книги / Основы радиоэлектроники
..pdf§ 5.9. Эмиттерный повторитель
Рассмотрим резисторный усилитель на биполярном тран
зисторе. |
Для |
транзистора с |
параметрами |
R BX= 0,2 кОм, |
|
Лвых=10кОм |
S= 50 мА/В; при |
R H= 1 кОм и |
отсутствии сле |
||
дующего |
каскада |
эквивалентное сопротивление нагрузки |
|||
R3XBравно: |
|
|
|
|
|
|
|
R экв |
^выж |
-ур = 0,9 кОм, |
|
|
|
|
Я„+ЛВых |
|
|
а максимальный коэффициент усиления по напряжению равен:
ЛТУ= 50-10-3 -0,9 • 103 = 45.
Подключение на выходе рассматриваемого усилителя следующе го каскада усиления с таким же транзистором из-за малого значения R BXприводит к резкому уменьшению R 3KB:
Л= 0,164 кОм.
R ,,.+ R .x
Максимальный коэффициент усиления при этом существенно падает:
Ky = SR'3XB = 50 0,164 = 8,2,
т. е. каскадное включение усилителей (рис. 5.4) на биполярных транзисторах нецелесообразно.
Между усилителями надо включать каскады передачи сиг нала, которые обладают большим входным сопротивлением.
Таким каскадом является эмиттерный повторитель напряже ния (при использовании биполярных транзисторов) и истоковый повторитель напряжения (при использовании полевых транзисто ров). Сопротивление нагрузки у этих устройств включено соот ветственно в цепь эмиттера или в цепь истока.
Рассматриваемые повторители, кроме большого входного со противления, имеют малое выходное сопротивление, что во мно гих случаях полезно, однако коэффициент передачи по напряже нию этих устройств несколько меньше единицы. По напряжению они не усиливают.
Принципиальная схема эмиттерного повторителя приведена на рис. 5.49, а схема замещения рис. 5.50. При построении схемы за мещения предполагается, что источник питания Е имеет нулевое внутрен нее сопротивление, а еле-
дующий за повторителем каскад имеет входное сопротивление R BXсл. Схему замещения можно представить в виде рис. 5.51.
Заменим параллельно включенные сопротивления R 3, R BiIX и R BXC„ сопро
тивлением /гэкв, =(•=— + j — + т— )
запишем: |
\ * 'Э К В -*^ВЫХ К в х с п / |
|
|
||
и ш I -^экв, (-^вх м “1” А ’м ) R. |
R. |
+ S U -XZ,)=R »‘' U;' ”( \ + S R bx), |
|
|
|
где UBXU— амплитуда управляющего напряжения на входе тран зистора, которая отличается от UBXм:
С/вх м = t/в'х м + t/вых м = t/вх „ [ 1+ ^ (1+ SRBX)J ,
отсюда видно, что U'x M<UBXM. Коэффициент усиления равен:
R, ^(1+5Л.,)
TS |
__ ^вых м _ |
< 1 . |
|
Лог |
’ |
иивхм” “ |
|
|
|
1+ ^ ( 1 |
+SR. |
Коэффициент усиления положителен, т. е. фаза напряжения на выходе совпадает с фазой на пряжения на входе, так как с ростом входного напряжения UBXм амплитуда ток /к м возрас тает и увеличивается и выхи —
|
|
A c М ^ 3 K B j • |
|
|
Входное сопротивление рав |
Рис. 5.51 |
|
но: |
и., |
|
|
R вх эг |
т а = |
[ | + £ ( ' ■ |
|
= /?вх + Лэкв(1 + 5/?вх).
Выходное сопротивление усилителя Z BbIX можно рассматри вать как внутреннее сопротивление R r реального генератора Егы,
R r, описывающего выходную цепь усилителя (см. рис. 5.3, 5.52).
£
При R H= 0 (в режиме короткого замыкания) имеем /?г = — .
)М
Величина Егм равна напряжению холостого хода UXXM на зажимах генератора, когда входное сопротивление следующего каскада стремится к бесконечности.
Найдем /„ ,м при R 3XB =0 |
п |
|||
/ К зм = / Вх „ + |
/ г м = ^ ( Ц |
- 5 Л вх) . |
|
|
Напряжение Uxxu равно |
|
I сл. |
||
|
|
|||
|
U x х м |
^ в ы х м / Л эхв = |
|
|
=(Л. |
00)= ^..,t/.',M(1+5/?B>)j |
РИС. 5.52 |
||
|
|
|
|
|
Отсюда: |
|
|
|
|
|
|
•^ В Ы Х ЭП |
^ Э К В 1 ( - ^ в х с л |
* |
Для эмиттерного повторителя на рассматриваемом биполяр ном транзисторе при Лвхсл= 0,2 кОм и Лэ = 0,2 кОм имеем ЛЭкв,=0,1 кОм,
0,5(1 + 10) ^
1+ 11-0,5 6,5
ЛВхэп= 0Д + 0Л 11 = 1,ЗкОм (возросло более чем в 6 раз по сравнению с усилителем), /?Выхэп = 0,2 кОм (уменьшилось примерно в 50 раз по сравнению с усилителем).
Рассмотренные повторители позволяют согласовать по на пряжению высокоомный генератор с большим внутренним со противлением с низкоомной нагрузкой, т. е. обеспечить передачу напряжения от генератора к нагрузке. В рассмотренном случае подключение сопротивления R = 0,2 кОм на выходе транзистор ного усилителя давало Ку = %,2, а через эмиттерный повторитель (рис. 5.53)
K = K y K3n = SR3XB2 К3
R 3Xв2 — эквивалентное сопротивление нагрузки усилителя с уче том входного сопротивления эмиттерного повторителя:
R экв2
Отсюда К= 50 • •0,53 0,85 = 22,6, т. е. передача на пряжения увели чилась в 2,8 раза.
Повторители применяются так же в схемах, где требуется согла сование по мощ ности.
^ Э И |
^ В Х ЭП = 0,53 кОм. |
^ ЭКВ |
^ ВХ ЭП |
1.Укажите назначение и типы усилителей, их основные характеристики.
2.Что такое усилители напряжения?
3.Нарисуйте схему и укажите назначение элементов резисторного усилителя звуковой частоты на биполярном транзисторе. Нарисуйте АЧХ этого усилителя.
4.Нарисуйте схему и объясните назначение элементов резисторного усили теля звуковой частоты на полевом транзисторе. Нарисуйте АЧХ этого усилителя.
5.Что такое полосовые усилители?
6.Что такое согласование генератора с нагрузкой?
7.Что такое однотактные, двухтактные и бестрансформаторные усилители мощности?
8.Что такое усилители постоянного тока? Каковы их достоинства и недо статки?
9.Что такое дифференциальные и операционные усилители? Опишите их применение в современной микроэлектронике.
10.Что такое отрицательная обратная связь в усилителе?
11.Опишите положительную обратную связь в усилителях.
12.Какие режимы работы транзисторных усилителей вы знаете?
13.Что такое амплитудная характеристика транзисторного усилителя?
14.Рассчитайте коэффициент усиления резисторного усилителя на средних
ивысоких частотах. Объясните уменьшение коэффициента усиления на низких частотах.
15.Как выбрать сопротивление нагрузки в резисторном усилителе?
Г Л А В А 6
ГЕНЕРАТОРЫ
§ 6.1. Классификация и структурная схема генераторов
Для создания всех радиотехнических устройств, содержащих радиопередающие устройства, необходимо использование гене раторов. Кроме того, генераторы входят во многие радиовеща тельные приемники и используются во всех телевизорах. Генера торы делятся на автогенераторы, синхронизированные генерато ры и генераторы с внешним возбуждением. Автогенератором называется радиотехническое устройство, на выходе которого появляется периодический сигнал при подаче на него постоян ного напряжения от источника питания.
Синхронизированным генератором называется автогенера тор, на который действует малый внешний периодический сиг нал. Благодаря явлению синхронизации частота колебаний авто генератора оказывается равной частоте внешнего сигнала. Син хронизация играет важную роль в телевизионных приемниках.
Генераторами с внешним возбуждением называют усилители мощности в передатчиках. В отличие от усилителей мощности, рассмотренных в главе 5, которые не содержали фильтрующих цепей — колебательных контуров на выходе усилителей, генера тор с внешним возбуждением имеет на выходе либо один коле бательный контур, либо связанные контуры для фильтрации колебаний и выделения нужных спектральных составляющих ко лебаний. Активный нелинейный элемент— транзистор или элек
тровакуумная лампа — работает в |
таком усилителе |
в режиме |
с отсечкой тока—-режиме класса |
АВ или В— для |
получения |
малой величины постоянной составляющей тока через активный элемент, малой мощности питания и высокого КПД.
По форме генерируемых колебаний генераторы делятся на два класса: генераторы гармонических колебаний и генераторы негармонических колебаний.
Гармонические колебания нужны в первую очередь как несу щие колебания при передаче информации, негармонические коле бания используются, например, для создания импульсов с целью обработки информации в ЭВМ или развертки изображения в те левизионных системах.
Генераторы гармонических колебаний часто содержат колеба тельные LC контура, резонансная частота которых определяется
формулой Томсона со0 = 1Д/Z c . Эти генераторы называются ге нераторами томсоновского типа. Частота колебаний такого гене ратора близка к резонансной частоте контура.
Однако иногда генераторы гармонических колебаний, как и все генераторы негармонических колебаний, не содержат коле бательных контуров. В этом случае период колебаний генератора негармонических колебаний определяется временем установле ния (временем релаксации) равновесия в линейных цепях генера тора. Поэтому иногда эти генераторы называются релаксацион ными генераторами.
Структурная схема автогенератора изображена на рис. 6.1. Она содержит источник питания — источник постоянного напря жения, активный нелинейный элемент — как правило, транзистор или электровакуумную лампу, линейную цепь, в частности, кон тур LC в генераторах томсоновского типа, RC цепь во многих релаксационных генераторах и сопротивление нагрузки.
Линейная цепь, в основном, определяет частоту колебаний автогенератора. Незначительное влияние на частоту колебаний оказывают емкости активного элемента.
Активный элемент регулирует поступление энергии от ис точника питания к линейной цепи и определяет амплитуду колебаний.
Если бы линейная цепь не имела потерь, как, например, идеальный LC контур, то колебания в такой системе могли бы существовать бесконечно, они бы не затухали. Но во всех реаль ных системах такие потери есть. К линейной цепи можно отнести и сопротивление нагрузки /?„, на котором выделяется интересу ющая нас мощность колебаний. В случае гармонических колеба-
и 2
ний она равна Р„=—^ (t/M— амплитуда колебаний). Для сущест-
2Rн
вования незатухающих колебаний— колебаний с постоянной ам плитудой UM— необходимо скомпенсировать потери энергии колебаний в системе, характеризуемые в первую очередь Ря.
Эта компенсация потерь энергии осуществляется с помощью активно го нелинейного элемента, который вводит в систему дополнительную энергию, характеризуемую Ра э. За
висимость Д э(^м ) Для всех актив ных элементов нелинейна и описы
вается одной |
из двух кривых |
Раэ1 или Ра э2, |
изображенных на |
рис. 6.2. На этом же рисунке изоб
ражена |
линейная |
зависимость |
Ри=-иЗ |
относительно |
квадрата ам |
2Л„ |
|
|
плитуды напряжения (/„ по оси абсцисс. Для простоты пред полагается, что других потерь в системе нет. В точках пересече ния зависимостей Ра, и Р, имеет место баланс энергии— равен ство поступающей в систему энергии, характеризуемой Раэ, и те ряемой в нагрузке Рн:
Л э = Р н-
Эти точки характеризуют состояния равновесия системы. Воз можны два состояния равновесия — устойчивое и неустойчивое.
При включении автогенератора гармонические колебания в нем отсутствуют и Um = 0. Однако в автогенераторе существуют флуктуации токов и напряжений, связанных с хаотичным движе нием электронов и дырок. Под действием флуктуаций появляют ся малые колебания в системе, которые могут либо нарастать,
либо затухать. |
Для зависимости |
Раэ1 (рис. 6.2.) при малых |
Um вводимая |
в систему энергия |
превышает рассеиваемую |
(Раз! >РИ), и амплитуда колебаний в автогенераторе будет нара стать, пока не достигнет значения Uml. Дальнейший рост Um приведет к тому, что мощность потерь превысит мощность Раз!, и колебания в системе будут затухать до значения Uml, если же они уменьшатся до значения, меньшего Uml, то окажется, что Раэ1 > Р н, и амплитуда колебаний в системе снова будет расти до значения Uml. Поэтому точка I является точкой устойчивого равновесия, а начало координат Um= 0— неустойчивого.
Режим самовозбуждения автогенератора, характеризуемый монотонно нарастающей зависимостью Р аэ1, называется мягким режимом. Колебания в этом режиме с течением времени растут от нуля из-за наличия флуктуаций в системе и достигают стацио нарного значения Uml.
Если же зависимость Р аэ2 является немонотонно нарастаю щей функцией (рис. 6.2.), то могут быть две точки 2 и 3 пересече ния зависимостей Р аэ2 и Р н, а также начала координат. Пока амплитуда колебаний в системе меньше Um3, эти колебания
будут затухать. Таким образом, стационарные колебания в дан ной системе возникнуть под действием флуктуаций не могут— начало координат является точкой устойчивого равновесия. Для возникновения стационарных колебаний в такой системе нужен электрический толчок, надо подать внешний импульс, который создаст колебания с амплитудой Um> U m3. Амплитуда таких колебаний будет нарастать и достигнет значения Um2. Легко проверить, что точка 2 является точкой устойчивого равновесия, а точка 3— неустойчивого. Такой режим возбуждения, характери зуемый немонотонно нарастающей зависимостью Р аэ2, называет ся жестким режимом. Он характеризуется большим КПД, чем в случае мягкого режима, но для запуска генератора нужен внешний импульс.
В диапазоне сверхвысоких частот в качестве активного элеме нта используются полупроводниковые диоды с отрицательным дифференциальным сопротивлением на рабочей частоте (см. § 2.2.): туннельные диоды, диоды Ганна и лавино-пролетные диоды. Процессы в таких генераторах рассмотрены в § 6.5.
Наибольшее распространение в настоящее время получили автогенераторы на активных трехполюсниках: транзисторах и электровакуумных приборах. Эти автогенераторы можно рас сматривать как усилители с положительной обратной связью.
§6.2. Условие баланса амплитуд и фаз в автогенераторе
В§ 5.8 было показано, что если в усилителе с последователь ной обратной связью (рис. 5.43) выполняется условие
|
|
£ М . |
(6.1) |
то Кос = и., |
к |
-оо и усилитель превращается в автогенера- |
|
|
1 - М |
|
|
тор, т. е. в устройство, на выходе которого имеется переменное напряжение со стационарной (не зависящей от времени амплиту
дой) и выхи |
конечной |
величины на определенной частоте при |
||
|
|
отсутствии напряжения £/вхм той же |
||
|
|
частоты на входе устройства. В этом |
||
|
|
случае автогенератор можно предста |
||
Усилитель |
вить в виде замкнутого кольца, состоя |
|||
|
|
щего из усилителя и цепи обратной |
||
|
|
связи (рис. 6.3). |
= 1 позволяет опреде |
|
|
|
Равенство |
||
Цепь |
О.С. |
лить |
условия, |
которые необходимы |
для |
существования генерации. Ком |
|||
плексные величины К и 0 можно запи-
Рис. 6.3 |
са т ь в виДе; |
(6.2)
0 = | 0 | е*>= $е”'.
В (6.2) фр— это изменение фазы сигнала при прохождении цепи
обратной связи, |
иначе |
говоря — набег фазы в |
цепи |
обратной |
связи, фк — набег |
фазы |
в усилителе. С учетом |
(6.2) |
выражение |
(6.1) можно переписать в виде: |
|
|
||
Последнее равенство выполняется тогда и только тогда, когда:
1) |
*Р=1; |
(6.3) |
2) |
Фк + фр = 2кп, |
(6.4) |
где w = 0, 1, 2, 3, 4...
Соотношение (6.3) называют условием баланса амплитуд, (6.4) — условием баланса фаз, т. е., используя такую терминологию, можно сказать — чтобы усилитель превратился в генератор, не обходимо выполнение двух условий:
1)условия баланса амплитуд и
2)условия баланса фаз.
Исследуем подробнее условие баланса амплитуд. Соотноше ние (6.1) можно записать в виде:
Суть работы автогенератора состоит в следующем: сигнал U y n p м. пройдя через усилитель, увеличивается до величины й выхм; часть его, пройдя через цепь обратной связи, ослабляется до £/OCi это напряжение поступает на вход усилителя; при устой чивой работе автогенератора возвратившийся на вход автогене ратора сигнал (£/осм) равен исходному ( Uynpм), так как общие потери в замкнутом кольце рис. 6.3. компенсируются в активной части (в усилителе) за счет имеющихся источников энергии.
Если А^0>1, то при этом Uocм> Uynpм, и возвратившийся на вход усилителя сигнал (U0CM) больше исходного (Uynрм), т. е. за 1 цикл сигнал, проходя все кольцо автогенератора, увеличивает свою амплитуду; увеличивая таким образом свою амплитуду за каждый цикл, сигнал, казалось бы, должен достигнуть бесконеч но большой амплитуды и мощности, но это находится в проти воречии с законом сохранения энергии, так как энергия и мощ ность источника питания автогенератора конечна, т. е. в автоге нераторе должен быть механизм, ограничивающий нарастание амплитуды сигнала. Ограничение амплитуды происходит благо даря нелинейным свойствам активного элемента— зависимости амплитуды выходного напряжения ыВЬ1Х от входного мвх, что
определяет зависимость коэффициента усиления усилителя, вхо дящего в автогенератор, от управляющего напряжения. Сущест вуют два вида зависимости K (U ynpM), которые изображены на рис. 6.4. (а, б). Если рабочая точка выбрана на линейном участке управляющей характеристики транзистора (для полевого тран зистора /с(м3„), для биполярного /к(мбэ)), то с ростом сигнала зависимость K(Uynpu) соответствует рис. 6.4а. Этот режим ха рактеризуется большой постоянной составляющей тока / 0, про текающего через транзистор, большой мощностью питания Р0 = Е„10 и малым КПД г\ = Рн/Е„-/ 0. При больших амплитудах
упр м коэффициент усиления | К | = *Ь|1 миногда называется сред-
U упр м
ним коэффициентом усиления.
При выборе рабочей точки вблизи нуля зависимость K(UynpM) соответствует рис. 6.46. Этот режим характеризуется малым значением постоянной составляющей тока, протекающего через транзистор, меньшей мощностью питания и большим КПД г|«50% . Если зависимость K(UynpM) имеет вид, приведенный на рис. 5.4а, то генератор работает в мягком режиме, если -К(£/уПрм) имеет вид, приведенный на рис. 6.46, то генератор работает в жестком режиме. Рассмотрим установление колебаний в гене раторах при различных видах зависимостей K(Uy„pM). Сначала изучим установление колебаний при зависимости K(UynpM), изоб раженной на рис. 6.4а. Пусть модуль коэффициента обратной
связи будет такой, что ^ и K(Uynpu) имеют вид, как показано на
рис. 6.5. При малых значениях UynpM(когда генератор только на
чинает работать), должно выполняться соотношение E ( U ltA)>-
(см. рис. 6.5. UynpM — UiM), следовательно, K (U lM) ■р> 1, т. е. Uупр „ < Uocм, в этом случае, происходит нарастание амплитуды колебаний с каждым циклом; так будет до тех пор, пока не станет и упр» = и „ ы, тогда К(С/стм)-р=1, т. е. С/упрм= С/осм. Условие К \ О упр = 0 ) • Р= ЛГ0 ‘ Р> 1 является условием самовозбуждения ко лебаний.