Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология
Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии


Раздел 1.2.5 Расчет характеристик усилительного каскада



(Лекция 8, 2 часа)

Учебные вопросы:

1. Работа активных элементов с нагрузкой

2. Построение нагрузочной характеристики

3. Графоаналитический метод расчета характеристик усилительного каскада

 

1.2.10 Работа активных элементов с нагрузкой

При работе активного элемента в аппаратуре связи или ра­диотехнических устройствах на управляющий электрод подается входной сигнал. Изменение этого сигнала приводит к изменению тока в выходной цепи активного элемента. Чтобы использовать изменение выходного тока, в выходную цепь активного элемента всегда включается нагрузка. В качестве нагрузки могут быть ак­тивное сопротивление (резистор), колебательный контур, транс­форматор. Выходной ток, протекая по нагрузке, создает на ней падение напряжения, которое вычитается из напряжения источ­ника питания. В связи с этим величина выходного тока зависит от одновременного изменения напряжения на управляющем и выходном электродах активного -элемента.

Для анализа работы активного элемента с нагрузкой, кроме статических характеристик, используется нагрузочная. Она пред­ставляет собой геометрическое место точек приложения состав­ляющих токов и напряжений входной или выходной цепей соот­ветственно, которым соответствуют возможные значения режима работы усилительного каскада.

Методика построения нагрузочной характеристики не зави­сит от типа активного элемента. Рассмотрим ее построение на примере усилительного каскада с общим эмиттером. При вклю­чении нагрузки в коллекторную цепь транзистора изменение тока коллектора определяется совместным воздействием изменений входного тока базы и напряжения в выходной коллекторной цепи.

Для коллекторной цепи усилительного каскада в соответст­вии со вторым законом Кирхгофа можно записать следующее уравнение электрического состояния:

(2.26)

т.е. сумма падения напряжения на нагрузке и напряжения кол­лектор – эмиттер транзистора всегда равна постоянной ве­личине – ЭДС источника питания. Напряжение в коллекторной цепи определяется как

Выражение (2.26) является математическим описанием прямой линии, его называют уравнением нагрузочной прямой, которая строится на семействе статических выходных характери­стик (рис.1.23, а).

Рисунок 1.23 Графический анализ работы усилительного

каскада с нагрузкой в режиме классаА

 

Построение линии нагрузки по постоянному току удобно провести по двум точкам, характеризующим режим холостого хода (точка А: ) и короткого замыкания (точка А: ). Наклон линии нагрузки определяется сопротивлением резистора , поэтому характеристику, можно провести под углом

Точки пересечения нагрузочной прямой с коллекторными характеристиками дают графическое решение уравнения (2.26) для данных сопротивления нагрузки , напряжения питания и различных значений входного тока. Выбрав на входной ха­рактеристике значение тока покоя базы и определив точку пересечения соответствующей выходной характеристики, снятой при с нагрузочной прямой, определяем режим по постоянному току выходной цепи — точка О( ). Для по­лучения наибольшей амплитуды выходного напряжения необхо­димо, чтобы точка покоя размещалась посередине его линии на­грузки. При этом режим ограничения будет устанавливаться одновременно для обеих полуволн выходного напряжения, каскад будет работать с минимальными нелинейными искажениями (ре­жим класса А).

У биполярных транзисторов, кроме нагрузочной характери­стики, используется входная, получаемая методом перенесения точек пересечения выходной нагрузочной характеристики на се­мейство входных характеристик.

Однако для многих транзисторов характерно слабое влия­ние коллекторного напряжения на входной ток. Это проявляется в очень незначительных смещениях входных статических харак­теристик при изменениях коллекторного напряжения, в связи с чем семейство входных статических характеристик представлено лишь двумя из них, снятыми при напряжении ( ) и

5В при номинальном напряжении на коллекторе. Поэтому нагрузоч­ная входная характеристика в этом случае сливается со статиче­ской, снятой при ( ) (рис. 1.23, а).

Для определения переменных составляющих тока и напря­жения в коллекторной цепи используют нагрузочную характеристику каскада по переменному току. Для переменного тока источник питания, сопротивление разделительного конденсатора практически не оказывают никакого сопротивления. Поэто­му для сопротивления резисторов и соединены парал­лельно и образуют сопротивление нагрузки транзистора по пере­менному току

(2.27)

Анализ выражения (2.27) показывает, что сопротивление нагрузки усилительного каскада по постоянному току больше, чем по переменному току .

При наличии входного сигнала напряжение и ток во входной и выходной цепях представляют собой суммы постоянных и пере­менных составляющих. При увеличении мгновенное напряже­ние на коллекторе уменьшится и его приращение будет равно

(2.28)

Линия нагрузки по переменному току, угол наклона кото­рой равен , проходит через точку покоя (точка О).

Если во входную (базовую) цепь каскада подается входное на­пряжение амплитудой , то рабочая точка на входной нагру­зочной характеристике будет перемещаться вверх, в точку 1 при положительной полуволне входного сигнала, и вниз, в точку 2 при отрицательной полуволне входного сигнала. В базовой цепи транзистора создается переменная составляющая тока базы , которая вызывает появление переменной составляющей тока кол­лектора . Это вызывает перемещение рабочей точки по выход­ной нагрузочной характеристике вверх при положительной полу­волне входного сигнала ( уменьшается) и вниз при отрицательной полуволне ( возрастает). Таким образом, схема с ОЭ изменяет фазу входного сигнала на 180° (схема инвертирует входной сигнал).

Для получения минимальных искажений необходимо, что­бы рабочая точка не заходила при перемещении вверх в область нелинейных участков ВАХ (транзистор из активного режима мо­жет переходить в режим насыщения), а при перемещении вниз – в область начальных токов (область отсечки) .

Графический расчет, кроме того, позволяет определить сле­дующие параметры:

входное сопротивление

коэффициент усиления по напряжению коэффициент

Усиления по току

коэффициент усиления по мощности

Раздел 1.2.6 Усилительный каскад: основные методы включения (Лекция 9, 2 часа)

Учебные вопросы:

1. Усилительный каскад с общим эмиттером

2. Усилительный каскад с общей базой

3. Усилительный каскад с общим коллектором

 

1.2.11 Усилительный каскад с общим эмиттером

Усилительные каскады на биполярных транзисторах с резисторными нагрузками в цепи коллектора нашли широкое приме­нение в предварительных каскадах усиления. Они обеспечивают усиление по напряжению, току, мощности.

Рисунок 1.24 Принципиальная схема усилительного

резисторного каскада в схеме с ОЭ

 

Принципиальная схема усилительного резисторного каскада с ОЭ представлена на рис. 1.24. Входной сигнал поступает на базу транзистора от генератора напряжения с внут­ренним сопротивлением . Раз­делительный конденсатор служит для предотвращения протекания постоянной состав­ляющей тока азы через источ­ник входного сигнала. При от­сутствии в цепи источника входного сигнала создавался бы постоянный ток от источника питания , -который мог бы вызвать падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника сигнала, изменяющее режим работы транзистора и приводящее к нагреву источника сигнала. Конденсатор на выходе усилительного каскада обеспечивает выделение переменной составляющей коллекторного напряжения, которая поступает на нагрузочное устройство с со­противлением . Элементы обеспечивают режим каскада по постоянному току и температурную стабилизацию.

Параметры усилителя (коэффициенты усиления по току , напряжению и мощности ; входное и выходное сопротивления) определяются с использованием аналитического метода, при котором на основе малосигнальной эквивалентной схемы транзистора строится эквивалентное представление каска­да по переменному току и проводится его расчет (рис. 1.25).

 

Рисунок 1.25 Эквивалентная схема усилительного каскада в схеме с ОЭ в диапазоне средних частот

 

Расчет параметров каскада производится для области средних частот усиления, где зависимость параметров от частоты минимальна и не учитывается в расчетах. Сопротивле­ния конденсаторов очень малы иими можно пренебречь.

Резистор зашунтирован конденсатором и на эквивалентной схеме не учитывается. При переменном токе сопротивление ис­точника питания близко к нулю, поэтому верхний вывод резисто­ров на схеме замещения соединяется с выводом эмиттера.

Цепь базы транзистора представлена на эквивалентной схе­ме объемным сопротивлением активной области базы , состав­ляющим десятки Ом. Эмиттерный переход представлен дифференциальным сопротивлением , лежащим в пределах единиц-десятков Ом. Закрытый коллекторный переход представлен дифференциальным сопротивлением , составляющим сотни кОм.

Входное сопротивление каскада представляет собой сопро­тивление параллельного соединения резисторов и сопро­тивления входной цепи транзистора ( , ):

(2.29)

Сопротивление входной цепи транзистора определяется как . Учитывая, что через сопротивление протекает ток , а через сопротивление — ток , получим:

Тогда входное сопротивление усилительного каскада определяет­ся выражением

2.30)

Значение для каскада с ОЭ составляет сотни Ом или единицы кОм.

Если резистор в схеме (рис. 2.15) не зашунтирован по переменному току конденсатором , то последовательно с в эквивалентной схеме усилителя необходимо включать сопротив­ление . Входное сопротивление в этом случае определяется вы­ражением

(2.31)

Сравнение выражений (2.30) и (2.31) показывает, что введение отрицательной обратной связи по переменному току значительно увеличивает входное сопротивление усилительного каскада, а включение низкоомного делителя , улучшающе­го температурную стабильность усилителя, значительно снижает его входное сопротивление.

Выходное сопротивлениеусилительного каскада определя­ется со стороны выходных зажимов при отключенной нагрузке и нулевом входном сигнале . Из эквивалентной схемы (рис. 1.25) видно, что выходное сопротивление каскада определя­ется параллельным включением сопротивления и выходные сопротивлением самого транзистора, близким по величине к

Обычно и считается, что выходное сопротивление определяется сопротивлением резистора и составляет единицы кОм.

Коэффициент усиления по напряжению каскада определя­ется как отношение выходного напряжения на нагрузке к ЭДС источника сигнала . Значение определяется выраже­нием где знак минус указывает на то, что выходное напряжение находится в противофазе с входным. Ток базы определяется выражением

тогда

(2.32)

Анализ выражения (2.32) показывает, что коэффициент усиления каскада по напряжению тем больше, чем больше вы­ходное сопротивление каскада по сравнению с и чем больше статический коэффициент

В идеальном усилителе напряжения ( ), который работает в режиме холостого хода ( ), коэффициент усиления будет максимальным и равным:

(2.33)

Коэффициент усиления по току определяется отношением тока в нагрузке ко входному току Ток в базе и ток в нагрузке определяются следующими выражениями:

(2.34)

Подставив полученные соотношения в выражение для ко­эффициента усиления по току, получим:

(2.35)

В идеальном усилителе тока ( ), который работает в режиме короткого замыкания ( ), имеем .

 

 

Рисунок 1.26 Эквивалентная схема усилительного каскада в схеме с ОЭ в диапазоне низких частот

 

При работе каскада в схеме с ОЭ в диапазоне низ­ких частот необходимо учи­тывать емкости раздели­тельных конденсаторов , и Поскольку сопротивления конденсато­ров на низких частотах воз­растают, то эквивалентная схема каскада имеет сле­дующий вид (рис. 1.26). Сначала рассмотрим вли­яние разделительного конденсатора на изменение коэффициента усиления по напряжению:

(2.36)

где — сопротивление емкости,

Отношение коэффициента усиления на низких частотах к коэффициенту усиления на средних частотах равно

(2.37)

где — постоянная времени входной цепи усилительного каскада.

Коэффициент частотных искажений определяется выражением

(2.38)

Для уменьшения частотных искажений при прочих равных условиях необходимо увеличивать

Коэффициент частотных искажений, вносимый разделитель­ным конденсатором , определяется следующим выражением:

(2.39)

где

Рассмотрим влияние емкости на частотные искажения. Предположим, что и в первый момент времени после поступления входного сигнала влияние несущественно. По мере зарядки уменьшается эмиттерный ток, а следователь­но, и ток базы. Когда емкость зарядится полностью, то через нее не будет протекать ток. Сопротивление в эмиттерной цепи будет равно вместо начального значения .Это приведет к уменьшению тока базы и изменению коэффициента усиления по напряжению. В этом состоит принципиальная особенность влия­ния емкости на частотные искажения. Постоянная времени равна произведению на параллельное сопротивление и вы­ходного сопротивления каскада со стороны эмиттера транзистора, т.е. выходного сопротивления каскада с ОК, величина которого не превышает десятков Ом:

Коэффициент частотных искажений, вносимый , макси­мальный и определяется выражением

(2.40)

Коэффициент частотных искажений в диапазоне низких частот, вносимый емкостями усилительного каскада, равен

дБ.

 

Рисунок 1.27 Эквивалентная схема усилительного каскада в схеме с ОЭ в диапазоне высоких частот

 

Для уменьшения в усилительном каскаде в схе­ме с ОЭ требуется увеличи­вать и в боль­шей степени.

При работе каскада с ОЭ в диапазоне высоких частот на частотные искажения силь­ное влияние оказывают ем­кость коллекторного перехо­да и емкость нагрузки. Эквивалентная схема каскада в диапазоне высоких частот представлена на рис 1.27. Постоянная времени каскада с ОЭ в области высоких частот определяется выражением , тогда коэффициент частотных искажений в области высоких частот

 

1.2.12 Усилительный каскад по схеме с общей базой

Усилительный каскад на биполярном транзисторе, вклю­ченном по схеме с общей базой, может использовать один или два источника питания. Рассмотрим каскад с ОБ с одним источником питания, принципиальная схема которого приведена на рис. 1.28, а. В этом каскаде для создания оптимального тока ба­зы в режиме покоя , обеспечивающего работу усилительного каскада на линейном участке входной характеристики, служат резисторы и . Конденсатор имеет в полосе пропускания усилителя сопротивление значительно меньше , и падение на­пряжения на нем от переменной составляющей тока мало, поэто­му можно считать, что по переменной составляющей тока база соединена с общей точкой усилительного каскада. Входное на­пряжение подается между эмиттером и базой через разделитель­ный конденсатор . Выходное напряжение снимается между коллектором и базой через разделительный конденсатор . Резистор служит для прохождения постоянной составляющей тока эмиттера и для того, чтобы не шунтировало входное сопротив­ление каскада, оно на два-три порядка выше этого сопротивления.

 

Рисунок 1.28Принципиальная (а) и эквивалентная (б) схемы усилительного каскада в схеме с ОБ

 

При подаче на вход рассматриваемого каска­да положительной полу­волны входного сигнала ток и эмиттера, и кол­лектора будет умень­шаться. Это приводит к уменьшению падения напряжения на и увеличению напряже­ния , что вызывает формирование положи­тельной полуволны вы­ходного напряжения . Полярности вход­ного и выходного на­пряжений совпадают, схема не инвертирует входной сигнал.

Анализ работы уси­лительного каскада с общей базой по вход­ным и выходным харак­теристикам проводится аналогично анализу ра­боты каскада с ОЭ. Вы­ходные характеристики транзистора в схеме с ОБ более линейны, чем в схеме с ОЭ, поэтому нелинейные искажения в этом случае меньше.

Расчет параметров усилительного каскада с ОБ по перемен­ному сигналу в области средних частот проводится по эквива­лентной схеме, представленной на рис. 1.28, б. На ней не пока­заны разделительные конденсаторы , и конденсатор , с помощью которого заземляется база транзистора по переменно­му току, так как их номиналы выбраны такими, что емкостные сопротивления даже в области низких частот невелики и при анализе их можно не учитывать.

Входное сопротивление каскада определяется как парал­лельное соединение и входного сопротивления транзистора:

. (2.41)

Согласно выражению (2.41), входное сопротивление каска­да определяется преимущественно сопротивлением эмиттерной области транзистора и составляет 10...50 Ом. Малое входное сопротивление каскада является существенным недостатком. Каскад сОБ создает большую нагрузку для источника входного сигнала.

Выходное сопротивление каскада с ОБ определяется, как и у каскада с ОЭ, сопротивлением резистора . При небольшом его значении ( )

.(2.42)

и составляет единицы-десятки кОм. Если соизмеримо с , то .

Коэффициент усиления по току рассчитывается, как в кас­каде с ОЭ. По переменной составляющей ток коллектора связан с током эмиттера следующей зависимостью: Входной сигнал поступает в цепь эмиттера транзистора, поэтому усиление по току меньше единицы и определяется выражением

(2.43)

Это является другим существенным недостатком каскада с ОБ.

Коэффициент усиления по напряжению определяется с по­мощью эквивалентной схемы каскада по переменному сигналу как отношение амплитуды выходного сигнала к амплитуде вход­ного сигнала и имеет вид

(2.44)

Коэффициент усиления по напряжению каскада сОБ суще­ственно зависит от сопротивления нагрузки и внутреннего сопро­тивления источника сигнала. При и достаточно большом коэффициент усиления по напряжению каскада ОБ приближа­ется к величине каскада ОЭ. Если же использовать последова­тельное соединение нескольких каскадов сОБ, то нагрузкой пре­дыдущего каскада является очень малое входное сопротивление последующего, в связи с этим получить большой коэффициент усиления по напряжению не удается.

Коэффициент частотных искажений для области НЧ в кас­каде ОБ определяется влиянием разделительных конденсаторов , и рассчитывается по тем же формулам, что и для схемы с ОЭ. Общий коэффициент равен

дБ.

Наибольшие частотные искажения вносятся входной цепью, ибо где — выходное сопротивление предыдущего каскада.

Коэффициент частотных искажений в области ВЧ определя­ется, как и в схеме ОЭ, он значительно меньше, чем в каскаде с ОЭ. Каскад с ОБ характеризуется: малым входным сопротивле­нием (десятки Ом); относительно высоким выходным сопротивле­нием (единицы-десятки кОм); коэффициентом усиления по току меньшим единицы; коэффициентом усиления по напряжению, зависящим от сопротивления нагрузки; малыми нелинейными искажениями.

 

 

1.2.13 Усилительный каскад с общим коллектором

(эмиттерный повторитель)

Схема усилительного каскада с ОК приведена на рис. 1.29, а. Резистор, с которого снимается выходное напряже­ние, включен в эмиттерную цепь. Коллектор через очень малое внутреннее сопротивление источника питания по пере­менному сигналу (емкость источника питания велика) соединен с землей, значит, вывод коллектора является общим длявходной и вы­ходной цепей усилителя.

Рисунок 1.29 Принципиальная (а) и эквивалентная (б) схемы усилительного каскада в схеме с ОК (эмиттерный повторитель)

 

Для каскада с ОК спра­ведливо равенство

(2.45)

Если выходное напряже­ние значительно боль­ше напряжения , то оно приблизительно равно вход­ному. В связи с этим каскад с ОК называют эмиттерным повторителем. Этот каскад относится к усилителям с глубокой отрицательной ОС по напряжению.

В режиме покоя, т.е. при , резисторы и задают начальный ток смещения. Его значения выбирают таким, чтобы рабочая точка в режиме покоя находилась примерно посереди­не линейного участка входной характеристики. Разделительные кон­денсаторы и выполняют те же функции, что и в каскаде с ОЭ.

В каскаде с ОК напряжение входного переменного сигнала подается между базой и коллектором (общей точкой) через разде­лительный конденсатор . Выходное напряжение, равное па­дению напряжения на резисторе от переменной составляющей эмиттерного тока, снимается между эмиттером и коллектором через конденсатор связи . Расчет каскада по постоянному то­ку проводят по аналогии с каскадом с ОЭ. Анализ каскада по пе­ременному сигналу проводят с помощью эквивалентной схемы, представленной на рис.1.29, б.

Входное сопротивление каскада ОК определяется парал­лельным соединением резисторов и сопротивлением вход­ной цепи транзистора :

(2.46)

Входное сопротивление цепи транзистора равно

(2.47)

Анализ выражений (2.46) и (2.47) показывает, что сопро­тивление входной цепи транзистора и входное сопротивление каскада с ОК больше, чем в схеме с ОЭ. В практических схемах достигает 200...300 кОм. Причем входное сопротивление не остается постоянным, а зависит от сопротивления нагрузки. Для его увеличения часто не включают в схему резистор . Высокое входное сопротивление является одним из главных преимуществ каскада с ОК. Это требуется в случае применения каскада в каче­стве согласующего устройства при работе от источника входного сигнала с большим внутренним сопротивлением.

Выходное сопротивление каскада с ОК представляет собой сопротивление схемы со стороны эмиттера и определяется как

(2.48)

Выходное сопротивление каскада с ОК мало, порядка 10...50 Ом, и сильно зависит от внутреннего сопротивления ис­точника сигнала. Малое выходное сопротивление очень важно при использовании каскада в качестве согласующего устройства для работы на низкоомную нагрузку.

Коэффициент усиления по току в каскаде с ОК определяет­ся следующим образом:

(2.49)

где

Следовательно, равен:

(2.50)

Анализ выражения показывает, что каскад с ОК имеет ко­эффициент усиления по току больше, чем каскады с ОЭ и ОБ.

Коэффициент усиления по напряжению каскада с ОК отно­сительно входного генератора равен

(2.51)

Коэффициент усиления по напряжению каскада сОК меньше единицы, поэтому его часто называют коэффициентом передачи напряжения.

Эмиттерный повторитель обычно применяют для согласова­ния высокоомного источника усиливаемого сигнала с низкоомным нагрузочным устройством. Температурная стабилизация в каскаде ОК обеспечивается резистором .

Каскад с ОК характеризуется: высоким входным сопротив­лением (сотни кОм), зависящим от сопротивления нагрузки; низким выходным сопротивлением (несколько Ом), зависящим от внутреннего сопротивления источника сигнала; высоким коэффи­циентом усиления по току; коэффициентом усиления по напря­жению, меньшим единицы; совпадением по фазе входного и вы­ходного напряжений.

 

Тема 1.3Многокаскадные усилители


Поделиться:



Популярное:

Последнее изменение этой страницы: 2016-03-25; Просмотров: 1491; Нарушение авторского права страницы


lektsia.com 2007 - 2024 год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! (0.087 с.)
Главная | Случайная страница | Обратная связь