Динамическая характеристика усилителя — это график, представляющий собой зависимость выходного напряжения (тока) усилителя от входного напряжения (тока) (рис. 7.5). При правильно выбранной рабочей точке усилителя (на линейном участке его рабочей характеристики) выходное напряжение является линейной функцией входного напряжения. В связи с этим динамическая характеристика проходит вдоль прямой линии, наклоненной под некоторым углом к оси U_вх. При увеличении входного напряжения свыше определенного значения в результате нелинейности характеристик ламп или транзисторов динамическая характеристика изгибается и становится горизонтальной линией, параллельной оси U_вх.

Рис. 7.5. Динамическая характеристика усилителя

В усилительных устройствах нас интересует только линейный участок динамической характеристики. Чем он больше, т. е. чем больший диапазон входных напряжений он охватывает, тем больше динамический диапазон усиления. Если выходное напряжение перестает линейно зависеть от входного, то возникают искажения, а об усилителе говорят, что он работает в режиме насыщения.

Нелинейные искажения связаны с нелинейностью динамической характеристики усилительной схемы. Если поданый на вход усилителя сигнал имеет слишком большую амплитуду, превышающую линейный диапазон возбуждения усилителя, возникают искажения вершин усиливаемого сигнала. В качестве примера рассмотрим сеточную характеристику лампы, работающей в схеме усилителя (рис. 7.6).

Рис. 7.6. Возникновение нелинейных искажений в усилителе

Рабочая точка лампы находится на середине линейного участка характеристики. Синусоидальный входной сигнал, амплитуда которого не выходит за линейный участок характеристики, вызывает протекание синусоидального тока через лампу и в результате — появление синусоидального напряжения на сопротивлении нагрузки. Если амплитуда возбуждающего (входного) сигнала увеличивается так, что максимальные значения сигнала превышают напряжение, соответствующее верхнему загибу характеристики, и напряжение отсечки, то на выходе появится колебание со срезанными вершинами сигнала. Такого вида сигнал может быть представлен как сумма синусоидального сигнала основной частоты и множества сигналов, частоты которых кратны основной частоте (гармоникам). Поскольку гармоники во входном сигнале отсутствовали, то они возникли в усилителе. Их присутствие в выходном сигнале поясняет другое название нелинейных искажений — искажения из-за гармоник.

Каскадным соединением усилителей называется группа ступеней усилителя, в которой сигнал, полученный на выходе первой ступени усиления, возбуждает вторую. В свою очередь сигнал, полученный на ее выходе, возбуждает третью ступень и т. д. вдоль всей цепочки.

Основной чертой усилителя, состоящего из нескольких каскадов, является большее усиление, чем у одиночного. Полный коэффициент усиления усилителя равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов или равен их сумме, если усиление каждого каскада выражено в децибелах. Однако каскадное соединение усилителей приводит к уменьшению общей полосы пропускания.

В качестве примера рассмотрим два одинаковых усилительных каскада с определенной верхней граничной частотой f_в. Этой частоте соответствует на 3 дБ меньшее усиление, чем на средних частотах. Падение усиления каскадного соединения двух ступеней при граничной частоте каждой из ступеней будет равно уже 6 дБ, т. е. новая граничная частота будет ниже. В связи с этой особенностью каскадного соединения ширина полосы каждого усилительного каскада должна быть большей, чтобы общая ширина полосы имела заданное значение.

В общем случае в каскадном соединении отдельных усилителей можно выделить входной каскад с низким уровнем сигнала, непосредственно взаимодействующего с источником возбуждения, средние и выходной каскады, взаимодействующие с нагрузкой, уровень сигнала в которых является наибольшим. В связи с этим требования к отдельным каскадам различны. Во входном существенную роль может играть входное сопротивление и шумовые свойства. В средних каскадах основное значение имеют коэффициент усиления и частотная характеристика. Наконец, для выходного важны вид выхода (симметричный или несимметричный), выходное сопротивление и уровень нелинейных искажений.

Это способ соединения отдельных каскадов для передачи выходного сигнала одного каскада в другой. Непосредственная связь коллектора одного каскада с базой второго не применяется, поскольку коллектор и база транзистора требуют подачи постоянных напряжений с сильно отличающимися значениями. Поэтому непосредственную связь используют исключительно в усилителях, предназначенных для усиления очень низких частот. Наиболее часто применяемыми способами связи являются емкостная и трансформаторная.

Резистивный усилитель с емкостной связью, называемый также RС-усилителем, — основная схема. На рис. 7.7 представлена его принципиальная схема на транзисторе. Название схемы связано с характером сопротивления нагрузки (сопротивление R_к) и емкостной связью обсуждаемого каскада с источником сигнала либо предыдущим каскадом и нагрузкой следующего каскада (конденсаторы С₁ и С₂). Транзистор работает по схеме с ОЭ. Эту схему наиболее часто используют, поскольку она дает большой коэффициент усиления по напряжению и току, а следовательно, и большое усиление по мощности.

Рабочую точку транзистора определяют резисторы R₁, R₂, R_э, R_к, причем делитель R₁R₂ определяет напряжение смещения базы, а падение напряжения, возникающее в результате протекания тока эмиттера через резистор R_э, — напряжение эмиттера. При заданном напряжении коллектора, равном разности между напряжением питания и падениями напряжений на резисторах R_к и R_э, устанавливается определенный ток базы.

Параметры элементов, определяющие положение рабочей точки на рабочей характеристике транзистора, обычно подобраны таким образом, чтобы рабочая точка находилась на прямолинейном участке характеристики. Это означает, что при достаточно малых возбуждающих сигналах усилитель работает в классе А и может рассматриваться как линейная схема. Резистор R_э выполняет, кроме того, функции резистора, стабилизирующего рабочую точку транзистора. Для исключения отрицательной обратной связи по переменному току этот резистор обычно шунтируется конденсатором С_э большой емкости.

В представленной на рис. 7.7 схеме резистор R_вх2 символизирует входное сопротивление следующего каскада, которое является параллельным соединением резисторов в цепи базы и входного сопротивления транзистора следующего каскада.

Рис. 7.7. Резистивный усилитель с емкостной связью

В диапазоне средних частот, в котором влиянием действующих в схеме емкостей можно пренебречь, усиление схемы по напряжению выражается следующей формулой: