· выбросом фронта импульса d, определяемым отношением амплитуды выброса DU к амплитуде установившегося режима ;
· временем запаздывания относительно входного сигнала по уровню .
¨ Искажения плоской вершины импульса D характеризуется величиной спада напряжения за время длительности импульса:
.
Для n-каскадных некорректированных УУ (каскады включены последовательно) результирующее время установления фронта и спад плоской вершины импульса можно оценить следующим образом:
,
.
АЧХ и ПХ отражают одни и те же физические процессы в различной форме (частотной и временной). Связь частотных и временных искажений иллюстрируется рис.2.5.
¨ Нелинейные искажения (искажения формы выходного сигнала) вызываются нелинейностью характеристик усилительных элементов. Количественно нелинейные искажения гармонического сигнала оцениваются коэффициентом гармоник , который представляет собой отношение действующего значения напряжения (тока, мощности) высших гармоник, появившихся в результате нелинейных искажений, к напряжению (току, мощности) основной частоты (первой гармоники) при подаче на вход гармонического колебания основной частоты (при частотно-независимой нагрузке):
Для n-каскадных УУ (каскады включены последовательно):
.
Кроме в усилителях многоканальной связи нелинейность оценивается затуханием соответствующей гармонической составляющей, (например, второй):
.
¨ Собственные помехи УУ: фон, наводки и шумы. Остановимся на тепловых внутренних шумах усилителя ввиду принципиальной невозможности их полного устранения.
Любое резистивное сопротивление R (например, внутреннее сопротивление источника сигнала ) создает в полосе частот тепловой шум, среднеквадратичная ЭДС которого определяется формулой Найквиста:
.
Где k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура сопротивления.
Мерой оценки шумовых свойств УУ является коэффициент шума F, равный отношению мощностей сигнала и шума на входе УУ к отношению мощностей сигнала и шума на выходе УУ:
В диапазоне СВЧ находит применение оценка шумовых свойств УУ посредством определения шумовой температуры системы :
,
где - стандартная шумовая температура, (рекомендация МЭК).
Для многокаскадных УУ (каскады включены последовательно):
где , и т. д. - номинальные коэффициенты усиления по мощности каскадов усилителя.
¨ Амплитудная характеристика и динамический диапазон УУ.
Амплитудная характеристика усилителя представлена на рис.2.6.
Динамическим диапазоном входного сигнала усилителя называют отношение (при заданном уровне нелинейных искажений) к (при заданном отношении сигнал/шум на входе):
В зависимости от назначения УУ возможна оценка динамического диапазона по выходному сигналу, гармоническим и комбинационным составляющим и др.
Некоторые УУ (УПТ, ОУ и т.д.) могут характеризоваться другими специфическими показателями, которые будут рассмотрены по мере необходимости.
2.3. Методы анализа линейных усилительных каскадов
в частотной области
Большинство соотношений, приведенных в данном пособии, получено на основе обобщенного метода узловых потенциалов (ОМУП) [3]. При использовании ОМУП схема в целом заменяется матрицей эквивалентных проводимостей, отображающей как конфигурацию, так и свойства некоторой линейной схемы, аппроксимирующей реальную схему. Матрица проводимостей составляется на основе формальных правил [3]. При этом усилительные элементы представляются в виде четырехполюсников (подсхем), описываемых эквивалентными Y-параметрами. Выбор Y-параметров активных элементов в качестве основных обусловлен их хорошей стыковкой с выбранным методом анализа. При наличии других параметров активных элементов, возможен их пересчет в Y-параметры [3].
При использовании ОМУП анализ состоит в следующем:
¨ составляют определенную матрицу проводимостей схемы [3];
¨ вычисляют определитель D и соответствующие алгебраические дополнения ;
¨ определяют (при необходимости) эквивалентные четырехполюсные Y-параметры схемы;
¨ определяют вторичные параметры усилительного каскада.
Так как обычно УУ имеют общий узел между входом и выходом, то, согласно [3], их первичные и вторичные параметры определяются следующим образом:
где i, j - номера узлов, между которыми определяются параметры; - двойное алгебраическое дополнение.
По практическим выражениям, получаемым путем упрощения вышеприведенных выражений, вычисляют необходимые параметры усилительного каскада, например:
где t- постоянная времени цепи, - низкочастотные значения входной и выходной проводимости.
Полученные соотношения позволяют с приемлемой точностью проводить эскизный расчет усилительных каскадов. Результаты эскизного расчета могут быть использованы в качестве исходных при проведении машинного моделирования и оптимизации. Методы машинного расчета УУ приведены в [4].
2.4. Активные элементы УУ
2.4.1. Биполярные транзисторы
Биполярными транзисторами (БТ) называют полупроводниковые приборы с двумя (или более) взаимодействующими p-n-переходами и тремя (или более) выводами, усилительные свойства которых обусловлены явлениями инжекции и экстракции не основных носителей заряда.
Для определения малосигнальных Y-параметров БТ используют их эквивалентные схемы. Из множества разнообразных эквивалентных схем наиболее точно физическую структуру БТ отражает малосигнальная физическая Т-образная схема. Для целей эскизного проектирования, при использовании транзисторов до (0,2...0,3) ( - граничная частота усиления транзистора с ОЭ) возможно использование упрощенных эквивалентных моделей транзисторов, параметры элементов эквивалентных схем которых легко определяются на основе справочных данных. Упрощенная эквивалентная схема биполярного транзистора приведена на рис.2.7.
Параметры элементов определяются на основе справочных данных следующим образом:
¨ объемное сопротивление базы ,
где - постоянная времени цепи внутренней обратной связи в транзисторе на ВЧ;
¨ активное сопротивление эмиттера ,
при в миллиамперах получается в омах;
¨ диффузионная емкость эмиттера ,
где - граничная частота усиления по току транзистора с ОЭ, ;
¨ коэффициент усиления тока базы для транзистора с ОБ ,
где - низкочастотное значение коэффициента передачи по току транзистора с ОЭ.
¨ Dr =(0,5…1,5) Ом;
Таким образом, параметры эквивалентной схемы биполярного транзистора полностью определяются справочными данными и режимом работы.
Следует учитывать известную зависимость от напряжения коллектор -эмиттер :
.
По известной эквивалентной схеме не представляет особого труда, пользуясь методикой, изложенной в разделе 2.3, получить приближенные выражения для низкочастотных значений Y-параметров биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ:
Частотную зависимость и при анализе усилительного каскада в области ВЧ определяют, соответственно, посредством определения входной динамической емкости и постоянной времени транзистора t. Выражения для расчета низкочастотных Y-параметров для других схем включения транзистора получают следующим образом:
¨ дополняют матрицу исходных Y-параметров до неопределенной , а именно, если
то
¨ вычеркивают строку и столбец, соответствующие общему узлу схемы (б для ОБ, к для ОК), получая матрицу Y-параметров для конкретной схемы включения транзистора.
2.4.2. Полевые транзисторы
Полевыми транзисторами (ПТ) называются полупроводниковые усилительные приборы, в основе работы которых используются подвижные носители зарядов одного типа- либо электроны, либо дырки. Наиболее характерной чертой ПТ является высокое входное сопротивление, поэтому они управляются напряжением, а не током, как БТ.
Определяются малосигнальные Y-параметры ПТ по его эквивалентной схеме. Для целей эскизного проектирования можно использовать упрощенный вариант малосигнальной эквивалентной схемы ПТ, представленный на рис.2.8.
Данная схема с удовлетворительной для эскизного проектирования точностью аппроксимирует усилительные свойства ПТ независимо от его типа, параметры ее элементов находятся из справочных данных
Выражения для эквивалентных Y-параметров ПТ, включенного по схеме с ОИ определяют по методике п.2.3:
,
,
,
.
Где з, с, и соответственно затвор, сток и исток ПТ; t- время пролета носителей, .
Граничную частоту единичного усиления ПТ можно оценить по формуле:
.
Анализ полученных выражений для эквивалентных Y-параметров ПТ, проведенный с учетом конкретных численных значений справочных параметров, позволяет сделать вывод о незначительной зависимости крутизны от частоты, что позволяет в эскизных расчетах использовать ее низкочастотное значение . При отсутствии справочных данных о величине внутренней проводимости ПТ , в эскизных расчетах можно принимать ввиду ее относительной малости.
Пересчет эквивалентных Y- параметров для других схем включения ПТ осуществляется по тем же правилам, что и для БТ.
2.5. Усилительный каскад на биполярном транзисторе с ОЭ
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22
