Основи електроніки (стр. 15 )

Залежність фазового зсуву між вхідним і вихідним сигналами φ від частоти являє собою фазову характеристику підсилювача. (рис. 2.3, б)

Порівняння частотної та фазової характеристик показує, що поява частотних спотворень супроводжується наявністю фазового зсуву між вхідним і вихідним сигналами, тобто появою фазових спотворень. Вони обумовлені тими ж причинами, що і частотні.

Ідеальною фазової характеристикою є пряма (показана пунктиром), де τ - константа, що виражає час запізнювання сигналу на виході підсилювача по відношенню до сигналу на вході і не залежить від частоти. Дана пряма може мати будь-який нахил. Отже, фазові спотворення відсутні при пропорційній залежності кута зрушення фаз від частоти.

Нелінійний характер реальної фазової характеристики свідчить про порушення фазових співвідношень між окремими гармонічними складовими складного сигналу, що призводить до зміни форми сигналу на виході підсилювача.

Фазові спотворення оцінюють зазвичай по фазовим характеристикам, побудованим окремо для області нижчих частот (рис. 2.3, в) і області верхніх частот (рис. 2.3, г). При цьому величина фазових спотворень на якій-небудь частоті визначається кутом між фазовою характеристикою і дотичною до неї, проведеною з початку координат (пунктирні лінії). Зазвичай їх, як і частотні викривлення, визначають на граничних частотах смуги пропускання (так як дотична йде по осі абсцис) і .

Слід підкреслити також, що під фазовими здвигами в підсилювачі зазвичай мають на увазі здвиги, що вносяться реактивними елементами підсилювача, а внесений транзистором поворот фази на 180 ° не береться до уваги.

Оскільки і частотні, і фазові спотворення викликані наявністю реактивних елементів у схемі підсилювача, що є лінійними елементами електричного кола, ці спотворення називають ще лінійними спотвореннями.

Амплітудна характеристика. Нелінійні спотворення. Амплітудна характеристика (рис. 13) виражає залежність амплітуди (або діючого значення) вихідної напруги підсилювача від амплітуди (або діючого значення) його вхідної напруги на деякій постійній частоті.

Рис13

Коли значення вхідної напруги малі, амплітудна характеристика проходить не через початок координат, поскільки в реальних підсилювачах напруга на виході при відсутності вхідної напруги визначається рівнем власних шумів підсилювача і перешкодами. Шуми підсилювача обумовлені в основному шумами його активних і пасивних елементів, причиною яких є пульсації напруги джерела живлення, а також неоднорідність структури матеріалу елементів і мінливість електричних процесів у часі.

Рис.14

При великих вхідних напругах (UBX> UBXMАKC) пропорційність між Uвих і Uвх порушується через порушення пропорційності залежності між вхідним і вихідним струмами транзистора. Це ілюструє рис. 14, а, на якому зображено сімейство статичних вихідних характеристик транзистора івих=const. При чисто синусоїдальному вхідному струмі (амплітуда позитивної та негативної напівхвиль Іт. вк рівні) вершина верхньої напівхвилі вихідного струму сплюснута через нелінійність відношення при великих вхідних струмах. Такого роду спотворення підсилюючого сигналу, які полягають у зміні його форми і викликані нелінійністю коефіцієнта передачі по струму транзистора, називаються нелінійними.

Таким чином, здатність підсилювача посилювати саму максимальну і саму мінімальну напругу за умови, що кожному миттєвому значенню вхідної напруги відповідає пропорційне значення вихідної напруги (ділянка аб на рис. 13), відображає один із найважливіших показників підсилювача, який називається динамічним діапазоном. Кількісно динамічний діапазон оцінюється як

де UBXMАKC і UBXMІН - вхідні напруги, при яких спотворення підсилюючого сигналу та його розрізнення на тлі шумів лежать в допустимих межах.

Динамічний діапазон, виражений в децибелах

Нелінійні спотворення обумовлюються також нелінійністю вхідних характеристик транзистора івх = φ2(Uвх) Uвих = const

Як видно з рис. 2.5, б, вхідний (а отже, і вихідний) струм несинусоїдальний при чисто синусоїдальній вхідній напрузі.

Таким чином, обидві названі причини викликають появу в вихідному струмі гармонійних складових, відсутніх у вхідному сигналі.

Нелінійні спотворення оцінюються коефіцієнтом нелінійних спотворень γ який дорівнює кореню квадратному із відношення потужності, що розвивається на навантаженні вищими гармонійними складовими (викликаючими спотворення), до потужності, що розвивається основною корисною гармонікою:

Рис. 15

Перехідна характеристика являє собою тимчасову залежність миттєвого значення вихідної напруги при дії на вхід підсилювача стрибка напруги. Ця характеристика використовується для оцінки лінійних спотворень, що вносяться підсилювачем при передачі імпульсних сигналів. Спотворення імпульсних сигналів називають також перехідними спотвореннями. Як видно з рис. 15, при подачі на вхід підсилювача стрибка напруги (або струму) (рис. 15, а) вихідна напруга підсилювача значно відрізняється по формі (рис. 15, б). Причиною перехідних спотворень є реактивні елементи підсилювача, зміни енергії в електричних і магнітних полях яких не можуть відбуватися миттєво. Таким чином, перехідні спотворення є наслідком перехідних процесів, які проходять в підсилювачі при швидких змінах вхідного сигналу.

Основними параметрами перехідної характеристики для оцінки спотворень імпульсних сигналів є: час затримки tз - час від моменту подачі вхідного імпульсу до моменту досягнення вихідним сигналом рівня

0,1Um вих, час наростання tн - відрізок часу, протягом якого вихідна напруга наростає від 0,1Um вих. до 0,9Um вих ; tсп - час спаду вихідної напруги від одного до іншого умовного рівня: величина спаду вихідної напруги за час tсп.

Для забезпечення передачі фронту вхідного імпульсу з малими спотвореннями (область малих часів) необхідно розширювати смугу пропускання підсилювача в області вищих частот, яка може досягати одиниць мегагерц. Для неспотвореної передачі вершини імпульсу (область великих часів) смуга пропускання підсилювача повинна бути такою, як у підсилювача постійного струму в області нижчих частот.

Таким чином, перехідна характеристика дозволяє судити про можливість посилення імпульсних сигналів різної тривалості. Спотворення імпульсу вважаються допустимими, якщо tн перехідної характеристики підсилювача пов'язане з тривалістю імпульсу співвідношенням

4.7 Динамічні характеристики підсилювачів

Підсилювальні властивості транзистора можуть бути реалізовані при включенні в його колекторний або емітерний ланцюг зовнішніх опорів, з яких знімаються коливання підсилюючого сигналу. В цьому випадку статичні характеристики не відображають залежності між миттєвими значеннями напруг і струмів в ланцюгах підсилювального елемента. Цю функцію виконують динамічні характеристики підсилювального каскаду, широко використовувані при його графоаналітичному розрахунку.

Існує кілька типів динамічних характеристик транзисторних каскадів підсилення. Однак для практичних цілей найчастіше використовують вихідні, вхідні, прохідні й наскрізні динамічні характеристики.

Розглянемо побудову динамічних характеристик для підсилювального каскаду на транзисторі (рис. 16).

Рис. 16 Рис. 17

У вхідний ланцюг транзистора включені джерело вхідного сигналу з миттєвим значенням е. р. с. еи і джерело зсуву Есм.

Навантаженням транзистора для постійного струму колектора є опір RК. Будемо вважати, що опір конденсаторf Ср, через який посилена напруга змінного сигналу передається до зовнішнього навантаження, а також внутрішній опір джерела живлення Ек змінної складової вихідного коллекторного струму незначні в порівнянні з послідовно включеними з ними опорами R н та Rк. Це справедливо для більшої частини робочого діапазону частот підсилювача. Тому опір навантаження колекторного ланцюга змінному струму буде