Амплитудная и динамическая характеристики, нелинейные искажения

Зависимость выходного напряжения (тока) усилительного каскада или усилителя от входного напряжения (тока) выражается амплитудной характеристикой (рис. 3).

На значительном участке она представляет собой прямую линию, начинающуюся почти из начала координат (от уровня собственных шумов усилителя U_ш) и доходящую до таких амплитуд сигнала U_{вх.макс}, при которых заметно сказывается нелинейность характеристик АЭ. Таким образом, амплитудная характеристика дает возможность определить пределы изменения напряжений U_вх и U_вых (тока I_вх и I_вых), для которых усилитель с заданной точностью можно рассматривать как линейную систему (согласно рис.3 в пределах U_ш< U_вых< U_вых._макс).

Рис.3. Амплитудные характеристики усилителя и цепи ОС.

Для упрощения рассмотрения действия ОС на амплитудную характеристику предположим, что входной сигнал представляет собой колебание синусоидальной формы с постоянной амплитудой и частотой. Допустим, что напряжение на выходе усилителя искажено: отрицательная полуволна имеет амплитуду меньшую, чем положительная. Если усилитель охватить ООС по напряжению, то напряжение на выходе цепи ОС также будет иметь несимметричные полуволны: большая—положительная, меньшая—отрицательная. Поэтому в результате действия ООС больше ослабится положительная полуволна и меньше отрицательная и, как следствие, форма колебания на выходе усилителя станет более симметричной, т. е. нелинейные искажения сигнала уменьшатся.

Влияние ООС на амплитудную характеристику усилителя несложно пояснить графическим способом (ПОС увеличивает нелинейность амплитудной характеристики и поэтому не представляет практического интереса). Характеристика цепи ОС представляет собой прямую с углом наклона φ (рис.3), который можно найти из уравнения:

(13)

(14)

При действия ОС для восстановления на выходе усилителя прежнего значения напряжения U_вых необходимо напряжение от источника сигнала увеличить на значение напряжения U_oc. Следовательно, амплитудную характеристику усилителя с ОС можно получить из амплитудной характеристики усилителя без ОС смещением вправо абсцисс последней на значения U_ос. Из такого построения непосредственно следует линеаризующее действие ООС. При сильной ОС, когда К_ос=1/β, амплитудная характеристика усилителя на значительном участке представляет собой прямую линию с углом наклона, определяемым из (14).

Как следует из графика на рис.3 и уравнения U_вых._ос/U_вых=1+βК=F ОС позволяет при заданной степени искажений увеличить входную и выходную амплитуды в F раз.

Используя экспериментально снятые амплитудные характеристики усилителя с ОС и без нее, можно определить: глубину ОС (при условии U_вх=U_вх._ос=const); коэффициент ОС (при условии U_вых=U_вых.ос=const).

Это позволит в конечном итоге сравнить параметры и характеристики, полученные путем расчета и экспериментально.

Как известно, отклонение амплитудной характеристики усилителя от линейного закона приводит к нелинейным искажениям, суть которых заключается в том, что в выходном сигнале появляются колебания с частотами, которые отсутствуют в первоначальном сигнале, и тем самым изменяется спектральный состав и форма усиленного выходного сигнала.

Наибольшие нелинейные искажения вносит оконечный каскад усилителя, так как он работает при достаточно больших амплитудах входного сигнала.

Уровень нелинейных искажений оценивают коэффициентом гармоник К_г. Нелинейные искажении на слух незаметны, если К_г мал (К_г<0,2—0,5%). В усили­телях среднего качества К_г=3—5%, а высшего качества К_г=0,5—1%.

Рассмотрим влияние ООС по напряжению на работу оконечного каскада усилителя. Вследствие нелинейных искажений в выходном сигнале каскада наряду с колебаниями, содержащимися во входном сигнале, появляется ряд высших гармоник — продукты нелинейности.

Поскольку ток ОС представляет часть выходного тока, то создаваемое им напряжение ОС также содержит продукты нелинейности. Вследствие того, что напряжение ООС подается на вход АЭ в противофазе с входным сигналом, то выходной ток, вызванный напряжением ОС, будет также в противофазе с выходным током каскада. В результате это уменьшит нежелательные амплитуды высших гармонических колебаний. Так с помощью ООС уменьшаются продукты нелинейности, создаваемые АЭ в каскаде усиления. Одновременно с их уменьшением снижается и мощность усиливаемого сигнала на выходе усилителя. Для ее восстановления на вход усилителя следует подать напряжение сигнала, увеличенное в F раз. При этом амплитуда выходного сигнала восстанавливается до прежнего значения, т. е. до значения, которое она имела бы в отсутствие ОС. Однако рост нелинейных искажений, который казалось бы, мог возникнуть с увеличением амплитуды входного сигнала, на самом деле не происходит, так как результирующее напряжение на входе активного элемента U_вх.ос останется таким же, как и до введения ОС. Следовательно, амплитуды всех гармоник выходного тока, возникающих за счет нелинейности, также будут уменьшены в F раз. Таким образом, ООС уменьшает К_г прямо пропорционально глубине ОС, т. е. коэффициент гармоник каскада с ОС К_г.ос=К_г/F.

В каскаде с БТ образование продуктов нелинейности вызывается в основном двумя причинами: нелинейностью входной цепи транзистора и нелинейностью проходной и выходной его характеристик. На уровень нелинейных искажений влияют также амплитуда входного сигнала и сопротивления источника сигнала R_и и нагрузки R_н.

БТ вносит наибольшие нелинейные искажения при использова­нии его по схеме с ОЭ. Наименьших нелинейных искажений можно добиться, включая его по схемам с ОБ и с ОК. Поэтому в оконечных каскадах высоколинейных усилителей желательно применять схему включения с ОБ или с ОК. Следует заметить, что нелинейные искажения, возникающие из-за перегрузки оконечного каскада при сильных входных сигналах, ограничивают динамический диапазон изменения их выходных амплитуд, определяемый отношением U_{вых.макс}/U_ш (см. рис.3). Для усиления всего диапазона входных напряжений, динамические диапазоны по входу и выходу должны быть по крайней мере равны. Однако чаще всего динамический диапазон изменения входных сигналов больше динамического диапазона усилители, что приводит к появлению нелинейных искажений при усилении сигнала. Расширение динамического диапазона усилителя можно получить с помощью ООС. Это расширение прямо пропорционально глубине ОС.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: