной начальной рабочей точки (точки покоя), которая практически определяет режим работы УЭ, необходимо обеспечить определенный режим питания УЭ по постоянному току.

 

Режим A

 

Этот режим характеризуется тем, что точка покоя выбирается в средней используемой для работы части нагрузочной ВАХ (нагрузочной прямой) УЭ. Положение точки покоя на нагрузочной прямой определяется минимальным допустимым током покоя выходной цепи УЭ, который прямо пропорционален выходной мощности и обратно пропорционален КПД и напряжению питания. Крайние положения точки покоя на нагрузочной прямой должны соответствовать выбранной амплитуде входного сигнала, чтобы обеспечивать эффективный энергетический режим УЭ. Верхнее положение точки покоя выбирается на изгибе выходной статистической ВАХ при максимальной амплитуде сигнала. Если верхнее положение точки покоя отличается от указанного, ее передвигают и вновь проводят нагрузочную прямую через точку покоя и верхнее ее положений, что несколько изменяет сопротивление нагрузки по переменному току. Например для биполярного транзистора, выходные статические ВАХ которого изображены на рис. 3.1, точка покоя А, показанная на нагрузочной прямой ВС для переменного тока, определяется напряжением покоя U_КЭ и током покоя I_K. Прямая PQ, которая проходит через точку А, также является нагрузочной прямой, но для постоянного тока. Уровень коллекторного тока снизу ограничивается обратным током коллектора I_КБО (точка С), а сверху – током насыщения коллектора (точка В). Как видно из рис. 3.1,а, точка А делит отрезок ВС нагрузочной прямой примерно на две равные части. В связи с этим в режиме А при нормальном уровне сигнала, когда I_Km<I_K, не происходит отсечки тока коллектора и почти не наблюдаются искажения синусоидальной формы коллекторного тока.

Если под действием дестабилизирующих факторов (изменения температуры, напряжения питания, радиации и др.) или в результате неправильно выбранного режима питания УЭ по постоянному току точка покоя А на отрезке ВС нагрузочной прямой сместится вниз (см. рис. 3.1,б), то форма отрицательной полуволны синусоидального тока коллектора исказится, так как ток покоя I_KП окажется меньше амплитудного значения тока I_Кm. В свою очередь, если точка покоя А на отрезке ВС нагрузочной прямой под действием дестабилизирующих факторов сместится вверх (см. рис. 3.1,в), произойдет искажение положительной полуволны тока за счет насыщения тока коллектора.

Таким образом, чтобы не допустить искажения усиливаемого сигнала, необходимо правильно выбрать и стабилизировать точку покоя на нагрузочной прямой, что равнозначно стабилизации режима питания по постоянному току транзистора. При этих условиях режим А обеспечивает малый уровень гармоник. Поэтому он широко применяется в несимметричных однотактных каскадах предварительного усиления, где амплитуда усиливаемого сигнала сравнительно небольшая и не требуются высокие энергетические показания каскада.

 

 

Однако режим А в принципе не в состоянии обеспечить высокий КПД, так как независимо от уровня усиливаемого сигнала УЭ потребляет от источника

питания все время примерно одинаковую мощность. Это связано с тем, что коэффициенты использования коллекторного тока и коллекторного напряжения в режиме А всегда меньше единицы (I_K < I_Km, U_КЭ > U_Km). Отсюда КПД транзис-торного усилительного каскада, работающего в режиме А, всегда меньше 0,5:

 

 

По этой причине режим А в мощных оконечных каскадах, где КПД играет определяющую роль, практически не применяется. Поскольку в режиме А отсутствует отсечка коллекторного тока, то характеризовать этот режим углом отсечки не принято, хотя с определенной оговоркой можно считать угол отсечки в этом режиме равным p.

 

Режим B

 

В режиме В УЭ работает с отсечкой тока (полпериода пропускает ток, полпериода закрыт, как это показано на рис. 3.2,а, кривая 1). Такой режим принято характеризовать углом отсечки q, который равен половине длительности импульса в угловом исчислении. В идеализированных условиях, когда ВАХ УЭ аппроксимируется ломаной прямой, угол отсечки в режиме В равен p/2, раскладывается в ряд Фурье, с помощью которого определяется среднее значение тока, протекающего через УЭ:

 

i(w)= I _m/p+0,5 I _mcoswt+0,212 I _mcos2wt+… (4.2)

Из этого выражения следует, что среднее значение тока зависит от амплитуды усиливаемого сигнала. Когда сигнал отсутствует, среднее значение тока равно нулю и УЭ не потребляет энергию от источника питания. В связи с этим потребляемая энергия УЭ в режиме В оказывается на порядок меньше, чем в режиме А.

Кроме того, за счет лучшего использования тока (коэффициент использования тока I_km/I_K = p/2 = 1,57) предельное значение КПД для режима В h^B= 0,785. Естественно, что при более высоком КПД каскада в УЭ теряется меньшая мощность, он слабее нагревается. Кроме того, при одной и той же рассеиваемой на коллекторе (стоке) мощности полезная мощность на нагрузке может быть больше в пять раз, чем в режиме А.

В режиме В, как видно из (4.5), в несинусоидальном токе велика доля гармоник, что приводит к сильному искажению усиливаемого сигнала. Например, амплитуда второй гармоники в импульсах тока составляет 0,425 от первой. Для подавления значительных четных гармоник при работе УЭ в режиме В необходимо использовать специальные схемотехнические методы – симметричные двухтактные методы. Они содержат идентичные плечи, УЭ которых открываются сигналом поочередно и соединены с нагрузкой таким образом, чтобы из двух токов с углом отсечки p/2, сдвинутых по фазе на p относительно друг друга, в нагрузке получается суммарный синусоидальный ток.

 

4.4.1 Режим АВ

 

Если угол отсечки больше p/2, но меньше p, то получается промежуточной режим АВ между режимами В и А (см. рис 3.2,а, кривая 2). Если в режиме А нелинейные искажения возрастают с увеличением амплитуды усиливаемого сигнала, то в режиме В нелинейные искажения могут появляться и при малых уровнях сигнала за счет нелинейности начальных участков ВАХ УЭ. Режим АВ используется для уменьшения нелинейных искажений усиливаемого сигнала, которые возникают из-за нелинейных начальных участков ВАХ УЭ.

При работе двухтактных каскадов в режиме АВ происходит перекрытие положительной и отрицательной полуволн тока плеч двухтактного каскада, что приводит к компенсации искажений полученных за счет нелинейности начальных участков ВАХ УЭ. При использовании режима АВ в двухтактном каскаде помимо уменьшения нелинейных искажений можно упростить цепи питания УЭ, что имеет существенное значение для повышения надежности. Точка покоя на нагрузочной прямой в режиме АВ выбирается выше, чем в режиме В. При этом ток покоя УЭ должен составлять 0,05…0,1 от его максимального значения.

 

⇐ Предыдущая123

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: