1.2. Электронный усилитель и его основные нелинейные параметры

В зависимости от назначения электронного усилителя, входящего в состав различной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), существует огромное ко­личество его модификаций, функционирующих в различных частотных диапа­зонах. Поскольку в каждом из усилителей основным элементом является усили­тельный прибор (биполярный (БПТ) или полевой (ПТ) транзисторы.), характеристика передачи которого никогда не является линейной, то выходной сигнал усилителя также никогда не является идентичным входному – он всегда либо искажен по форме (несинусоидален при синусоидальном входном), либо к нему «примешиваются» различные помехи, возникающие в усилителе в процессе нелинейного преобразования входного полезного сигнала f_c (следует заметить, что сам процесс усиления есть процесс нелинейного преобразования сигнала). Эти помехи f_n накладываются на полезный сигнал f_c и нарушают его информационную достоверность. Тем не менее в зависимости от рабочего частотного диапазона усиливаемого сигнала существуют различия в оценке нелинейных параметров усилителя. Так, в усилителе низкой (звуковой) частоты (УНЧ) измеряются нелинейные гармоники, то есть образуемые в усилителе помехи, «кратные» полезному сигналу (f_c) с частотами 2 f_c, 3 f_c, 4 f_c и т.д.

В усилителях, применяемых в различной аппаратуре уплотнения кабельных, релейных и т.д. линий электросвязи, а также в усилителях радиочастоты всех радиоприемных устройств, наиболее опасными продуктами нелинейного преобразования (ПНП) являются так называемые нелинейные помехи второго f_c ± f_n и третьего 2 f_n – f_c (или 2 f_c – f_n) порядков. Их называют интермодуляционными или комбинационными ПНП, так как являются комбинациями из двух или трех сигналов. Их опасность в том, что они, как правило, всегда оказываются по частоте в полосе пропускания усилителя и причем вблизи полезного сигнала, следовательно, нарушают достоверность полезной информации, в то время как кратные ПНП вида 2 f_c, 3 f_c и т.д. практически не опасны, ибо зачастую подавляются добротными резонансными контурами или полосовыми фильтрами усилителя, то есть оказываются за полосой пропускания фильтра.

Учитывая, что анализ и устранение такого вида нелинейных помех в настоящее время продолжает оставаться важным и проблемным в условиях так называемой электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств (РЭС), в лабораторной работе предпринята попытка познакомить студентов с основами анализа и измерения ПНП в вышеупомянутых усилителях радио- и электросвязи.

Основными показателями, характеризующими амплитуду напряжений ПНП на выходе усилителя, являются коэффициенты нелинейности интермодуляционных (комбинационных) составляющих соответствующих порядков. В частности, для составляющих второго и третьего порядков эти коэффициенты определяются формулами:

⁽¹⁾

где U_К2 , U_К3 – амплитуды напряжений второго и третьего порядков на выходе усилителя; U_C – амплитуда напряжения выходного полезного сигнала с частотой f_c .

Однако эти коэффициенты, как видно из формулы (1), зависят от уровня сигнала U_C, поэтому не могут однозначно характеризовать нелинейные свойства усилителя, в связи с чем введены параметры нелинейности H₂ и H₃, которые не только связаны с упомянутыми коэффициентами, но и однозначно характеризуют нелинейные свойства усилительных приборов (УП), так как определяются полностью формой нелинейной зависимости коэффициента усиления от управляющего напряжения на входном зажиме усилительного прибора (базе, затворе, сетке), то есть полностью определяются внутренней структурой УП. В усилителе они определяются следующим образом [3, 4, 5].

, (2)

где B₀ , B₀^’ , B₀^’’ – значения полинома, аппроксимирующего экспериментальную характеристику коэффициента усиления, его первой и второй производной, в функции от напряжения на входном зажиме УП, например на затворе U_зи полевого транзистора (ПТ).

Следовательно, полная и однозначная оценка нелинейных свойств усилителя легко определяется на основе коэффициентов A₀, A₁, A₂ и т.д. теоретического полинома B₀, аппроксимирующего экспериментальную характе­ристику K_УС коэффициента усиления, то есть достаточно найти параметры нелинейности H₂ и H₃ во всем диапазоне управляющих напряжений (смещений) на затворе ПТ (базе БПТ, сетке ЛТ и т.д.). В свою очередь, полученные зависимости H₂ и H₃ в функции от U_зи не только позволяют найти упомянутые коэффициенты нелинейности k₂ и k₃ , но и выбрать оптимальный режим транзистора, при котором H₂ и H₃ близки к нулю, а коэффициент усиления B₀ достаточно высок. Типичные зависимости K_ус , B₀ и H₃ для усилителя радиочастоты на ПТ типа 2П902А показаны на рис. 2.

Рис. 2. Экспериментальная K_уст (пунктиром) и теоретическая B₀ кривые (аппроксимирующий полином) и полученная зависимость H₃ в функции от напряжения затвора U_зи усилителя на ПТ 2П902А

Из рис. 2 видно, что оптимальный режим соответствует U_зиопт ≈ 2,5 В, при этом H₃ близко к нулю, а B₀ (или K_уст) достаточно высок (K_уст ≈ 20).