Причины нелинейных искажений

Под нелинейными искажениями понимают изменение формы выходного сигнала относительно формы входного сигнала. Изменения формы сигнала обусловлены нелинейностью входных и выходных характеристик транзистора. Степень искажения оценивают коэффициентом нелинейных искажений g. Для его определения используют сквозную характеристику каскада [1,3], которая представляет собой зависимость выходного тока от входной Э.Д.С., включающую нелинейность входных и выходных характеристик:

. (5.2)

Характерный вид сквозной характеристики (5.2) представлен на рис. 5.11. При синусоидальной Э.Д.С. Е_Вх ток коллектора изменяется по несинусоидальному закону и характеризуется заостренной верхней и уплощенной нижней полуволнами (см. рис.5.11).

Рисунок 5.11 — Сквозная характеристика каскада

Несинусоидальный ток коллектора, являющийся выходным током I_Вых, можно разложить в ряд Фурье:

.

В спектре выходного тока полезной является только первая гармоника, совпадающая с частотой Е_Вх, остальные гармоники представляют нелинейные искажения, так как их нет во входном сигнале. Коэффициенты искажений по гармоникам определяются из выражений:

, , . (5.3)

Для инженерных расчетов достаточной считают погрешность порядка 10%, что позволяет ограничить ряд Фурье при разложении четырьмя гармониками. Тогда общий коэффициент нелинейных искажений определяется в виде:

. (5.4)

При проектировании усилительного каскада задаётся g_Общ и требуется обеспечить, чтобы искажения в усилителе не превышали заданные.

Нелинейные искажения определяются следующими основными причинами и факторами:

– заданным значением входного напряжения (или Э.Д.С. Е_Вх);

– нелинейностью входных ВАХ транзистора;

– отношением внутреннего сопротивления источника входного сигнала ко входному сопротивлению усилителя ;

– нелинейностью выходных характеристик транзистора;

– схемой включения транзистора.

Рассмотрим приведенные в [1] зависимости коэффициента искажений g_Общ от аргумента , для различных схем включения транзистора. Эти зависимости приведены на рис. 5.12.

Рисунок 5.12 — Зависимости g_Общ от отношения

(а — для схемы с ОБ, б — для схемы с ОЭ)

Как видно из рис. 5.12, при увеличении отношения , уменьшается коэффициент искажений, что обусловлено линеаризацией входных характеристик транзистора R_Вн. Для схемы с ОЭ отношение не должно превышать 1.5, так как дальнейшее его увеличение увеличивает искажения. Для схемы с ОБ такого ограничения нет, однако при >2 искажения уменьшаются незначительно, увеличение этого отношения приводит к уменьшению U_Вх относительно Е_Вх, поэтому его обычно принимают равным 1¸1.5.

Анализ основных причин искажений позволяет сделать следующие выводы:

– нелинейные искажения существенно растут с увеличением входной Е.Д.С.;

– схема усилителя с ОБ обеспечивает меньшие искажения в сравнении со схемой с ОЭ;

– нелинейность выходных ВАХ транзисторов не существенно влияет на исакажения;

– увеличение соотношения расширяет линейность входных ВАХ транзистора и уменьшает нелинейные искажения.

5.4 Входные динамические характеристики транзисторов.
Сквозная характеристика каскада

Нагрузкой транзистора по постоянному току является сопротивление R_К, которое определяет наклон нагрузочной линии по постоянному току. При работе по переменному току транзистор оказывается нагружен на меньшее эквивалентное сопротивление R_Экв = R_К ½½ R_Н. Так как R_Экв < R_К то наклон нагрузочной линии по переменному току более крутой. Положения нагрузочных линий на выходных характеристиках транзистора показаны на рис. 5.13.

Рисунок 5.13 — Нагрузочные линии по переменному и постоянному токам
на выходных ВАХ транзистора, включенного по схеме с ОБ

Здесь (1) — нагрузочная линия по постоянному току, (2) — определяет угол наклона нагрузочной линии по переменному току. Поскольку транзистор работает в линейном режиме с учетом принципа суперпозиции, нагрузочную линию по переменному току необходимо перенести в точку покоя (линия (2')) (см. рис. 5.13).

Связи между входными и выходными параметрами (I_Э с I_К, U_КБ) осуществляют по нагрузочной линии 2'. В связи с этим нужно строить динамические входные характеристики, которые учитывают изменение выходного напряжения от изменения входного тока. Результаты построения динамической входной характеристики для схемы с ОБ приведены на рис. 5.14. Они осуществлены путём переноса соответствующих точек нагрузочной линии по переменному току, с выходных ВАХ транзистора на входные. Как видно из рис. 5.14 динамическая входная характеристика для схемы с ОБ более линейна, чем статические характеристики, поэтому схема с ОБ обладает минимальными искажениями.

Рисунок 5.14 — Динамическая входная характеристика для схемы с ОБ

Аналогично построим динамическую входную характеристику для схемы с ОЭ (см. рис. 5.15). Из рисунка следует, что динамическая входная характеристика для схемы с ОЭ более нелинейна, чем статические, это означает, что схема с ОЭ имеет большие нелинейные искажения, чем схема с ОБ.

Рассмотрим методику построения сквозной характеристики каскада, учитывающую нелинейность входных и выходных ВАХ. Усилитель может работать с источником Э.Д.С. и источником тока. Для установления связей между входными током и Э.Д.С. с выходным током I_К выполним построения, приведенные на рис. 5.16.

В первом квадранте расположены выходные характеристики транзистора с нагрузочной линией по переменному току (2') проходящей через рабочую точку по постоянному току "О". Во втором квадранте строят переходную характеристику (1) каскада, связывающую входной ток (I_Э) с выходным током (I_К) через точки пересечения нагрузочной линии с выходными характеристиками транзистора.

Рисунок 5.15 — Динамическая входная характеристика для схемы с ОЭ
и фрагменты ее построения

Рисунок 5.16 — Оценка нелинейных искажений усилителя при работе
с источником ЭДС и источником тока

Динамическую выходную характеристику строят в третьем квадранте (2). На ней однозначно определяется рабочая точка "О".

Если на вход поступает синусоида от источника тока DI_Э(wt), то нелинейность входной динамической характеристики не влияет на форму выходного тока. При этом имеет место нелинейность переходной (1) характеристики и ток коллектора почти синусоидален.

В случае работы с источником Э.Д.С. DЕ_Вх(wt), получим существенно большие искажения, так как при переходе от DЕ_Вх к DI_Э сказывается нелинейность входной динамической характеристики, и осциллограмма DI_К получается более несинусоидальная. При работе с источником ЭДС (R_Вн.Ист®0, следовательно, нагрузочная линия на входных ВАХ параллельна оси I_Э), из-за нелинейности динамической входной характеристики происходит искажения формы входного тока, а следовательно резкие искажения выходного тока (см. рис.5.16).

В случае работы с источником тока (R_Вн.Ист®¥), входной ток не искажается, а следовательно обеспечиваются минимальные искажения выходного тока.

В реальных усилителях имеет место промежуточный вариант (R_Вн.Ист¹0 конечная величина), угол наклона нагрузочной линии на входных ВАХ определяется R_{Вн .} (см. рис. 5.17). При изменении DЕ_Вх(wt) нагрузочная линия перемещается параллельно самой себе, обуславливая осциллограмму выходного тока I_К. Нелинейные искажения имеют место и по величине находятся между двумя рассмотренными ранее случаями.

В реальных схемах всегда имеет место R_Вх¹0, т.е. последний рассмотренный вариант. Увязывая Е_Вх и I_К, получают сквозную характеристику транзисторного каскада, при этом нужно брать абсолютные значения Е_Вх и I_К. Вид этой характеристики приведен на рис. 5.17 (б).

По заданному входному сигналу относительно точки "О" по методу 5 ^И ординат (см. раздел 5.5) определяют искажения.

Дата добавления: 2014-01-04