Электроника и схемотехника, Ч. 1 / Усилительные устройства 1989

ливаемых импульсов около 2 % примерно равНО квадра­

тичной сумме времени нарастания отдельнь'lХ звеньев

тракта передачи:

tHap ~ V-t~-ap-I-+-t-:a-P2-+-·..--+-t-~a-pn.

(1.47)

При рассмотрении простейшей эквивалент':ЮЙ схемы

каскада для области нижних частот также определяется

изображение выходного напряжения на эти1С частотах

и с помощью таблиц [24] находится нормированная пе­

реходная функция

	л	tl и
	h (t) = и2(t)/KU1 = е-		(1.48)
		1: .

Тогда неравномерность вершины импульса, усиленного

одним каскадом,

d ~ tи/1:и•

(1.49)

Если она не превышает 10 %, то результируюJДая нерав­

номерность примерно равна сумме неравномеуностей от­

дельных каскадов:
d ~ d1 + d 2 + ...+ d n •	(1.50)
Из полученных соотношений	между временными

и частотными параметрами каскада следует, что между

АЧХ и ПХ существует достаточно жесткая связь. Однако

для определения переходных искаженийJудобflее пользо­

ваться нормированной ПХ, а не нормированнОЙ АЧХ.

1.5.6. НЕЛИНЕйНЫЕ иеКА$ЕНИЯ

При нелинейной сквозной ДХ в усилителе возникают

нелинейные искажения. Нелинейность сквозноii ДХ обус­ ловливается наличием нелинейных участков на БАХ УЭ.

Предположим, что на вход каскада на БИПОЛЯРНОМ

транзисторе подается синусоидальный сигнал ОТ источни­

ка эде (Rr~RBX)' т. е. Eг~ Uвэ. Нелинейные искажения

в каскаде будут зависеть от вида его характерИСТИКИ пе­

редачи iк=f(uвэ) =f(er ). которая показанJJ на рис.

1.18. По кривой коллекторного тока 3 легко установить,

что ток не является синусоидальным. На графике штри­

ховой линией отмечена кривая, показыва}Ощая, что

в данном случае особо проявляется вторая rармоника, искажающая форму коллекторного тока (друrие высшие

гармоники на графике не показаны).

41

Рис. 1.18. Характеристи­

ка прямой передачи (1).

BpeMeHHbre диаграммы

напряжения иа базе транзистора (2) и тока коллектора (3)

Нелинейные искажения синусоидального сигнала оце­

ниваются по коэффициенту гармоник kr , который равен

отношению среДllеквадратичной суммы действующих

значений напряжения или тока высших гармоник сигна­ ла, появившихся в результате нелинейных искажений,

к действующему значению напряжения или тока основ­

НОй частоты:

kr = VU~ + U~ +...+ U~/UI'

(1.51)

Коэффициент гармоник можно определить не только по

действующим значениям гармоник, которыми удобнее

пользоваться при расчетах, но и с помощью амплитудных

значений напряжений и токов гармоник, а также соот­ ветствующих активных мощностей.

Если в усилителе имеет место нелинейность (рис.

1.19), то подчеркиваются нечетные гармоники, среди ко-

			I	t
			I
			--1--
Рис. 1.19. Нелинейная ха­		O.	II1,
рактеристика	усилителя	I	2 I
(1). временные диаграм­
МЫ входного (2) и ВЫ­		WI
ходного (3)	напряжений		t

42

Рис. 1.20. Уменьшение нелинейных иска·

жениii с помощью смещения ха рактери·

стик

торых преобладает третья (штри­

ховая .'1иния), искажающая фор-
му выходного напряжения 3.		1i5~
Искажения формы	выходного
тока 3 (см. рис. 1.18)	в усилите­

лях можно значительно умень­

шить, задав необходимые напря­

жения смещения И' и И" на базы транзисторов (рис. 1.20). В ре-

зультате сквозная характеристика передачи усилителя

АВ становится практически прямой (штриховая линия А'В'), что способствует снижению нелинейных искаже­

ний. Это один из схемотехнических приемов уменьшения

нелинейных искажений D усилителе на биполярных тран­

зисторах.

Выше рассматривались простейшие случаи, когда на вход усили.

теля подавался только один синусоидальный сигнал. В деЙствитель·

ности же на вход усилителя поступают более сложные сигнаJrЫ. Даже

при наличии на входе усилителя сигнала, содержащего составляющие

на частотах /1 и {2, появляются их многочисленные комбинации Ifl± ±f21, 12fl±f21, Ifl±2f21 и т. д. Таким образом, сигнал сложноА фор­

мы состоит из ряда гармоник. В рассмотренных случаях нелинеАные искажения анализировались с помощью ДХ. Из-за невысокой точно­

сти АХ непригодна для ко.1ичестпенноЙ оценки пелинеiiных искаже· ний. ТаЮIМ образо~!, пеюшсйныс искажения либо рассчитываются

графически, либо определяютсн эксперимент;злыю с помощью из­

мерительных приборов.

!(огда на вход УЗЧ подается сигнал. спектр которого содержит

составляющие fl' 2fl, 3fl,...,!n, 2/", то гармоники, возникающие в ре·

зультате нелннеiiных искажений, суммируются с начальными. !(а.

чество передачи сигнала ухудшается, но на слух заметить эти иска­

жения непросто. В основном искажение сигнала в УЗЧ создают сос·

тавляющие комбинационных частот. Это можно объяснить тем, что

амплитуды комбинационных частот и гармоннк пропорцнональны.

Если КОЭффициент гармоник менее 0,5 %. па слух нелинейные иска­

жения практически не восприпимаются. Минимум нелинейных иска­

жений или полное их отсутствие является свойством линейных уси· лителеЙ.

При усилении звуковых сигналов вешательных траI{ТОВ 1-го клас· са максимальнЫй коэффициент гармоник не должен превышать 2,5 %

на средних частотах и 4 % на нижних. Для измерительных усилите­

лей коэффициент гармоник нередко составляет десятые или сотые до.

ли процента.

К групповым усилителям систеV! многоканальной спязи предъяв.

JlЯЮТСЯ бо.1ее жесткие требования линейности. Это связано с тем, что

43

		при частотном			уплотнении сиг­
		'налов гармоники и комбинаци­
		онные частоты из одного каиа­
		ла могут попадать в соседние и
		создавать		перекрестные				иска­
		жения [1, 22].
		Уровень нелинейных						иска­
		жений	импульсных				сигналов
		(gю::. 1.2 t)		оценивается				коэф­
		фициентом		нелинейности				сиг­
		нала
		kнл = (kмаие -				kмин)lkмаие,
		где kMaKc И		kмии -		наибольшее
		и наименьшее значения произ­
	Рис. 1.21. Нелинейные искажения	водной в пределах используемо-
		го участка		характеристики. На
	пилообразНЫJ( импульсов:	рисунке	отсутствуют				лннейные
	а - входные; б - выходные нмпульсы	искажения,		что	хар актеризует­
		ся совпадением			времен начала

и конца импульсов.

Несмотря на раЗJIичие в природе возникновения линейных и нели­ нейных искажений между ними сушествует определенная связь. Так,

если в каком-либо Каскаде усилителя появились нелинейные искаже­ ния (высшие гармо!!ики), то они могут быть подчеркнуты или по­ давлены в зависимос1'И от вида АЧХ последующих каскадов. И другой случай, когда за счет частотных искажений в первых каскадах уси­

лителя может измеНl1ТЬСЯ суммарный сигнал на входе выходного кас­ када и вызвать в He1,f пеJIипейные искажения

Таким образом, линейные и нещшейные искаження могут ПРIlВО­ дить К комбинированным искажениям, анализировать которые зна­ чительно сложнее: ведь при нелинейных искажениях непр"меним ме­

тод наложения 11 1'. д.

1.5.7. ВХОДНЫЕ И ВЫХОДНЫЕ

ПАРАМЕТРЫ

к входным параметрам усилителя относят его вход­

ное соnротuвление (полное ZBX или реЗUСJuвное RBX). Ха­

рактер входного сопротивления обычно определяется

диапазоном усиливаемых частот. В области нижних час­

тот реактивная составляющая входного сопротивления

усилителя пра}{Т!1чески не учитывается. В некоторых слу­

чаях полное входное сопротивление усилителя представ­

ляется как совокупность резистивного сопротивления

RBX и реаКТИВfIОI'О сопротивления входной емкости СВХ. ~OTopыe суммируются геометрически. При их параллель­

ном соединеНИff проще оперировать с проводимостями,

чем с сопротивлениямн.

Часто к входным параметрам относят эде источника

44

сигнала Ег и внутреннее сопротивление источника сигна­ ла Rr, а также номинальное входное напряжение И/.

Иногда задаются минимальное и максимальное входные

напряжения усилителя.

Операционный усилитель помимо перечисленных па­

раметров характеризуется входными токами и их раз­

ностью, средним температурным дрейфом входного то­

ка, напряжением смещения, входным сопротивлением

синфазному сигналу, предельным синфазным входным

напряжением и др.

Выходными параметрами усилителя являются выход­

ное сопротивление, номинальное выходное напряжение и2, коэффuцuен'Т гармоН,ик, Н,омuналы-taя выходная мощ­ ность Р2, КЛд, максимальная выходная МОЩНОСТЬ Р2макс

И «музыкальН,ая выходная МОЩНОСТЬА\. Под «музыкальной

выходной мощностью» понимают номиналы~ую мощность при непродолжительном входном сигнале, за время дей­

ствия которого напря~{ение источника питания не успе­

вает измениться в результате потребления от него зна­

чительного тока оконечным (мощным) каскадом. При

питании мощного каскада от стабилизированного источ­

ника питания «музыкальная выходная мощность» равна

номиналыюЙ. Максимальная выходная мощность усили­

теля определяется так же, как номинальная, только при

коэффициенте гармоник 10 %. Иногда выходным пара­

метром усилителя считается сопротивление нагрузки Zп,

которое в общем случае может иметь активную и реак­

тивную составляющие. Например, нагрузкой УЗЧ явля­

ются звукопроизводящие устройства с сопротивлениями

8 или 16 Ом, реже 4 Ом [1,22].

Для усилителей большой мощности нормируется не сопротивление нагрузки, а выходное напряжение и2•

Обычно широкополосные усилители (многоканальной связи и др.) работают на нагрузку, которая подключает­

ся к УСИЛlIтелю с помощью коаксиального Кдбеля.

В этом случае сопротивление нагрузки равно характери­

стическому сопротивлению коаксиального кабеля, кото­

рое у распространенных кабелей составляет 75 Ом.

Выходное сопротивление усилителя в области сред­

них частот полосы пропускания практически резистивное.

И,звестно [1-3], что выходное сопротивление УЗЧ во

много раз меньше сопротивления нагрузки. Это необхо­ димо для лучшего воспроизведения звука. Поэтому по· явился такой параметр как коэффициент демпфирования,

45

который равен отношению сопротивления нагрузки к вы­

ходному сопротивлению усилителя:

kд = RнIRпых·

Для усилителей высшего класса коэффициент демпфи­

рования принимает значения от 10 до 100.

В том случае, когда нагрузка связана с усилителем

через воздушную или кабельную линию большой протя­ женности, необходимо выполнить согласование усилите­

ля с линией: Rвых=Zс.

Для ОУ дополнительно используются такие выходные

параметры, как максимальная скорость нарастания вы­

ходного напряжения, характеризующая быстродействие

усилителя, предельный выходной ток, максимальное вы­

ходное напряжение и др.

1'.5.8. ВНУТРЕННИЕ ПОМЕХИ

Если на выходе усилителя возникает какое-либо на­

пряжение при отсутствии сигнала на его входе, то оно

является результатом внутренних помех усилителя. Ос­

новное влияние на возникновение внутренних помех уси­

лителя оказывают раЗ.'Iичные шумы, фон, дрейф и другие

явления.

Шvмамu называются флуктуационные помехи, кото­

рые появляются в результате хаотического теплового

движения свободных электронов, дробового эффекта и т. п. В усилительных устройствах источниками шума яв­ ляются как пассивные, так и активные элементы. Уро­ вень собственных шумов пассивных и активных элемен­

тов усилителя сказывается на его возможности усиливать

о'чень слабые по мощности сигналы.

Флуктуационная эдс, возникающая в уснлителе, не является периодической функцией времени. Она зависит от температуры и со­ противления проводника (цепи) и в пределах сравнительно узкой полосы частот рассчитывается по формуле

E~ = 4kT R6.t.

где k= 1,38· 10-23 дж/к - постоянная Больцмзна; Т - термодинами­

ческая температура, К; R - сопротивление цепи, Ом; М - полоса

усиливаемых частот, Гц; ЕШR выражено n вольтах. Флуктуационную

ЭДС можно представить независимым источником шумовой эдс или тока (рис. 1.22) в составе эквивалентной схемы усилителя. Ис­

точники шумов характеризуются спектральными плотностями. Это

основные параметры для расчета общего уровня шумов усилитель-

46

Рис. 1.22.	Схемы	представ­	RiJ/.
ления источников шума:			ЕЕ
а - ИСТОЧИИК	ЭДС;	б - источ­
иик тока
			а)	о}

ного каскаДа, Спектральная плотность пассивных элемеитов (сопро-

тивлениli)

FRw = 4kТR = E~R/A.f,

Спектральную плотность шумов транзисторов найти сложнее, чем

пассивных элементов, так как первые имеют значительно большее

число источников шумов, находящихся в различных частях IIX внут­

ренней структуры. Сами же шумовые свойства транзисторов и дру­ гих активных элементов определяются дробовым шумом, шумом мер_

цаиия, тепловым шумом (последннй проявляется в основном в бипо­

лярных транзисторах).

Источники напряжения шумов и тока шумов, являясъ случайиыми фуикциями времени, обычно корреляционно связаны между собой. Коэффициент корреляции изменяется от -1 до + 1, причем он может

представлять собой даже комплексную величину. Последнее обстоя.

тельство сильно усложняет суммирование всех шумовых эффектов

от этих источников.

Чтобы снизить уровень собственных шумов усилителя, необходи­ мо выбрать для первого каскада малошумящие биполярные транзис_

торы типов КТ371, 1\Т382, а также полевые транзисторы типов КПI03Л и 1\П303Е, которые имеют неэначителъный коэффициент шу­ ма. Это связано с тем, что основными составляющими шума полевых

транзисторов являются тепловые шумы в канале и дробовые шумы тока затвора Так как напряжение тепловых шумов модулирует ши­

рину канала, то на стоке получается усилеиное напряжение шумов.

В СБОЮ очередь, между каналом и затвором имеется паразитная ем­ костная связь, следовательно, дробовые шумы тока затвора будуr

возрастать с повышением частоты.

. Шумы, которые связаны с частотой обратно пропорциональной зависимостью, возникают В области нижних частот как в канале,

так и в токе затвора, причем шумы тока затвора возрастают с уве· личеиием сопротивления в цепи затвора, а шумы канала, напротив, - с уменьшением.

Для кремниепых полевых транзисторов с управляемым р-n пере­

ходом коэффициент шума колеблется от 0,3 до 0,5 дБ при {= 1 кГц

и R.= 1 МОм. У биполярных транзисторов КОЭффицнент шума значи­

тельно больше коэффициента шума полевых транзисторов, да и сами шумовые процессы в биполярных транзисторах, возиикающие в обла­

сти внутренней структуры, значительно сложнее, чем у полевых.

Фондм. называется постороннее переменное напряже­

ние на выходе усилителя с частотами, кратными частоте

сети переменного тока, ОТ КОТОРОЙ осуществляется пита­

ние усилителя или около КОТОРОЙ он близко находится:

47

Фон возникает вследствие питания УЭ от выпрямитель­

ного устройства со сравнительно большой пульсацией вы­

прямленного напряжения, а также в результате наведе­

ния ЭДС электрическими и магнитными полями сети

и силового трансформатора в межэлементных соедине­

ниях усилителя.

Чтобы снизить уровень фона в усилителе, необходимо улучшить сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения, которое исполь­ зуется для питания УЭ усилителя, и применять экранирование для ослабления различных наводок, а также балансные и двутактные схемы. Для усилительных устройств уровень фона на выходе должен

быть как минимум на 60 дБ меньше уровня полезного сигнала.

Дрейdюм называется такое явление, при котором про­

исходит изменение выходного напряжения усилителя, ко­

гда напряжение на его входе строго неизменно, например

равно нулю. Дрейф выходного напряжения возникает

в результате изменения температуры, напряжений ис­

точников питания, влияния радиации и старения УЭ.

Изменение температуры приводит к измененню неуправляемого

тока коллектора, а следовательно, выбранного режима работы тран­ зисторов. В результате возникает дрейф выходного напряжения. За_ м~тный дрейф выходного напряжения у ламповых усилителей вызы­

вает изменение напряжения накала ламп, что приводит к смещению

ее ВАХ и изменению исходного режима питания, а следовательно,

к возникновению дрейфа. Впрочем, любое нзменение напряжений ис· точников питания УЭ связаны с измеНСIIпем их ИСХОДlюго режима

работы и возникновением дрейфа выходного напряжения усилителя.

При старении УЭ изменяютСЯ их параметры, что также сопровожда­

ется изменением начального уровня выходного напряжения.

Дрейф выходного напряжения обычно оценивается путем пере­

счета его ко IjХОДУ. При пересчете дрейфа определяется некоторое

эквивалентное напряжение, которое создает такое же изменение вы­

ходного напряжения или напряжения в любом сечении цепи, как и фактическая помеха. Дрейф выходного напряжения особо заметен в усилителях снепосредственной (гаЛLванической) связью между

каскадами, так как дрейф в предыдущих каскадах усиливается по­

следующими.

В многокаскадных усилителях дрейф можно уменьшить с по­ мощью отрицательной ос. Однако избавиться от дрейфа с помощью

отрицательной ОС в пеРВО,1 каскаде невозможно. Поэтому входные кзскады усилителей необходимо выполнять по балансным схемам,

прпменяя дк Неслучайно в усилителях снепосредственными связя. ми между каскадами входной каскад выполняется в виде ДК.

48

Глава 2 ОБРАТНЫЕ СВЯЗИ

В УСИЛИТЕЛЬНЫХ

УСТРОйСТВАХ

2.1.ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

2.1.1.ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИК

ОБРАТНОй СВЯЗИ

вусилительном устройстве обратной называется связь,

обеспечивающая передачу сигнала из его выходной цепи во входную. Она используется для стабилизации коэф­ фициента усиления, уменьшения искажений усиливаемо­ го сигнала и повышения стабильности режима работы

УЭ, т. е. для улучшения технических параметров и харак­

теристик усилителя.

Структурная схема усилителя с ОС изображена на рис. 2.1. Четырехполюсник усиления Ко соединен с че­ тырехполюсником ОС Во с помощью двух шестиполюс­

ников, которые на схеме обозначены как входная и вы­ ходная цепи. Это сделано с целью обобщения всего мно­

гообразия способов передачи сигнала ОС	в усилителе
с выхода на вход.	'

Коэффициенты прямой передачи по каналу усиления и по цепи ОС усилителя записываются соответственно

К = К! Ко К2; В = K~BoK;.

(2.1)

КоэфФициенты KJ, К;, К2 и К; учитывают различные

способы соединений четырехполюсников уси~ения и ОС

на входе и выходе в усилителе с ОС.

Четырехполюсник ОС представляет собой внешнюю

электрическую цепь, состоящую из одного или нескольких

Рис. 2.1. Структурная схема усилителя с обратной связью

49

пассивных или акти)3НЫХ, линейных или нелинейных, час­

тотно-независимых или частотно-зависимых элементов

или их различных соединений. Если четырехполюсник ОС

своими выводами соединен с входными и выходными вы­

водами всего уСИЛИ'fеля, то такая ОС называется общей,

а если выводы четырехполюсника ОС соединяются толь­

ко с входными и выходными выводами одного каскада,

то ОС наЗЫj3ается местной.

Передача усиленного сигнала из выходной цепи уси­

лителя во входную может осуществляться и не по специ­

ально организованнЫМ цепям, например с помощью от­

дельного четыреХПО)Iюсника ОС, а за счет элемента, ча· ще всего активногО, который является неотъемлемой

частью усилительного каскада. Такая ОС называется

внутренней. Кроме того, в усилителях могут наблюдаться nаразuтные ОС, возникающие в результате неудачного

монтажа либо размещения элементов и деталей на пе­ чатной плате или при нерациональном формировании

элементов в подложке микросхемы и создающие цепь

для передачи энерnШ с выхода на вход усилителя.

Паразитные ОС часто проявляются в усилителях,

элементы которых йзготовляются групповым методом по

полупроводниковой интегральной технологии в активной

подложке. Так как элементы такого усилителя формиру­

ются в поверхностном слое активной подложки и изоли·

руются друг от друса с помощью обратносмещенного р-n

перехода, то между ними могут возникать сложные па­

разитные связи.

Четырехполюсники Ко и Во (см. рис. 2.1), соединяемые

через шестиполюсниКИ на вх.оде и выходе, образуют свое­

~бiуг,,<,>в'jЮ K~J\bll,~'i':.'j~ Ц~nЬ, У.Q.'t;Q.~~Я R"'~bl'i':."'~'t;~9. ".'С' !'.~\\

ОС. Произведение коэффициентов передачи четырехпо­

люсников 1(0 и Во характеризует передачу сигнала по

петле ОС и называется коэффициентом петлевого усиле­

ния.

2.1.2. ВОЗВРАТНОЕ ОТНОШЕНИЕ

При определеНИJ1 коэффициента петлевого усиления

разрывается петля ОС в определенном месте и к одним выводам разомкнутОЙ цепи ОС подводится исследуемое

напряжение, а на других измеряется полученное напря­

жение. При этом нв выходных выводах петли ОС необ­

ходимо обеспечить такое сопротивление нагрузки, какое

SQ