книги / Электронные усилители

Ток определяется следующим образом: / K=S„U„ С увеличени­ ем частоты сигнала сопротивление емкости С к уменьшается а напряжение U„ падает. В результате этого ток /„ уменьшается. Следовательно, коэффициент усиления транзистора по току с по­ вышением частоты уменьшается.

ки, то эквивалентная схема входной цепи принимает вид, показан­

сопротивление транзистора уменьшается из-за уменьшения сопро­ тивления емкости С 9КВ. Входное сопротивление у маломощных транзисторов на низких частотах при включении по схеме с общи»

С внх == С к .

Точки Б'Э на схеме (рис. 3.13) можно считать короткозамкну­ тыми. При этом, поскольку сопротивление г бк’ значительно боль­

ше сопротивления г К9, можно считать R BU%= г к9. Таким образом получим схему, приведенную на рис. 3.15, б. На этой схеме видно, что выходное сопротивление транзистора с повышением частоты

его можно не учитывать. СвХ.д — входная динамическая емкость,

коэффициент усиления каскада по напряжению.

Выходное сопротивление R Bi\ на рис. 3.16 определяется внут­

расчета основных показателей усилительных каскадов необходимо знать параметры усилительных элементов.

Физические параметры транзистора позволяют наглядно пред­ ставить физические свойства и процессы в транзисторе. Но их нель­ зя измерить непосредственно или определить по характеристикам. Поэтому в качестве измеряемых параметров транзистора выбраны те, которые характеризуют транзистор как четырехполюсник.

Для расчета усилительного каскада необходимо иметь два ос­ новных семейства статических характеристик транзистора: выход­ ных и входных. Эти характеристики нелинейны. Однако, если ам­ плитуды усиливаемых сигналов'небольшие, то можно считать, что работа усилительного каскада происходит на линейном участке характеристики. В этом случае четырехполюсник, замещающий транзистор, можно считать линейным. Это значит, что для малых сигналов параметры, характеризующие транзистор как четырех­ полюсник, связаны линейной зависимостью не только между со­ бой, но н с физическими параметрами. Такие параметры называют малосигнальными.

Наиболее удобной является система Л-параметров. Схема заме­ щения транзистора системой Л-параметров приведена на рис. 3.12, в. В системе Л-параметров зависимость между токами и на­ пряжением описывается уравнениями:

ДUl= ЛиД ^+Л ^ AU.,;

Физический смысл ft-параметров следующий:

Л21 = р - при [/ = 0 — коэффициент усиления тока при

ных зажимах.

Отсюда видно, что /t-параметры можно определить эксперимен­ тально: входное сопротивление и коэффициент усиления тока — при коротком замыкании выходных зажимов; а коэффициент об­ ратной связи и выходную проводимость — при разомкнутых вход­

ных зажимах.

Удобство использования /t-параметров состоит в том, что такие режимы легко создать при измерениях. В реальных схемах усили­ телей сопротивление нагрузки практически значительно меньше выходного сопротивления транзистора. Поэтому действительный режим выходной цепи близок к короткому замыканию.

Ко входной цепи транзистора подключается источник сигнала» внутреннее сопротивление которого значительно больше входного сопротивления транзистора, т. е. входная цепь реально нагружена очень большим сопротивлением, что близко к разрыву цепи.

Таким образом, значения /t-параметров, измеренные при разом­ кнутом входе и коротком замыкании выхода транзистора, близка к реальным.

Для разных схем включения /t-параметры имеют разные зна­ чения. Поэтому в обозначениях /t-параметров к индексам добавля­

Усилительный каскад состоит из усилительного элемента, вход­ ной цепи, выходной цепи и источника питания. В многокаскадных усилителях отдельные каскады связаны между собой цепями свя­ зи, соединяющими выход предыдущего каскада со входом после­

Но усилительный элемент имеет три электрода: эмиттирующий,. управляющий и управляемый. Поэтому один из электродов дол­ жен быть общим для входной и выходной цепей.

В зависимости от того, какой из электродов является общим, различают три схемы включения усилительного элемента по пере­ менному току:

собщим эмиттирующим электродом (рис. 3.18, а) ;

собщим управляющим электродом (рис. 3.18, б) ;

собщим управляемым электродом (рис. 3.18, в)

У биполярного транзистора эмиттирующим электродом являет­ ся эмиттер, у полевого транзистора — исток, у электронной лам­ пы — катод. Управляющим электродом у биполярного транзисто­ ра служит база, у полевого транзистора — затвор, у электронной лампы — сетка. Управляемый электрод у биполярного транзисто­ ра — коллектор, у полевого транзистора — сток, у лампы — анод.

Физические процессы в усилительном каскаде на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером. Схема усилительного каскада на транзисторе с общим эмиттером приведена на рис. 3.9. Во входной цепи каскада включен источник напряжения смещения Е 6 и источник входного сигнала U вх, в выходной — резистор на­ грузки и источник питания Е к.

Рассмотрение физических процессов удобно сопровождать гра­ фическими изображениями их, пользуясь характеристиками усили­ тельных элементов.

Исходный режим. В исходном режиме в цепи база—эмиттер, т. е. во входной цепи, включено только напряжение смещения Е б, которое определяет положение исходной рабочей точки А на ха­

цепи; + £ б . переход эмиттер — база, источник входного сигнала,

- Е б

В выходной цепи в исходном режиме протекает только постоян­

Д£ к I ко £ н

Ввыходной цени напряжение источника питания распределяет­ ся между транзистором и нагрузкой: £ h= A £ K-f-£/Ky

Графическое изображение напряжений и токов в исходном ре­ жиме приведено на рис. 3.11.

Режим усиления. Сигнал, который надо усиливать, подается на вход усилительного каскада, в частности в схеме с общим эмитте­ ром, — в цепь база^-эмиттер последовательно с напряжением

смещения (рис. 3.9).

Для простоты анализа входной сигнал будем считать синусои­ дальным, т. е. и DX=w г, — £/б3>п о)/.

Тогда результирующее напряжение, действующее во входной цепи

и= Е 6 -\-и6 = Е 6 + U6sin (of.

Ф;

^ ) e ucm

в

Под действием этого напряжения в цепи базы будет протекать пульсирующий ток:

*6=^eo+^6Sin (at.

Переменная составляющая входного тока протекает по цепи: от источника сигнала через переход база—эмиттер, общий провод, + Е 6, через источник смещения, — Ей и к источнику сигнала.

Изменение тока в цепи база—эмиттер вызывает соответствующее изменение тока коллектора, т. е. в цепи коллектора кроме по­ стоянной составляющей / ко появляется и переменная составляю­ щая i~ = /,csin (at.

Уравнение коллекторного тока принимает вид: i.<=/,;o+4sin (at.

Переменная составляющая коллекторного тока появилась вследствие усилительных свойств транзистора. Поэтому источни­ ком переменной составляющей коллекторного тока считают тран­ зистор (часть его между выходным и общим электродами).

Во время положительного полупериода входного сигнала по­ тенциал базы повышается и прямое напряжение на эмиттерном переходе увеличивается, вызывая увеличение тока в цепи базы, эмиттера, а следовательно, и в цепи коллектора.

Падение напряжения на нагрузке ик = i K/?„ будет также уве­ личиваться, а напряжение на коллекторе — уменьшаться:

ек = Е К—и.,: =£.• —/Ksin со^.

Во время отрицательного полупериода входного сигнала потен­ циал базы понижается, токи базы, эмиттера и коллектора умень­ шаются. Падение напряжения на нагрузке уменьшается, а напря­ жение на коллекторе повышается.

Сравнение графиков напряжений сигнала на входе и Вх и на вы­ ходе wB:,IX (рис. 3.11), показывает, что в процессе усиления в схе­ ме усилителя с общим эмиттером фаза сигнала на выходе повора­ чивается на 1800

Особенности усилительного каскада с общим эмиттером следу­ ющие.

1. Каскад с общим эмиттером усиливает напряжение, ток и мощность сигнала. Коэффициент усиления по напряжению Ки мо­ жно получить составляющим от нескольких единиц до нескольких десятков.

2.Коэффициент усиления по току К/ в схеме с общим эмитте­ ром может составлять несколько сотен.

3.Коэффициент усиления по мощности Кр = К и Ki в схеме с общим эмиттером можно получить равным порядка тысяч.

4.Входное сопротивление каскада с общим эмиттером на ма­

5.Выходное сопротивление каскада с общим эмиттером сос­ тавляет несколько десятков килоом.

6.С повышением частоты усиление в схеме с общим эмиттером значительно снижается.

Расчет эмиттерной стабилизации каскада предварительного усиления на транзисторе, включенном с общим эмиттером

„0,2.18-1-0,15

т_з— =4690 Ом. Выбираем £ 2 = 4700 Ом. 0,8- Ю

4. Вычисляем значение R u обеспечивающее при минимальной рабочей темпе-

ратуре заданный ток покоя:

изменения температуры окружающей среды Д/с, последовательная по току, глу­

2.Находим Д/к^=/121э[А^/о+(/?о+/?э)А/о]/[/?б+Л11э+(1+Л21э)/?э] =70[0,1 +

+(8+1) • 103-2,4*10—5] /[(8 + 1 ,4 + (1 +70)-1-103] = З Ы 0 - 6 А.

сопротивление нагрузки для постоянного тока.

Для переменного тока нагрузочная прямая линия проходит через точку по­

Контрольные вопросы

1.Начертите последовательную схему питания входной цепи усилительного элемента и поясните процессы, происходящие в ней.

2.Начертите параллельную схему питания входной цепи усилительного эле­ мента и поясните назначение элементов схемы.

3.Поясните назначение напряжения смещения.

4.Назовите режимы работы усилительных элементов и поясните особеннос­

ти их.

5.Начертите график, поясняющий работу усилительного элемента в режиме класса А .

6.Постройте динамическую характеристику усилительного каскада.

7.Начертите схемы включения транзистора по переменному току.

8.Начертите комбинированную схему стабилизации положения рабочей точки и поясните особенности ее.

9. Начертите эквивалентную схему биполярного транзистора, включенного ло схеме с общим эмиттером.

10. Начертите нагрузочную прямую усилительного каскада.

ГЛАВА 4

КАСКАДЫ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО УСИЛЕНИЯ

ИУСИЛЕНИЯ МОЩНОСТИ

4.1.КАСКАДЫ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО УСИЛЕНИЯ

Особенности работы и методика анализа. Каскад предваритель­ ного усиления предназначен для усиления напряжения или тока ис­ точника сигнала. В результате такого усиления значение напряже­ ния или тока источника сигнала получается достаточным для нор­ мальной работы оконечного каскада.

Основные требования к каскадам предварительного усиления: максимальный коэффициент усиления; минимальные частотные, фазовые и переходные искажения.

Основные условия работы каскадов предварительного усиления определяются тем, что амплитуды входных сигналов малы. Поэто­ му каскад предварительного усиления работает в пределах линей­ ного участка входной характеристики усилительного элемента, как показано на рис. 4.1.

Из этих условий вытекают следующие особенности работы ка­ скадов предварительного усиления:

1. Коэффициенты усиления напряжения и тока каскадов пред­ варительного усиления можно определить аналитически (а не гра­

фически), используя малосигнальные параметры усилительных эле­ ментов, поскольку эти параметры не зависят от значений прило­ женных напряжений и токов,

2. Нелинейные искажения в каскаде предварительного усиле­ ния настолько незначительны, что их можно не учитывать.

3. Ток покоя / о в каскадах предварительного усиления обычно превышает амплитуду усилен­ ного сигнала. Это значит, что КПД каскада оказывается низким. Но поскольку потреб­ ляемая мощность питания этих каскадов небольшая, то потери энергии в них незначительны. Поэтому КПД каскадов пред­ варительного усиления ие оп­ ределяют.

4. Собственный шум тран­ зистора первого каскада уси­ лителя должен быть минималь­ ным.

Анализ каскадов предварительного усиления можно проводить, используя физические эквивалентные схемы усилительных элемен­ тов. Достоинством такой эквивалентной схемы является то, что она наглядно отражает физические свойства усилительного элемента, позволяет проанализировать характеристики и параметры усили­ тельного каскада (частотную характеристику, входное и выходное сопротивление, усиление тока и напряжения). Недостатки метода: для каждого вида усилительного элемента приходится заново со­ ставлять эквивалентную схему усилительного каскада, затруднен расчет сложных схем и др.

Рассчитать усилительные каскады, работающие в линейном ре­ жиме, можно, пользуясь h- или «/-параметрами усилительных эле­ ментов.

Схемы каскадов предварительного усиления выполняются как на дискретных элементах, так и на интегральных микросхемах. Транзистор в них чаще включается по схеме с общим эмиттером, так как при этом достигаются наибольшее усиление и большое входное сопротивление, позволяющие соединять каскады без согла­ сующих трансформаторов.

Каскады предварительного усиления должны иметь малые габа­ ритные размеры и массу, простую схему, обеспечивать равномер­ ное усиление в широком диапазоне частот при минимальных иска­ жениях. Таким требованиям удовлетворяет резисторный каскад.

Резисторный каскад. Схема. Принцип действия. Основными эле­ ментами усилительного каскада являются усилительный элемент, источник питания и нагрузка.

Усилительный каскад, в выходную цепь которого в качестве нагрузки включен резистор, называется резисторным каскадом.

со