Цепи с обратной связью. Нелинейные цепи. Усилительные устройства. Автоколебательные системы (12-15 главы учебника "Радиотехнические цепи и сигналы" под ред. К.Е.Румянцева), страница 18

φ(ω) — аргумент (фаза) комплексного числа на круговой частоте ω = 2πf. АЧХ усилителя характеризует зависимость модуля коэффициента усиления K(ω), а ФЧХ — фазы сигнала φ(ω) от частоты. На рис. 14.2 показаны АЧХ и ФЧХ усилительного устройства.

Рис. 14.2. АЧХ (а) и ФЧХ (б) усилительного устройства

               На граничных частотах fн и fв полосы пропускания коэффици­ент усиления составляет величину 0,707 номинального коэффи­циента усиления K0, характерного для области средних частот.

               Неравномерность характеристики коэффициента усиления при­водит к тому, что различные спектральные составляющие сигна­ла усиливаются неодинаково. В результате этого возникают час­тотные искажения, выражающиеся, например, в изменении тем­бра выходного сигнала в УЗЧ.

               Зависимость фазы сигнала от частоты говорит о том, что раз­личные спектральные составляющие сигнала имеют разное время прохождения через усилитель. Это приводит к появлению фазо­вых искажений, выражающихся в изменении формы выходного сигнала в сравнении с входным сигналом. Например, прямоуголь­ные импульсы становятся шире (размываются), что может приве­сти к потере информации при ее передаче в линии связи из-за слияния нескольких импульсов в один.

              Переходная характеристика. Под переходной характеристикой понимают временную зависимость значения выходного сигнала при подаче на вход усилителя небольшого скачка напряжения, не нарушающего работу усилителя в линейном режиме. На рис. 14.3 показана переходная характери­стика УУ. Строят эту характери­стику в относительном масшта­бе h(t)=uвых(t)/U0 (см. рис. 14.3), где U0 — номинальное выходное напряжение, которое определя­ется путем продления плоской части вершины до пересечения с фронтом прямоугольного им­пульса.

Рис. 14.3. Переходная характери­стика УУ

              Время, в течение которого фронт выходного процесса на­растает от уровня 0,1 Uo до уровня 0,9U0, называется длительно­стью фронта τф. Превышение максимального значения ампли­туды отклика над уровнем номи­нального напряжения U0[h(t)=1] называется выбросом на вер­шине сигнала. Выброс обознача­ется символом δ и отсчитывает­ся в процентах. На рис. 14.3 не­равномерность вершины откли­ка обозначается символом Δ. Она характеризует снижение верши­ны отклика ниже уровня номи­нального напряжения U0 при про­хождении входного скачка через каскады усилительного устрой­ства. Спад вершины отклика ис­числяется в процентах.

Рис. 14.4. Амплитудная характе­ристика УУ

                 Переходная характеристика однозначно связана с АЧХ и ФЧХ усилителя и используется в первую очередь для оценки искажений, которым подвергается форма сигналов при их усилении.

Амплитудная характеристика. Под амплитудной характеристи­кой УУ (рис. 14.4) понимают зависимость амплитудного или дей­ствующего сигнального выходного напряжения от амплитудного или действующего входного напряжения. В качестве входного сиг­нала, как правило, используют сигнал, изменяющийся по гармо­ническому закону. Отношение выходного и входного напряжений равно коэффициенту усиления К. Так как коэффициент усиления должен иметь постоянную величину для обеспечения неискажен­ного усиления сигнала, то линейный усилитель должен работать в пределах линейного участка амплитудной характеристики (учас­ток от точки 1 до точки 2 на рис. 14.4). Верхний изгиб амплитуд­ной характеристики вызван перегрузкой одного из каскадов уси­лителя (например, работа биполярного транзистора в режиме на­сыщения). Нижний изгиб амплитудной характеристики обуслов­лен в первую очередь собственными шумами усилителя и работой усилительных элементов в режиме отсечки.

14.3. Область безопасной работы и режимы работы усилительных элементов

               Как правило, усилительные устройства строят по многокаскад­ной схеме, так как совместить все требования, предъявляемые к усилителю, в одном каскаде невозможно. В каждом из каскадов ис­пользуется один или несколько усилительных элементов, напри­мер биполярных или полевых транзисторов. Работа биполярного транзистора характеризуется входными и выходными ВАХ (рис. 14.5), а полевого — выходными ВАХ и проходной характеристикой (рис. 14.6).

а                                                  б

Рис. 14.5. Входные (а) и выходные (6) ВАХ биполярного транзистора

                В целях обеспечения нормальной работы усилительного элемен­та необходимо определиться с областью его безопасной работы. Рабо­чая область выделяется на выходных ВАХ транзисторов. При опреде­лении границ рабочей области учитываются следующие моменты.

         1. При определенном напряжении коллектор —эмиттер БТ Uкэmах (см. рис. 14.5, б) или сток-исток ПТ Uсиmах (см. рис. 14.6, а) транзис­тор пробивается (резко возрастает ток коллектора или стока тран­зистора).

Рис. 14.6. Выходные (а) ВАХ и проходная (б) характеристики полевого транзистора

          2.  Для каждого типа транзистора оговаривается максимально допустимый ток коллектора Iк.mах (ток стока Iс.mах), при превыше­нии которого транзистор может выйти из строя.

           3. В области ВАХ, расположенной ниже линий соответствующих iб = 0 и uзи = Uотс, биполярный и полевой транзисторы находятся в области отсечки, где они не управляются входным сигналом и, соответственно, не усиливают входной сигнал. В этом случае Uотс — напряжение отсечки ПТ.

           4. Для БТ попадание рабочей точки в область ВАХ левее линии 1 (см. рис. 14.5, б) характеризует работу этого транзистора в режи­ме насыщения. В этом режиме транзистор не управляется входным напряжением, что приводит к сильному искажению выходного сигнала. Для ПТ нахождение рабочей точки левее линии 1 на вы­ходных ВАХ (см. рис. 14.6, а) характеризует работу транзистора в резко выраженной нелинейной области ВАХ. Это приводит к силь­ному росту нелинейных искажений выходного сигнала.

           5. Для каждого транзистора оговаривается максимальная мощ­ность, рассеиваемая на коллекторе (стоке) Ркmах = uкэiкcmах = uсиic) транзистора.