|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
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:
т.е. сумма падения напряжения на нагрузке и напряжения коллектор – эмиттер 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: Точки пересечения нагрузочной прямой с коллекторными характеристиками дают графическое решение уравнения (2.26) для данных сопротивления нагрузки 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 5В при номинальном напряжении на коллекторе. Поэтому нагрузочная входная характеристика в этом случае сливается со статической, снятой при Для определения переменных составляющих тока и напряжения в коллекторной цепи используют нагрузочную характеристику каскада по переменному току. Для переменного тока
Анализ выражения (2.27) показывает, что сопротивление нагрузки усилительного каскада по постоянному току При наличии входного сигнала напряжение и ток во входной и выходной цепях представляют собой суммы постоянных и переменных составляющих. При увеличении
Линия нагрузки по переменному току, угол наклона которой равен Если во входную (базовую) цепь каскада подается входное напряжение амплитудой 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.
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 Параметры усилителя (коэффициенты усиления по току
Расчет параметров каскада производится для области средних частот усиления, где зависимость параметров от частоты минимальна и не учитывается в расчетах. Сопротивления конденсаторов Резистор Цепь базы транзистора представлена на эквивалентной схеме объемным сопротивлением активной области базы Входное сопротивление каскада представляет собой сопротивление параллельного соединения резисторов
Сопротивление входной цепи транзистора определяется как
Тогда входное сопротивление усилительного каскада определяется выражением
Значение Если резистор
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 Выходное сопротивлениеусилительного каскада определяется со стороны выходных зажимов при отключенной нагрузке и нулевом входном сигнале Обычно Коэффициент усиления по напряжению каскада определяется как отношение выходного напряжения
тогда
Анализ выражения (2.32) показывает, что коэффициент усиления каскада по напряжению тем больше, чем больше выходное сопротивление каскада по сравнению с В идеальном усилителе напряжения (
Коэффициент усиления по току определяется отношением тока в нагрузке
Подставив полученные соотношения в выражение для коэффициента усиления по току, получим:
В идеальном усилителе тока (
При работе каскада в схеме с ОЭ в диапазоне низких частот необходимо учитывать емкости разделительных конденсаторов
где Отношение коэффициента усиления на низких частотах к коэффициенту усиления на средних частотах равно
где Коэффициент частотных искажений определяется выражением
Для уменьшения частотных искажений при прочих равных условиях необходимо увеличивать Коэффициент частотных искажений, вносимый разделительным конденсатором
где Рассмотрим влияние емкости
Коэффициент частотных искажений, вносимый
Коэффициент частотных искажений в диапазоне низких частот, вносимый емкостями усилительного каскада, равен
Для уменьшения При работе каскада с ОЭ в диапазоне высоких частот на частотные искажения сильное влияние оказывают емкость коллекторного перехода
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
При подаче на вход рассматриваемого каскада положительной полуволны входного сигнала ток и эмиттера, и коллектора будет уменьшаться. Это приводит к уменьшению падения напряжения на 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 Входное сопротивление каскада определяется как параллельное соединение
Согласно выражению (2.41), входное сопротивление каскада определяется преимущественно сопротивлением эмиттерной области транзистора Выходное сопротивление каскада с ОБ определяется, как и у каскада с ОЭ, сопротивлением резистора
и составляет единицы-десятки кОм. Если Коэффициент усиления по току рассчитывается, как в каскаде с ОЭ. По переменной составляющей ток коллектора связан с током эмиттера следующей зависимостью:
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
Коэффициент усиления по напряжению каскада сОБ существенно зависит от сопротивления нагрузки и внутреннего сопротивления источника сигнала. При Коэффициент частотных искажений для области НЧ в каскаде ОБ определяется влиянием разделительных конденсаторов
Наибольшие частотные искажения вносятся входной цепью, ибо 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
Если выходное напряжение В режиме покоя, т.е. при В каскаде с ОК напряжение входного переменного сигнала подается между базой и коллектором (общей точкой) через разделительный конденсатор Входное сопротивление каскада ОК определяется параллельным соединением резисторов
Входное сопротивление цепи транзистора равно
Анализ выражений (2.46) и (2.47) показывает, что сопротивление входной цепи транзистора Выходное сопротивление каскада с ОК представляет собой сопротивление схемы со стороны эмиттера и определяется как
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:
где
Следовательно,
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
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 Популярное:
|
Последнее изменение этой страницы: 2016-03-25; Просмотров: 1559; Нарушение авторского права страницы
(2.26)
транзистора всегда равна постоянной величине – ЭДС источника питания. Напряжение в коллекторной цепи определяется как 
) и короткого замыкания (точка А: 
). Наклон линии нагрузки определяется сопротивлением резистора 
, поэтому характеристику, можно провести под углом 
, 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).
( 
) и
( 
) (рис. 1.23, а).
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)
больше, чем по переменному току 
.
мгновенное напряжение на коллекторе уменьшится и его приращение будет равно
(2.28)
, проходит через точку покоя (точка О).
, 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).
.
. 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.
, 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).
очень малы иими можно пренебречь.
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.
, составляющим десятки Ом. Эмиттерный переход представлен дифференциальным сопротивлением 
, лежащим в пределах единиц-десятков Ом. Закрытый коллекторный переход представлен дифференциальным сопротивлением 
, составляющим сотни кОм.
и сопротивления входной цепи транзистора 
( 
, 
): 
(2.29)
. Учитывая, что через сопротивление 
протекает ток 
, а через сопротивление 
— ток 
, получим: 
2.30)
для каскада с ОЭ составляет сотни Ом или единицы кОм.
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)
, улучшающего температурную стабильность усилителя, значительно снижает его входное сопротивление.
. Из эквивалентной схемы (рис. 1.25) видно, что выходное сопротивление каскада определяется параллельным включением сопротивления 
и выходные сопротивлением самого транзистора, близким по величине к 
и считается, что выходное сопротивление определяется сопротивлением резистора 
и составляет единицы кОм.
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
(2.32)
и чем больше статический коэффициент 
), который работает в режиме холостого хода ( 
), коэффициент усиления будет максимальным и равным: 
(2.33)
ко входному току 
Ток в базе и ток в нагрузке определяются следующими выражениями: 
(2.34)
(2.35)
), который работает в режиме короткого замыкания ( 
), имеем 
.
, 
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)
— сопротивление емкости, 
(2.37)
— постоянная времени входной цепи усилительного каскада.
(2.38)
, определяется следующим выражением: 
(2.39)
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: 
, максимальный и определяется выражением
(2.40)
дБ.
в усилительном каскаде в схеме с ОЭ требуется увеличивать 
и 
в большей степени.
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
, 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.
и увеличению напряжения 
, что вызывает формирование положительной полуволны выходного напряжения 
. Полярности входного и выходного напряжений совпадают, схема не инвертирует входной сигнал.
, 
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.
и входного сопротивления транзистора: 
. (2.41)
и составляет 10...50 Ом. Малое входное сопротивление каскада является существенным недостатком. Каскад сОБ создает большую нагрузку для источника входного сигнала.
. При небольшом его значении ( 
)
.(2.42)
соизмеримо с 
, то 
.
Входной сигнал поступает в цепь эмиттера транзистора, поэтому усиление по току меньше единицы и определяется выражением
(2.43)
(2.44)
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.
, 
и рассчитывается по тем же формулам, что и для схемы с ОЭ. Общий коэффициент равен
дБ.
где 
— выходное сопротивление предыдущего каскада.
(2.45)
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.
, 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.
. 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.
и сопротивлением входной цепи транзистора 
: 
(2.46)
(2.47)
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.
(2.48)
(2.49)
равен: 
(2.50)
(2.51)
.