книги / Электронные усилители

Упрощенная принципиальная схема резисторного каскада с об' щим эмиттером приведена на рис. 4.2. Такая схема включения применяется наиболее часто.

Принцип действия усилительного' каскада с общим эмиттером состоит в следующем. При включении источника питания Е к и от­ сутствии переменного напряжения сигна­ ла на входе каскада в выходной коллек­ торной цепи его протекает только посто­ янный коллекторный ток по цепи: + Е К, эмиттер—коллектор транзистора, резис­

тор RH, — Ек Этот ток называется то­ ком покоя.

При подаче на вход каскада перемен­ ного напряжения сигнала в цепи базы появляется переменная составляющая то­

ка базы транзистора, вызывающая появление в цепи коллектора переменной составляющей коллекторного тока iK.

Протекая через резистор R u , переменная составляющая кол­

элемента иди с резистора нагрузки, является выходным.

Выходное напряжение оказывается больше входного, т. е. ка­ скад усиливает входной переменный сигнал.

Процесс усиления напряжения основан на преобразовании энер­ гии источника постоянного напряжения Е к в энергию переменно­ го напряжения в выходной цепи в результате (изменения сопротив­ ления усилительного элемента по закону изменения входного сиг­ нала. Изменение напряжения на входе вызывает изменение посто­ янного тока в выходной цепи, а следовательно, и изменение паде­ ния напряжения на резисторе нагрузки. Это изменяющееся напря­ жение (пли ток) в выходной цепи есть переменная составляющая выходного напряжения (или тока) в выходной цепи. Она является составной частью напряжения (или тока) источника питания.

Работу усилительного каскада можно изобразить графически, как показано на рис. 4.3. Удобство графического метода заключа­ ется в наглядности, простоте нахождения связи параметров в ре­ жиме покоя каскада (С/кп, 1нп ) с амплитудными значениями его переменных составляющих (£/ВЬ1Х , / Вых )•

Физические процессы, протекающие во входной цепи транзисто­ ра, графически представлены на рис. 4.3, а. Здесь приведена вход­ ная характеристика / 6= f (t/6э )• Как видно па рисунке, она нелинейна. Чтобы не было нелинейных искажений входного сигна­ ла, исходную рабочую точку (точку покоя) нужно выбирать на линейном участке характеристики (точка П на рис. 4.3, а).

Для установления рабочей точки в выбранном участке харак­ теристики или, как говорят, для выбора рабочей точки необходимо на базу транзистора подать некоторое постоянное напряжение сме­

щения, смещающее рабочую точку в заданную точку П. При вклю­

Рио. 4.3

Появление на входе транзистора переменного напряжения сиг­ нала и ах вызывает изменение тока базы, т. е. появление перемен­ ной составляющей тока базы (iв~ на рис. 4.3,а).

Физические процессы, протекающие в выходной цепи каскада, представлены графиками, приведенными на рис. 4.3,6. При дейст­ вии во входной цепи только напряжения смещения в выходной це­ пи протекает только постоянный ток коллектора/кп ( /к„ = / ко )• Он создает на резисторе нагрузки падение напряжения Uш —

— /«о К „ В результате этого напряжение на коллекторе транзи­ стора будет меньше напряжения источника питания на величину

ющая на резисторе коллекторной нагрузки R u переменное падение напряж ения^ (рис. 4.3, б).

Полная электрическая схема резисторного усилителя. Эквива­ лентная схема. Приведенная на рис. 4.2 упрощенная принципиаль­ ная схема представляет собой один каскад — составную часть мно­ гокаскадного усилителя. Входя в состав многокаскадного усили­ теля, этот каскад кроме основных элементов схемы должен иметь вспомогательные элементы, обеспечивающие необходимый режим работы усилительного элемента, а также связывающие данный ка­ скад с источником входного сигнала или с предыдущим и последу- -ющнм каскадами.

Полная электрическая схема резисторного усилительного каска­ да приведена на рис. 4.4. Назначение элементов в этой схеме сле­ дующее. Резисторы R1 и R2 образуют делитель для подачи на базу транзистора напряжения смещения, обеспечивающего исходный режим, т. е. для смещения рабочей точки покоя П в заданный уча­ сток характеристики (рис. 4.3). Ток базы в исходном режиме 1 & протекает по цепи: + Е к, R3 , участок эмиттер — база транзисто­ ра, резистор R 1, — Е к .

шение коэффициента усиления каскада вследствие наличия отри­ цательной обратной связи.

Конденсатор Ср1 является разделительным. Он не допускает

шунтирования входной цепи каскада цепью источника сигнала по постоянному току, что исключает прохождение постоянного ток;* через источник входного сигнала, а также влияние внутреннего со­ противления источника сигнала на напряжение на базе в режиме покоя.

Конденсатор Сра — также разделительный. Он не пропускает

постоянную составляющую напряжения источника питания Е к на базу транзистора следующего каскада. Емкость этого конденсато­ ра выбирается обычно настолько большой, чтобы усиливаемый сигнал проходил через него без ослабления.

Питание резисторных каскадов в многокаскадном, усилителе осуществляется от одного общего источника питания. Так как кол­ лекторы транзисторов отдельных каскадов подключаются к ис­ точнику питания параллельно, то все каскады оказываются свя­ занными между собой через внутреннее сопротивление источник*

питания. Такая связь является паразитной и может привести к ухудшению показателей усилителя. Для уменьшения этой паразит­ ной связи в цепи питания коллекторов включаются развязывающие фильтры R ф Сф

Показатели усилителя (Kt , Ки , Рр , RBX, R Bых ) определяют, пользуясь эквивалентными схемами. Для построения эквивалент­ ной схемы каскада по переменному току необходимо составить цепи протекания переменных составляющих токов.

В схеме, приведенной на рис. 4.4, переменная составляющая входного тока протекает от нижнего зажима источника входного сигнала, далее разветвляется на три составляющие: одна протека­ ет через R2 к точке Б, вторая — через С э , участок эмиттер—база

сигнала.

Цепь переменной составляющей коллекторного тока следую­

входное сопротивление и входную емкость последующего ка­ скада на общий провод. Емкость монтажа на эквивалентной схеме учитывается емкостью С м

Емкости Сф и Сэ настолько большие, что сопротивление их

для переменного тока оказывается ничтожно малым.

С учетом этого эквивалентная схема резисторного каскада име­ ет вид, показанный на рис. 4.5, а. Ее можно несколько упростить.

го генератора, отражающего усилительные свойства транзистора; гк9 — сопротивление эмиттер—коллектор транзистора.

Характеристики резисторного каскада. В эквивалентной схеме, приведенной на рис. 4.5, имеются частотно-зависимые элементы С р2 и С0. Это означает, что при постоянной амплитуде напряже­

ния на входе напряжение на выходе зависит от частоты входного напряжения, т. е. коэффициент усиления каскада зави­ сит от частоты. Эта графически выраженная зависимость коэф­ фициента усиления каскада от частоты входного сигнала и есть амплитудно-частотная характеристика.

С р о

■ PZ

Рис. 4.5

При уменьшении частоты сигнала сопротивление конденсатора С р2 увеличивается, падение напряжения на нем возрастает. В ре­

зультате напряжение на выходе СВ1Х уменьшается. Поэтому с понижением частоты коэффициент усиления каскада уменьшается.

На высоких частотах проявляется шунтирующее действие ем­ кости Со. С повышением частоты входного сигнала сопротивление емкости С0 уменьшается, а следовательно, in падение напряжения сигнала на ней уменьшается. Поэтому с повышением частоты коэф­ фициент усиления каскада уменьшается.

Вобласти средних частот потери напряжения на конденсаторе

Ср, невелики.

Для того чтобы коэффициент усиления резисторного каскада в рабочем диапазоне частот оставался постоянным, емкость раздели­ тельного конденсатора Сра выбирают по возможности большей*

а паразитную емкость монтажа Со стремятся уменьшить. Амплитудно-частотная характеристика резисторного каскада

приведена на рис. 4.6, а.

Фазово-частотная характеристика — графически выраженная зависимость угла сдвига по фазе между напряжением на выходе

простую эквивалентную схему: в ней учитывают только те эле­ менты, которые оказывают существенное влияние в данной обла­ сти частот.

В области средних частот влиянием реактивных элементов Срх и Со можно пренебречь. Сопротивление большой емкости С р*

включенной последовательно в цепь передачи сигнала, в области средних Частот очень мало по сравнению с активными сопротив­

оказывается незначительным.

Пренебрегая емкостями Ср и С0, получим эквивалентную схе­

му для средних частот, приведенную на рис. 4.7, а. Эту схему мож­ но еще упростить. Сопротивления г б-.сл и г б'э.сл можно объеди­ нить. Сумма этих двух сопротивлений определяет входное сопро­ тивление последующего каскада:

^?вх.сл = Тб'.сл -\~Гб'

Объединив все параллельно включенные сопротивления, полу­

чим схему, представленную на рис. 4.7,6. В этой схеме S„ и а — генератор тока, R ~ — результирующее сопротивление нагрузки для переменного тока коллекторной цепи.

Коэффициент усиления Каскада по напряжению в области сред­ них частот определяется отношением:

K l/cp= ^вых/^вх-

т- В.‘ел

Тогда К иер = UBM/U BX = S„ U„ R„ /UBX

Крутизна характеристики выходного тока транзистора по на­ пряжению на эмиттерном переходе S„ как было показано ранее, вычисляется: Sn= Аг1Э /гб-3

Величину тн называют постоянной времени резисторного ка­ скада на нижних частотах. Постоянная времени тм = Ср /?н оп­

ределяет время разряда конденсатора Ср через сопротивление Ra.

а

в

Из выражения для определения Ми в и д н о , что с увеличением Ср частотные искажения уменьшаются. Это объясняется следу­

ющим образом. Сопротивления X сР и Я„х.сл образуют делитель.

С0 с повышением частоты возрастает, и С0 надо учитывать. Иск­ лючив из эквивалентной схемы (рис. 4.5) емкость Ср2, получим эк­

вивалентную схему для верхних частот, приведенную на рис. 4.9, а. Заменив параллельно соединенные сопротивления гкэ, R и /?д.сл эквивалентным им R r , получим схему, приведенную на рис. 4.9, б. Пользуясь теоремой об эквивалентном генераторе, эту схему пре­ образуем в схему, представленную на рис. 4.9, б. Выходным на­ пряжением здесь является падение напряжения на емкости Со:

Обозначим СоЯв.ч.жв через т вч , где т в.ч — постоянная вре­ мени резисторного каскада в области верхних частот.

Исходя из этого, коэффициент частотных искажений в области верхних частот определяется по формуле

Л^В.Ч= 1'/Л1 “Ь^Сд^в.ц.зкв)”

Из данного выражения видно, что.частотные искажения в об­ ласти верхних частот зависят от емкости С0 и сопротивления

^?в.ч.вкв

С увеличением емкости С0 (или R в.ч.экВ ) частотные искаже­ ния увеличиваются, т. е. увеличивается «завал» амплитудно-частот­ ной характеристики (рис. 4.10,а, б). Это объясняется тем, что с уве­ личением частоты шунтирующее действие емкости С0 возрастает.

Трансформаторный каскад. Эквивалентная схема. Трансформа­ торным каскадом называется каскад, в выходной цепи которого включен трансформатор для связи с последующим каскадом или с внешней нагрузкой.

Трансформатор по сравнению с резистором имеет ряд недостат­ ков: большие габаритные размеры и масса, чувствительность к на. водкам от внешних магнитных полей, внесение частотных, фазовыд н нелинейных искажений.

Однако в ряде случаев трансформатор необходим, например для согласования выходного сопротивления предыдущего каскад^, с входным сопротивлением последующего, для перехода от одно, тактной схемы к двухтактной или для повышения напряжения ма_ лого входного сигнала относительно напряжения собственного щу. ма первого транзистора.