Лекция 5 Характеристики усилительных каскадов Лекция 5

Лекция 5 Характеристики усилительных каскадов

Лекция 5 Основными характеристиками усилительных каскадов являются количественные и качественные показатели. Количественным показателем, в основном, является коэффициент усиления. Коэффициент усиления выражает способность усилителя изменять уровень сигнала (рис. 1). а) по мощности б) по напряжению в) по ЭДС г) по току Рис. 1. Функциональная схема усилительного каскада и ее основные количественные показатели.

Лекция 5 Также основным являются параметры входного и выходного сопротивления, необходимые для согласования усилителя с источником сигнала. При резистивном характере входного сопротивления: При каскадном соединении усилителей (рис. 2. , эта операция называется каскадированием), справедливы следующие соотношения: Рис. 2. Функциональная схема усилителя при каскадировании.

Лекция 5 К качественным показателям относятся передаточные характеристики, основными из которых являются: амплитудно-частотная характеристика (АЧХ); фазо-частотная характеристика (ФЧХ); коэффициент нелинейных искажений (КНИ). АЧХ – зависимость изменения коэффициента передачи каскада от частоты. ФЧХ – зависимость изменения фазы сигнала на выходе усилителя от частоты. Данные параметры характеризует коэффициент нелинейных искажений (М). Рабочая область (частотный диапазон) разбивается на 3 участка – низкие частоты, средние частоты (полоса работы усилителя), и высокие частоты (рис. 3). Для каждой из частот среза (fн, fв) существует соответствующий коэффициент нелинейных искажений (Mн, Mв), характеризующий качество усилителя. Область, ограниченная fн и fв, называется рабочей полосой усилителя. Рис. 3. Амплитудно-частотная характеристика усилительного каскада.

Лекция 5 Непосредственно, сам коэффициент нелинейных искажений заключает в себе 3 основных коэффициента: n коэффициент нелинейных искажений, характеризующий изменение в фазе; n коэффициент нелинейных искажений, характеризующий изменение частоты; n коэффициент нелинейных искажений, характеризующий изменение формы сигнала. В общем случае данные коэффициенты определяются следующими зависимостями: -коэффициент передачи Здесь p – полюсы, z – нули в комплексной функции коэффициента передачи. У реализуемой цепи число нулей меньше или равно числу полюсов. Если при этом существует хотя бы одна минимальная передаточная функция, равная нулю, эта передаточная функция К(р) относится к усилителям переменного тока.

Пример нелинейных искажений показан на рис. 4. Лекция 5 Рис. 4. Пример нелинейных искажений сигнала. Дополнительным параметром, характеризующим усилительный каскад, является центральная частота, определяющаяся по формуле: Чем ближе рабочая частота сигнала к центральной частоте АЧХ усилителя, тем меньшим будет КНИ.

Лекция 5 Для характеристик усилителей часто выбирают построение АЧХ в логарифмическом масштабе. Эти диаграммы выглядят следующим образом (рис. 5): Рис. 5. Примеры характеристик усилителей: а) АЧХ и ФЧХ однокаскадного усилителя б) АЧХ трех-каскадного усилителя и АЧХ каждого из каскадов. На рис. 5 указаны изменения характеристики коэффициента передачи и фазы сигнала от частоты. Wгр – граничная частота коэффициента передачи (максимальная частота, при которой сохраняются расчетные характеристики усилителя).

Лекция 5 Основной формулой перевода линейного масштаба в логарифмический является следующая формула перевода (параметр D выражается в децибеллах, сокращенно d. B) Таким образом, ось ординат АЧХ является линейной (в d. B), ось абсцисс – логарифмической (показатель степени числа 10).

Лекция 5 Еще одним важным качественным показателем являются переходные характеристики. Переходные характеристики – зависимость от времени выходной величины U(t) при ступенчатом характере изменения входной величины. Основные параметры представлены на рис. 6. Рис. 6. Параметры переходной характеристики. ty - время нарастания сигнала, tcp - время спада сигнала, Δ- искажение сигнала, вызванное внутренней емкостью усилителя, δ - амплитуда переходного процесса, tnn- время переходного процесса (время звона).

Все виды искажений должны стремиться к минимуму Для многокаскадных усилителей: Лекция 5 АЧХ, ФЧХ и ПХ связаны между собой: Амплитудные характеристики описывают зависимость между напряжением на выходе и напряжением на входе и пределяют собой динамический диапазон (U 2 – напряжение на выходе, U 1 – напряжение на входе):

Лекция 5 Динамический диапазон характеризует линейную область работы усилителя, в котором не возникают искажения. Его можно представить в виде следующего графика (рис. 7). Рис. 7. Графическое представление динамического диапазона. Нелинейные искажения вызываются наличием в усилителе нелинейных элементов и приводят к увеличению коэффициента гармоник в спектре сигнала. Присутствие их описывается коэффициентами гармоники.

Лекция 5 Коэффициент гармоник Кг можно рассчитать, если известна амплитудная характеристика усилителя. Упрощенный графический расчет (рис. 8) показан ниже. Рис. 8. Упрощенный графический расчет коэффициентов второй и третьей гармоники.