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 = uкэiк (Рcmах = uсиic) транзистора.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.