Вопрос 9.

Активный четырехполюсник как линейный усилитель. Схема замещения транзисторного усилителя. Апериодический усилитель, схема, параметры и характеристики.

Приведенные выражения записанные в форме

можно рассматривать как коэффициенты усиления соответственно напряжения и тока активного четырехполюсника.

В широкополосных усилителях, как правило, усилительные приборы (транзисторы, лампы и др.) обеспечивают (при правильном выборе нагрузки) выполнение следующих неравенств:

Поэтому при грубой оценке усилительной способности четырехполюсника можно исходить из приближенных равенств

Отсюда следует, что коэффициент усиления мощности (выраженный в вольтамперах)

При анализе активного четырехполюсника как усилителя важное значение имеют такие его параметры, как входное и выходное сопротивления.

Обобщенная схема активного четырехполюсника с учетом параметров источника сигнала и нагрузки :

Транзисторный усилитель (а) и его схема замещения (б)

АПЕРИОДИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ

Передаточная функцию однокаскадного усилителя

где — максимальный коэффициент усиления

Схема апериодического усилителя

Амплитудно-частотная характеристика апериодического усилителя

Выражения для амплитудно- и фазо-частотной характеристик:

При изменении частоты со получается АЧХ, изображенная на рис

Вопрос 10. Резонансный усилитель, схема, параметры и характеристики. Каскадное соединение усилителей.

Резонансные усилители.В зависимости от вида резонансной цепи резонансные усилители подразделяются на одноконтурные, двухконтурные, многоконтурные, усилители с пьезоэлектрическими и электромеханическими фильтрами, усилители с резонансными линиями и объёмными резонаторами.В резонансных усилителях нагрузкой выходной цепи усили­тельного элемента является параллельный колебательный контур (фильтр), имеющий высокое сопротивление для резонансной частоты и малое сопротивление для других частот. Транзистор может быть включён по схеме с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором, однако в большинстве случаев используются схема с общим эмиттером, обеспечивающая максимальное усиление по мощности с малым уровнем шума. Частотная характеристика резонансного усилителя определяется параметрами колебательного контура, причём избирательные свойст­ва контура могут быть наиболее полно реализованы в схеме усилителя при условии малого шунтирования контура выходным сопротивлени­ем источника сигнала и входным сопротивлением нагрузки. Известно, что транзистор имеет низкие входные и выходные сопротивления. Поэтому при построении схем транзисторных усилителей приходится считаться с шунтирующим действием этих сопротивлений на контур, ведущий к снижению коэффициента усиления каскада.

Данная схема состоит из следующих элементов: индуктивность L₁ совместно с конденсатором С₁ образуют параллельный колебательный контур, резисторы R₁и R₂ предназначены для создания напряжения смещения на транзистор VT, разделительные конденсаторы C_p1 и С_р2 выбираются таким образом, чтобы они не оказывали влияние на частот­ную характеристику резонансного усилителя. Коэффициент усиления резонансного усилителя максимален при совпадении частоты усиливаемого сигнала f_c с резонансной частотой колебательного контура fо=1/2π√L₁·C_экв, уменьшаясь на других час­тотах.

Основным количественным параметром усилителя яв­ляется коэффициент усиления. В зависимости от функци­онального назначения усилителя различают коэффициен­ты усиления по напряжению КU,току KIили мощности КР:

где Uвх, Iвх-амплитудные значения переменных составляющих соответственно напряжения и тока на входе;Uвых, Iвых -амплитудные значения переменных сос­тавляющих соответственно напряжения и тока на выходе;Pвх, Pвых -мощности сигналов соответственно на входе и выходе.К количественным показателям усилителя относятся также входное Rвх и выходное Rвых сопротивления усили­теля:

где Uвх и Iвх — амплитудные значения напряжения и тока на входе усилителя;

 и  — приращения аплитудных значений на­пряжения и тока на выходе усилителя, вызванные изменением сопротивления нагрузки.

Рассмотрим теперь основные характеристики усилите­лей.

Амплитудная характеристика — это зависимость амп­литуды выходного напряжения (тока) от амплитуды вход­ного напряжения (тока) (рис. 2.2). Точка 1 соответствует напряжению шумов, измеряемому при Uвх= 0, точка 2 — минимальному входному напряжению, при котором на выходе усилителя можно различать сигнал на фоне шумов. Участок 2—3 — это рабочий участок, на котором сохраня­ется пропорциональность между входным и выходным на­пряжениями усилителя. После точки 3 наблюдаются не­линейные искажения входного сигнала. Степень нелинейных искажений оценивается коэффициентом не­линейных искажений (или коэффициентом гармоник):

где — амплитуды 1-й (основной), 2-й, 3-й и n-й гармоник выходного напряжения соответственно.

Рис. 2.2. Амплитудная характеристика усилителя

Величина   характеризует динамический диапазон усилителя.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ)и фазочастотная характеристика (ФЧХ) усилителя. АЧХ — это зависимость модуля коэффициента усиления от частоты, а ФЧХ — это зависимость угла сдвига фаз между входным и выходным напряжениями от частоты. (fн – fв) полоса пропускания усилителя.

Рис. 2.4. Типовых АЧХ усилителя

При усилении гармонического сигнала достаточно ма­лой амплитуды искажения формы усиленного сигнала не возникает. При усилении сложного входного сигнала, со­держащего ряд гармоник, эти гармоники усиливаются уси­лителем неодинаково, так как реактивные сопротивления схемы по-разному зависят от частоты, и в результате это приводит к искажению формы усиленного сигнала. Такие искажения называются частотными и характеризуются ко­эффициентом частотных искажений: , где Kf— модуль коэффициента усиления усилителя на заданной частоте.

Коэффициенты частотных искажений:   и   называются соответственно коэффициентами искажений на нижней и верхней граничных частотах.

Типовая ФЧХ приведена на рис. 2.6. Она также может быть построена в логарифмическом масштабе. В области средних частот дополнительные фазовые искажения ми­нимальны. ФЧХ позволяет оценить фазовые искажения, возникающие в усилителях по тем же причинам, что и частотные.

Рис. 2.6. Типовая ФЧХ усилителя

Переходная характеристика усилителя — это зависи­мость выходного сигнала (тока, напряжения) от времени при скачкообразном входном воздействии (рис. 2.8).

¶

Рис. 2.8. Переходная характеристика усилителя

Каскадное (последовательное) соединение усилителей используют в тех случаях, когда отдельный элементарный усилитель не обеспе­чивает заданных характеристик, в первую очередь необходимого коэф­фициента усиления по напряжению, току или мощности.

При каскадном соединении применяют различные схемы связи, предназначенные как для сопряжения усилителей между собой, так и для сопряжения источника входного сигнала с входом усилителя и нагрузки с его выходом. Структурная схема многоэлементного усилителя представлена на рис. 11.12.

Виды связи. Основное назначение схемы связи состоит в согласо­вании напряжений, соответствующих режимам покоя предыдущего - и последующего усилителей. При этом должны выполняться соотношения:

;

Oдновременно следует стремиться к тому, чтобы коэффициент передачи переменной составляющей напряжения схемы связи K_UCB был достаточно высоким.

Параметры многоэлементного усилителя. Параметры усилителя (kux.Zвх,Zвых), построенного путем каскадного соединения N элемен­тарных усилителей, находят по следующим формулам: