Лаб схемотехники / Лаб схемотех 3

Лабораторная работа №3

Широкополосные усилители

1. Основные понятия

В науке и технике часто возникает задача усиления слабых электрических сигналов. Для решения этой задачи применяются электронные усилители различных типов. Основные характеристики усилителя:

1.1. Коэффициент усиления , который определяется как отношение выходного напряжения к входному напряжению :

, (1)

где – сдвиг фаз между входным и выходным напряжениями, – модуль коэффициента усиления, – мнимая единица. Зависимость модуля коэффициента усиления от частоты называется амплитудно-частотной характеристикой усилителя. Ее примерный вид приведен на рисунке1.

Рисунок 1.

Модуль коэффициента усиления по напряжению может выражаться как в абсолютных значениях – формула (1), так и децибелах:

, (2)

Используется понятие коэффициента усиления по мощности

, (3)

или в децибелах:

, (4)

где и – выходная и входная мощность. Зависимость сдвига фаз между выходным и входным сигналами от частоты называется фазово-частотной характеристикой (или фазовой характеристикой) усилителя. Полоса частот от до , для которой коэффициент усиления не выходит за пределы назначенного допуска, называется полосой пропускания усилителя, а сами эти частоты – соответственно нижней и верхней граничной частотой. Полоса пропускания определяется по уровню (– коэффициент усиления на средних частотах), а в некоторых случаях по уровню .

1.2. Искажения сигнала – основные виды и причины их возникновения:

а) линейные искажения, – если во входном сигнале присутствуют гармонические составляющие с различными частотами, то, вследствие неравномерности АЧХ, они могут усиливаться неодинаково, и в выходном сигнале соотношения между амплитудами составляющих будут отличаться от соответствующих соотношений входного сигнала. Это приводит к искажению формы сигнала.

б) нелинейные искажения, – в выходном сигнале могут появляться новые частотные составляющие, которых во входном сигнале не было. Это происходит из-за нелинейности амплитудной характеристики усилителя. Если во входном сигнале была только одна составляющая с частотой , то, вследствие нелинейности характеристики, в выходном сигнале могут быть составляющие с частотой – постоянная составляющая, , , , ..., . В результате форма сигнала искажается. Нелинейные искажения характеризуются коэффициентом гармоник :

, (5)

где , , , – эффективные значения напряжения соответствующей гармоники (составляющей с частотой , , , , ...).

Оба вида искажений могут присутствовать одновременно.

1.3. Амплитудная характеристика - это зависимость установившегося значения амплитуду выходного сигнала от амплитуды входного сигнала определенной частоты. Примерная амплитудная характеристика приведена на рис.2.

Рис.2

Вводится понятие динамического диапазона усилителя

, (6)

или в децибелах

, (7)

– напряжение помех, определяемое шумами усилителя.

Сигнал, выходящий за пределы динамического диапазона усилителя, претерпевает нелинейные искажения.

2. Усилительный каскад на сопротивлениях

В качестве примера рассмотрим принцип действия и назначение отдельных элементов каскада с использованием электронной лампы - триода:

Рисунок 3

Пусть первоначально сигнал отсутствует. При включении источника питания через лампу начинает протекать ток , который, протекая по катодному резистору , создает некоторое падение напряжения, поэтому потенциал катода относительно общей шины становится положительным. По резистору протекает ничтожно малый ток сетки, следовательно, падения напряжения на практически нет и потенциал сетки относительно общей шины почти нулевой. Следовательно, напряжение на сетке относительно катода отрицательно и равно . Изменяя , можно выбрать соответствующую рабочую точку А на середине линейного участка анодно-сеточной характеристики (рисунок 4).

Рисунок 4.

Здесь – напряжение на сетке относительно катода.

Если теперь мы подадим на каскад переменный сигнал, то анодный ток получит соответствующую переменную составляющую, и с анода можно будет снять выходной сигнал

(8)

той же частоты, что и входной, но сдвинутый относительно него по фазе на . В то же самое время переменная составляющая анодного тока создает на резисторе переменное напряжение смещения. При возрастании входного сигнала на величину происходит изменение анодного тока на величину и соответствующее изменение выходного напряжения на . Одновременно изменяется и падение напряжения на катодном резисторе , что вызывает некоторое смещение рабочей точки. Фазовые соотношения в каскаде таковы, что в результате суммарное изменение анодного тока оказывается меньшим, чем было бы в отсутствии переменной составляющей падения напряжения на . Соответственно уменьшается и изменение , следовательно, и коэффициент усиления каскада.

Для борьбы с этим нежелательным явлением в схему вводят конденсатор достаточно большой емкости, который шунтирует резистор по переменному току. С уменьшением частоты сигнала сопротивление конденсатора а также разделительных конденсаторов и возрастает, и коэффициент усиления каскада начинает уменьшаться. В области высоких частот также происходит снижение коэффициента усиления, объясняемое ухудшением работы лампы из-за влияния межэлектродных емкостей и ограниченной скорости пролета электронов.

3. Типы коррекции частотной характеристики

Схема каскада с низкочастотной коррекцией приведена на рисунке 5. С уменьшением частоты сопротивление конденсатора растет, и он перестает шунтировать , что приводит к росту общего сопротивления нагрузки на нижних частотах, и, соответственно, к росту выходного напряжения (смотри формулу 8), т.е. к росту коэффициента усиления.

Пример схемы с высокочастотной коррекцией приведен на рисунке 6. Включение в анодную цепь приводит к возрастанию анодной нагрузки с ростом частоты, что обеспечивает некоторый подъем коэффициента усиления на высоких частотах.

Рисунок 5.

Рисунок 6.

4. Широкополосные усилители

Широкополосными называют усилители с верхней граничной частотой порядка сотен килогерц и выше, одновременно имеющие большое отношение (порядка 10⁵) верхней граничной частоты к нижней. Такие усилители нужны для усиления сигналов с широким частотным спектром, например, импульсных. В ряде случаев полоса пропускания резистивного усилителя оказывается недостаточной и приходится решать задачу расширения полосы пропускания с помощью различных схем коррекции или вообще переходить к другим схемам усилителей, например распределенным или параметрическим. В настоящее время наиболее часто применяются транзисторные усилители, имеющие ряд преимуществ перед ламповыми. В то же время зависимость параметров транзисторов от частоты, режима работы и температуры, а также наличие внутренней обратной связи в транзисторах затрудняют расчет и проектирование транзисторных усилителей и требуют применения схемных решений, обеспечивающих температурную стабилизацию режимов работы. Транзисторы, используемые в широкополосных усилителях , должны иметь высокую предельную частоту усиления по току, малую емкость коллекторного перехода, большой коэффициент  и малый обратный ток коллектора.

На рисунке 7 приведена принципиальная схема резистивного усилительного каскада на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, и его упрощенная эквивалентная схема для средних и высоких частот.

Рисунок 7

Температурная стабилизация режима работы транзисторного усилительного каскада наиболее часто обеспечивается применением обратной связи по току (резистор Rэ) и делителем R1,R2 в цепи базы. При повышении температуры увеличивается коллекторный ток iк и за счет резистора Rэ отрицательный потенциал на базе относительно эмиттера автоматически снижается, препятствуя нарастанию коллекторного тока.

При составлении эквивалентной схемы емкости Свх, Сэ и Ср заменены коротким замыканием. Сопротивление Rо’ объединяет внутреннее сопротивление источника входного сигнала Rо и сопротивления делителя напряжения в цепи базы.Эквивалентная емкость Сэкв объединяет емкости коллекторного и эмиттерного переходов. Сопротивления rб и rэ представляют собой сопротивления областей базы и эмиттера. Сопротивление Rо’ объединяет параллельно соединеенные для переменного тока сопротивления резисторов нагрузки Rн коллекторного Rк.

При рассчете коэффициента усиления каскада по току на средних частотах можно не учитывать влияние переходных емкостей, выходной емкости транзистора и Сэкв, тогда Кт = S₀ Rо’rэ /(Rо’ + rэ). Здесь S₀ = / h₁₁ (h₁₁- входное сопротивление транзистора в системе h –параметров).

На высоких частотах коэффициент усиления по току снижается за счет шунтирующего влияния емкости Сэкв. На низких частотах усиление уменьшается из-за влияния входной емкоси Свх, разделительной Ср и Сэ.

Для расширения полосы пропускания без снижения коэффициента усиления применяют специальные методы коррекции.Часть схемы усилителя с комбинированной простыми высокосчастотной и низкочастотной коррекцией (а именно коллекторная нагрузка) приведены на рисунке 2

Рисунок 8

Введение корректирующей индуктивности L увеличивает импеданс коллекторной нагрузки, а следовательно, и усиление каскада в области высоких частот. В области низких частот возрастает импеданс фильтра СфRф. Для того, чтобы элементы коррекции не влияли на работу усилителя на средних частотах, необходимо, чтобы ₀L было много меньше, а (₀ Сф)^-– много больше Rк, где ₀ –некоторая средняя квазирезонансная частота.

27