книги / Основы радиоэлектроники

-lh

Рг Н

1>аюистч)Р_ Усилитель

Рис. 5.14

изобразить эквивалентную схему резисторного усилителя в виде, приведенном на рис. 5.14. В случае биполярного транзистора Mi =мбэ> Л„хэ равно RBXтранзистора. В схеме с общим эмиттером обычно эта величина порядка 100 Ом. В случае полевого транзис­ тора (рис. 13) и1= и3и, к вхэ— сопротивление параллельно вклю-

тора /?вх« 1 мом, Свых^0. Обычно к выходу усилителя подключа­

Рассмотрим эквивалентную схему усилителя для трех диапа­ зонов частот внутри полосы пропускания усилителя: средних, нижних и верхних частот. В диапазоне средних частот модули сопротивлений разделительных емкостей Ср и Ср2 много меньше модулей входных сопротивлений ZBXх, ZBX2, ZBX1 = 1 / YBXi;

YBXI= -^—hyo)CBXl; ZBx2 = l / r BX2. Поэтому сопротивлениями ем-

Л»хэ

костей Ср1 и Ср2 можно пренебречь и исключить их из схемы.

В этом же диапазоне модуль проводимости суммарной ем­ кости С3 = Свых + См + Свх2 много меньше активной проводимо­

сти <?=——Ь—-I——; (COC3<<J ). Поэтому этими емкостями

также можно пренебречь и исключить их из схемы. В результате получаем эквивалентную схему усилителя для диапазона средних частот, приведенную на рис. 5.15. Переменный ток протекает по выходной цепи против часовой стрелки. Поэтому

начает, что выходное напряже­ ние находится в противофазе (отличается по фазе на п) от­ носительно входного напряже­ ния йвх = й1.

Для резисторного усилите­ ля на полевом транзисторе с каналом я-типа, изобра­ женного на рис. 5.12, этот факт

выходное напряжение отрицательно, т. е. противофазно вход­ ному.

Аналогичные результаты получаются и для резисторного уси­ лителя на полевом транзисторе с каналом /7-типа (рис. 5.17, 5.18),

частотах. В этом случае так­ же можно пренебречь сопро­ тивлениями разделительных емкостей Ср1 и Ср2, однако существенную роль начина­ ет играть проводимость сум­ марной параллельной емкости

ля в этом случае приведена на

а модуль | к я| имеет вид:

I АГ„| = -

(Л,п + (о2С|, /(1 +G;

С уменьшением частоты | ЛТИ| падает (рис. 5.10). Если наибольшее влияние на | К„ | оказывает входная цепь усилителя, то модуль

коэффициента усиления уменьшается в -J l раз на частоте

©= - •» Т. е ./гр1

1

Л.ХЗС|pl 2яЛ,хэСР1

Таким образом, для уменьшения/ гр1 надо увеличить RBX3или Ср1. Аналогичные результаты получаются в случае, если поведение | Ки| определяет выходная цепь усилителя. В этом случае для уменьшения / надо увеличить Лвх2 или Ср2.

Остановимся на двух явлениях в резисторных усилителях, связанных с нелинейностью характеристик транзисторов: 1) появ­ ление нелинейных искажений и уменьшение коэффициента усиле­ ния с чрезмерным ростом сопротивления нагрузки и 2) уменьше­ ние коэффициента усиления с ростом амплитуды входного сиг­ нала.

Из формулы (5.2) вытекает, что с ростом Лн, когда уменьша­

ента усиления | л и | = SR3tB растет. Однако чрезмерное увеличение R„ приводит к искажению формы усиливаемого сигнала. Пояс­ ним это на примере резисторного усилителя на полевом транзис­ торе. Чтобы усиление сигнала происходило без искажений, на­ пряжение на затворе мзи0 выбирается таким образом, чтобы при подаче на вход транзистора сигнала ивх (/) = UBXcos ш, когда напряжение на затворе меняется в пределах от изи0— и вхм = изи1

Рис. 5.22

ния м3и о производится с помощью управляющей характеристи­

_ мзи 1 ” ^зи 2 ^ВХМ 2

Для усиления сигналов без искажения их формы необходимо выбрать постоянное напряжение иси0 такой величины, чтобы при изменении напряжения на входе транзистора напряжение иси со­ ответствовало почти горизонтальным участкам выходных харак­ теристик /с(иси) ПРИ разных мзи. На рис. 5.22 приведены выходные характеристики полевого транзистора /с(иСи)- Кроме того, на

этом рис. изображена нагрузочная прямая i= Е “си, полученная я„

из уравнения (5.1).

Нагрузочная прямая должна быть расположена под гипербо­ лой, максимально допустимой мощности рассеяния, график ко­ торой находится из условия:

-^расс шах

где Местах— максимально допустимая мощность рассеяния транзистора, значения которой для каждого типа транзистора указываются в справочнике.

При иси = 0 эта прямая пересекает ось /с в точке /с = —, а при

/=0 она пересекает ось иси в точке Е. Чтобы избежать искажений усиливаемого сигнала, напряжение на стоке должно меняться

дуль коэффициента усиления | АГ„ |.

Рассмотрим теперь зависимость амплитуды выходного сиг­ нала t/выхм от амплитуды входного UBXM(амплитудную характе­ ристику усилителя (рис. 5.6)). Ограничение роста 1/выхм с ростом UBXм можно объяснить следующим образом. Согласно рис. 5.23 ток стока /с достигает нуля при большом по модулю напряжении отсечки и3и = изи0, а при мзи = 0 и положительных значениях изи, когда канал транзистора полностью открыт, ток стока /с ра­ вен /стахСледует также учесть, что с ростом тока стока /с (в слу­ чае биполярных транзисторов — тока коллектора /к) увеличива­ ется падение напряжения на сопротивлении нагрузки uRn = icRH и уменьшается напряжение иси = Е —иКн, что приводит к дополни­ тельному ограничению /с. Поло-

жив u3„(t) = uBX(t)= t/BX-sinco/, с помощью зависимости /с(мзи) получаем, что при увеличении ивх изменения 4 (t) ограничены

0 ^ 4 (0 ^ '(го»» и соответствен­ но ограничена амплитуда пер­

вой гармоники /см, тока /с, поскольку /с при гармониче­ ском входном воздействии мо­

ограничена (см. рис. 5.24), а мо­ дуль коэффициента усиления

= /CMi/f/BXMносит название сред­ ней крутизны. Она также падает с ростом UmMь т. к. 5ср пропор­ циональна \К\. При малых UmM, когда /м1=А/с/2, а С/вхм = А«вх/2. Средняя крутизна Scp равна диф­ ференциальной крутизне

_ А/с

Ам.х

Средняя крутизна, как и дифференциальная крутизна, вводится и для полевых и для биполярных транзисторов.

§5.5. Усилители постоянного тока, дифференциальные

иоперационные усилители

Недостатком резисторного усилителя является наличие раз­ делительных емкостей, ограничивающих полосу усиления снизу (Утр 1> О). От этого недостатка свободен усилитель постоянного тока (УПТ) (рис. 5.26), не содержащий конденсаторов. Однако в схеме замещения усилителя присутствуют емкости транзистора и монтажная емкость. Отсутствие разделительных конденсато­ ров позволяет получить практически безынерционный усилитель с широкой полосой усиления от нуля до / тах (рис. 5.9). При изменении входного напряжения на величину Аиъх напряжение на сопротивлении нагрузки изменяется на величину AuRn = AiH Лн, а на выходе Аивых= — AURh. Недостатком УПТ является появле­ ние паразитного сигнала на выходе из-за дрейфа нуля— измене­ ния постоянной составляющей тока /к при изменении температу­

ры или старении элементов. Для устранения этого недо­ статка УПТ используется диф­ ференциальный усилитель по­ стоянного тока, содержащий два параллельно включенных УПТ. Простейшая схема это­ го усилителя приведена на рис. 5.27. При подаче на вход 1 изменения напряжения Аивх х изменяется ток коллектора /к на величину AiK= SAuBXi и по-

вход П изменения напряжения Аивх< 2 изменяется потенциал точки 2 на ве­ личину Аср2= —SR lAu2- Изменение напряжения Амвых между точками 1 и 2 определяется изменением раз­ ности потенциалов— усиленные сиг­ налы вычитаются: Aw^= Acpx —Дср2 =

и резисторы имеют очень близкие параметры, так как сделаны во время выполнения одного и того же технического процесса при изготовлении интегральных схем (см. главу 4), при одинаковом изменении токов через транзисторы при изменении температуры потенциалы точки 1 и 2 изменяются одинаковым образом и вы­ читаются. Поэтому выходной сигнал практически не зависит от изменения температуры.

Вход II (клеммы II, ±) называется неинвертирующим, так как увеличение сигнала Аивх2 приводит к увеличению Дивых в той же фазе (с тем же знаком).

Вход I (клемма I, _1) называется инвертирующим, так как увеличение сигнала Дивх1 приводит к уменьшению напряжения Аивых, т. е. сигнал на выходе противоположен полярности сиг­ нала на входе I.

Коэффициенты усиления по обоим входам одинаковы по мо­ дулю и противоположны по знаку.

Дифференциальный усилитель работает хорошо, если тран­ зисторы левого и правого плеч имеют близкие параметры, но даже при точном подборе транзисторов и резисторов дифферен­ циальный усилитель на дискретных элементах имеет температур­ ные параметры, значительно худшие, чем дифференциальный усилитель в интегральном исполнении. У последнего транзисто­ ры и резисторы близки по своим температурным параметрам, т. к. изготовлены в результате одних и тех же технологических процессов, кроме того, они находятся настолько близко друг к другу, что при изменении окружающей температуры и разо­ греве схемы от протекающих токов их температура почти оди­ накова. На рис. 5.27а приведена схема дифференциального усили­ теля в интегральном исполнении К118УД1. Транзисторы УТг и УТ2 образуют два плеча дифференциального усилителя. Тран­ зистор УТ3 вместе с /?э выполняет роль эмиттерного сопротивле­ ния, обеспечивающего хорошую симметрию схемы. Для темпера­ турной компенсации смещения входной характеристики в его

базовой цепи включен эмиттерный диод VD. Ре­ зисторы R6U R62, Лез обес­ печивают задание рабочей точки диода VD.

Дифференциальные усилители входят в состав многокаскадных операци­ онных усилителей (ОУ) и обязательно включены на входе ОУ ОУ облада­ ют большим коэффициен­ том усиления (до несколь­ ких миллионов), широкой полосой пропускания (до 100 МГц), высоким вход­ ным сопротивлением (до нескольких МОм), низким

выходным сопротивлением (сотни Ом и ниже) и малым дрейфом нуля. ОУ обозначаются в виде треугольника или прямоуголь­ ника. Инвертирующий вход обозначается кружком или знаком «— ». Неинвертирующий вход никак не обозначается или обозна­ чается знаком «+ » (рис. 5.28).

Рис. 5.28

Операционные усилители получили свое название потому, что раньше они использовались в аналоговых вычислительных ма­ шинах для выполнения операций суммирования, умножения, ин­ тегрирования, дифференцирования и т. д.

В настоящее время ОУ используется также для построения усилителей с заданными свойствами, генераторов, стабилизато­ ров напряжений и токов и т. д.

§5.6. Усилители радиочастоты и промежуточной частоты

Кусилителям радиочастоты принято относить усилитель на­ пряжения, у которого в качестве нагрузки используется одиноч­ ный резонансный контур и возможна перестройка по частоте.

Кусилителям промежуточной частоты— усилители, у кото­ рых нагрузкой является система связанных контуров и которые имеют фиксированную настройку.