17073

Каскады предварительного усиления. Особенности работы и методика анализа каскадов предварительного усиления

Лекция

Физика

Каскады предварительного усиления предназначены для усиления напряжения или тока источника сигнала (источник сигнала может быть генератором напряжения или тока). В результате такого усиления значение напряжения или тока источника сигнала получается достаточным для нормальной работы оконечного (выходного) каскада

Русский

2015-01-19

1005 KB

55 чел.

Каскады предварительного усиления

4.4.1 Особенности работы и методика анализа каскадов предварительного усиления

Каскады предварительного усиления предназначены для усиления напряжения или тока источника сигнала (источник сигнала может быть генератором напряжения или тока). В результате такого усиления значение напряжения или тока источника сигнала получается достаточным для нормальной работы оконечного (выходного) каскада.

Основные требования к каскадам предварительного усиления:

максимальный коэффициент усиления;

минимальные частотные, фазовые и переходные искажения.

Основные условия работы каскадов предварительного усиления опре-деляются тем, что амплитуды входных сигналов малы. Поэтому каскад предварительного усиления работает в пределах линейного участка входной характеристики и характеристики управления усилительного элемента (режим А).

Из этих условий вытекают следующие особенности работы каскадов предварительного усиления:

  1.  Коэффициенты усиления напряжения и тока каскадов предварительного усиления можно определять графически и аналитически, используя малосигнальные параметры усилительных элементов, поскольку эти параметры не зависят от значений приложенных напряжений и токов.
  2.  Ток покоя I0(п) в каскадах предварительного усиления обычно превышает амплитуду усиленного сигнала. Это значит, что КПД каскада оказывается низким (≤ 25%). Но поскольку потребляемая мощность питания этих каскадов небольшая, то потери энергии в них незначительны.
  3.  Собственный шум транзистора первого каскада предварительного усиления должен быть минимальным.

Анализ каскадов предварительного усиления можно проводить, используя физические эквивалентные схемы усилительных элементов. Достоинством такой эквивалентной схемы является то, что она наглядно отражает физические свойства усилительного элемента, позволяет проанализировать характеристики и параметры усилительного каскада (частотную характеристику, входное и выходное сопротивление, усиление тока и напряжения).

Схемы каскадов предварительного усиления выполняются как на дискретных элементах, так и на интегральных микросхемах. Транзистор в них чаще включается по схеме с общим эмиттером (ОЭ) или общим истоком (ОИ), так как при этом достигается наибольшее усиление.

Однако на боле высоких частотах (в диапазоне дециметровых и сантиметровых волн) нашли широкое применение, например, каскад с общей базой (ОБ). Это связанно с тем, что при включении транзистора с ОБ его предельная частота усиления в h21 раз больше, чем в схеме с ОЭ(h21-коофициент усиления  по току)  .

В многокаскадных предварительных усилителях также нашли широкое применение каскады с общим коллектором (ОК) или общим стоком (ОС), имеющие большое входное и небольшое выходное сопротивления. По этой причине эти каскады используются как согласующие устройства во входной и выходной цепях усилителя или между его каскадами.

Каскады предварительного усиления должны иметь малые габаритные размеры и массу, простую схему, обеспечивать равномерное усиление в широком диапазоне частот при минимальных искажениях. Таким требованиям удовлетворяет резисторный каскад.

4.4.2 Усилительный  каскад с ОЭ

Электрическая схема резистивного усилителя приведена на рисунке 4.21[3]. На входе каскада действуют усиливаемые переменные ток iвх и напряжение uвх, поступающие от источника сигнала, а на выходе – усиленные переменные ток iн и напряжение uвых (здесь и далее аргумент t у функций токов и напряжений для упрощения опущен).

Рисунок 4.21 – Схема усилительного каскада с ОЭ

В этой схеме усилительного каскада конденсаторы С1 и С2 – разделительные. Конденсатор С1 препятствует протеканию постоянного тока от источника питания Ек в цепь источника входного сигнала, что не позволяет шунтировать входную цепь усилительного каскада цепью источника сигнала по постоянному току. Конденсатор С2 обеспечивает выделение из коллекторного тока переменной составляющей, поступающей на резистор нагрузки Rн (в качестве сопротивления нагрузки, как правило, выступает входное сопротивление следующего каскада) и не пропускает постоянную составляющую тока источника питания Ек на базу транзистора следующего каскада. Резисторы базового делителя напряжения R1, R2 задают режим покоя транзистора, при котором в нем протекают только постоянные токи покоя базы Iбп, коллектора Iкп и эмиттера Iэп, а на его базе, коллекторе и эмиттере соответственно действуют постоянные напряжения (потенциалы) покоя Uбп, и Uэп.

Резистор Rэ составляет цепь последовательной отрицательной обратной связи (ООС) по току, предназначенной для стабилизации режима покоя транзистора при изменении его температуры (для термостабилизации).

Действие обратной связи объясняется следующим образом. При увеличении, например, из-за роста температуры тока коллектора покоя Iкп возрастают ток эмиттера покоя Iэп и падение напряжения на резисторе Rэ, поскольку Uэп = IэпRэ. Так как напряжение между базой и общей точкой (потенциал базы)  Uбп  фиксировано базовым делителем R1, R2, и Uбп = Uбэп + Uэп, то с увеличением напряжения Uэп уменьшается напряжение Uбэп. Это приводит к призакрыванию транзистора и снижению тока коллектора покоя Iкп. Тем самым производится компенсация первоначального увеличения тока коллектора покоя.

Включение резистора Rэ, в цепь эмиттера изменяет работу каскада и при усилении переменного сигнала. Переменный ток эмиттера создает на резисторе Rэ падение напряжения uэ = iэRэ, которое уменьшает усиливаемое напряжение, подводимое к базе транзистора, ведь uбэ = uвхuэ. При этом снижается и коэффициент усиления каскада, поскольку действует ООС по переменному току. Для ее исключения резистор Rэ шунтируют конденсатором Сэ достаточно большой емкости. Поскольку сопротивление конденсатора мало, то переменный ток протекает по нему и не создает падения напряжения на резисторе Rэ.

Резистор Rк является нагрузкой транзистора (нагрузка каскада в режиме холостого хода, когда Rн→∞) и обеспечивает необходимый ток коллектора.

Конденсатор большой ёмкости Сбл шунтирует источник питания Ек по переменному току, исключая падение полезного переменного напряжения на внутреннем сопротивлении источника питания.

Принцип действия усилительного каскада с ОЭ состоит в следующем. При включении источника питания Ек и отсутствии переменного напряжения сигнала на входе каскада в выходной коллекторной цепи его протекает только постоянный коллекторный ток IкпIэп по цепи: +Ек, резистор Rк, коллектор-эмиттер транзистора, резистор Rэ,– Ек. Этот ток называется током покоя. Во входной цепи протекает ток делителя Iд и ток базы покоя Iбп. Ток делителя протекает по цепи: +Ек, R1, R2, -Ек, а ток Iбп – по цепи: +Ек, R1, база-эмиттер транзистора, Rэ, -Ек.

При подаче на вход каскада переменного напряжения сигнала в цепи базы появляется переменная составляющая тока базы транзистора, вызывающая появление в цепи коллектора переменной составляющей коллекторного тока iк.

Переменная составляющая входного тока протекает от верхнего зажима источник входного сигнала через С1 и далее разветвляется на три составляющие: одна протекает через резистор R2 к нижнему зажиму источника входного сигнала, вторая – через резистор R1, Cбл к нижнему зажиму источника входного сигнала, третья – через участок база-эмиттер, Сэ также к нижнему зажиму источника входного сигнала. Таким образом, по переменному току резисторы R1 и R2 включены параллельно.

Источником переменного тока в выходной цепи является транзистор. Переменный коллекторный ток транзистора разветвляется на две цепи: одна – резистор Rк, Сбл, общий провод (общая точка), Сэ, эмиттер транзистора, а другая – конденсатор С2, Rн, общий провод, Сэ, эмиттер транзистора. Таким образом, резисторы Rк и Rн по переменному току включены параллельно.

Протекая через резистор Rн, переменная составляющая коллекторного тока iк создает на нем переменное (выходное) напряжение.

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

Процесс усиления напряжения основан на преобразовании энергии источника постоянного напряжения Ек в энергию переменного напряжения в выходной цепи в результате изменения сопротивления усилительного  элемента по закону изменения входного сигнала. Изменение напряжения на входе вызывает изменение постоянного тока в выходной цепи, а следовательно, и изменение падения напряжения на резисторе нагрузки. Это изменяющееся напряжение (или ток) в выходной цепи и есть переменная составляющая выходного напряжения (или тока) выходной цепи. Она является составной частью напряжения (или тока) источника питания.

Работу усилительного каскада можно изобразить графически, как показано на рисунке 4.22[3]. Удобство графического метода заключается в наглядности, простоте нахождения связи параметров в режиме покоя каскада (Uкэп, Iкп) с амплитудными значениями его переменных составляющих (Umвых, Imвых).       

Физические процессы, протекающие во входной цепи транзистора, графически представлены на рисунке 4.22,б. Здесь приведена входная характеристика Iб=f(Uбэ). Как видно на рисунке, она линейна. Чтобы не было линейных искажений входного сигнала, исходную рабочую точку (точку покоя) нужно выбирать на линейном участке характеристики (точка П на рисунке 4.22,б).

Для установления рабочей точки в выбранном участке  характеристики необходимо на базу транзистора подать некоторое постоянное напряжение смещения Uбэп.

           Появление на входе транзистора переменного напряжения сигнала Uвх вызывает изменение тока базы, т.е. появление переменной составляющей тока базы за счёт перемещения рабочей точки на входной характеристике.

            Рисунок 4.22 – Графический анализ работы каскада ОЭ с помощью характеристик транзистора: а – выходных; б – входной

           Физические процессы, протекающие в выходной цепи каскада, представлены графиками, приведенными на рисунке 4.22,а. При действии во входной цепи только напряжения смещения в выходной цепи протекает только постоянный ток коллектора Iкп.

С появлением в цепи базы переменного тока в цепи коллектора возникает переменная составляющая коллекторного тока, создающая на резисторе нагрузки Rн переменное падение напряжения Uвых.

Например, если Uвх возрастает, то возрастает напряжение Uбэ, а значит и прямое напряжение на эмиттерном переходе транзистора (транзистор n-p-n-типа). Тогда усиливается инжекция электронов из эмиттера в базу и их экстракция из базы в коллектор. Увеличивается ток базы. Коллекторный переход, смещенный в обратном направлении  (активный режим работы транзистора), обогащается носителями заряда и его сопротивление уменьшается. Значит увеличивается коллекторный ток транзистора Iк (получает положительное приращение Δiк, т.е. Iк=Iкпiк), создающий большее падение напряжения на параллельно включенных  резисторах Rк и Rн (Rкн). При этом потенциал коллектора Uк, а значит и напряжение Uкэ уменьшается, т. е.

Uкк-IкпRк- ΔiкRкн=UкпiкRкн  .                                           (4.31)    

           Выражение (4.31) показывает, что через резистор Rк протекают и постоянная и переменная составляющие коллекторного тока, а через резистор Rн – только переменная составляющая.

При максимальном приращении коллекторного тока, равном его амплитуде Iкm ,потенциал коллектора

Uк=Uкп-IкmRкн=Uкп-Uвыхm .                                                    (4. 32)   

Знак «-» в выражении (4.32  ) означает, что входное и выходное напряжения являются противофазными (сдвинуты по фазе на 1800).

Понятно, что в режиме холостого хода, когда сопротивление нагрузки каскада определяется лишь сопротивлением Rк>Rкн (при параллельном соединении резисторов Rк и Rн общее сопротивление Rкн меньше наименьшего из сопротивлений Rк и Rн), амплитуда выходного напряжения Uвых m возрастает. Значит в режиме холостого хода усиление каскада возрастает.

При расчетах каскада с ОЭ на выходных характеристиках транзистора (транзистор работает в активном режиме) проводят линию нагрузки по постоянному току (линия 1-2 на рисунке 4.22, а), положение которой определяется вторым законом Кирхгофа для коллекторной цепи каскада:

Ек = Uкэп + Iкп (Rк + Rэ) .                                                 (4. 33)   

Данную линию можно провести из точки Ек под углом = arcctg 1/(Rк + Rэ) (рисунок 4.22, а). На практике же ее строят по двум точкам, характеризующим режимы холостого хода (точка 1) и короткого замыкания (точка 2) в коллекторной цепи транзистора. Для точки 1 ток и напряжение холостого хода: Iкх = 0, Uкэх = Ек; для точки 2 напряжение и ток короткого замыкания: Uкэз = 0; Iкз = Ек/(Rк + Rэ).

При расчетах любые значения тока Iкп и напряжения Uкэп определяются точками пересечений (рабочими точками) выходных характеристик с линией нагрузки по постоянному току. Одна из этих точек, полученная для заданного тока базы покоя Iбп, называется точкой покоя и обозначается буквой П (рисунок 4.22, а). Используя координаты точки покоя П, можно определить ток коллектора покоя Iкп напряжение коллектора покоя Uкэп и падение напряжения на резисторе Rк, равное URк = IкпRк.

Для определения параметров выходного сигнала в динамическом режиме усиления (с подключенными входным сигналом и нагрузкой) используют линию нагрузки по переменному току (динамическую линию нагрузки). Если учесть, что сопротивления источника питания Ек и конденсатора С2 по переменному току малы, то сопротивление нагрузки по переменному току будет определяться параллельно включенными резисторами Rк и Rн:

Rкн = RкRн/( Rк + Rн) .                                          (4. 34   )

Поскольку в режиме усиления входного сигнала токи в напряжения транзистора состоят из суммы постоянных и переменных составляющих, то штриховая линия 3–4 на рисунке 4.22, а -линия нагрузки по переменному току тоже пройдет через точку покоя П. И поскольку Rкн < Rк,  то линия будет находиться под углом н = arcctg 1/Rкн,  большим, чем угол . Для ее построения на оси абсцисс отмечают точку 3, где формально напряжение равно сумме Uкн + IкпRкн, и через нее и точку П проводят прямую .

При использовании каскада с ОЭ для усиления мощности необходимо учитывать параметры предельно допустимых режимов работы транзистора. Таких параметров три и они строятся на выходных характеристиках (рисунок 4.22, а). Кривая допустимой мощности рассеяния строится по формуле Ркдоп = UкэIк и представляет собой гиперболу, а линии допустимых коллекторного тока Iкдоп и напряжения коллектор-эмиттер Uкэдоп — прямые, параллельные осям координат. Параметры Ркдоп, Iкдоп, Uкэдоп находятся из справочной литературы.

В целях исключения искажений формы выходного сигнала необходимо обеспечить такой режим работы транзистора, чтобы рабочая точка, перемещаясь по линии нагрузки, не выходила за пределы напряжения насыщения Uнас (0,3...0,7 В) и отсечки(UкэотсE).

Основные показатели усилительного каскада ОЭ обычно рассчитывают с помощью h-naраметров транзистора, используя эквивалентную схему каскада с ОЭ (рисунок 4.23)[4], основой которой является схема замещения транзистора (обведена штриховой линией). В упрощенной схеме замещения транзистор формально представляется активным линейным четырехполюсником, на входе которого действуют напряжение Uвх и ток Iвх, а на выходе – напряжение Uвых и ток Iн.

                  Рисунок 4.23 – Эквивалентная схема каскада ОЭ

           Указанные величины представлены действующими значениями, связанными с известными амплитудными формулами: ,

В схеме резистор h11 отражает входное сопротивление, эквивалентный генератор тока h11Iб – усилительные свойства, а сопротивление 1/ h22 величину, обратную выходной проводимости транзистора. Отметим, что в эквивалентной схеме не показаны конденсаторы и источник питания, так как их сопротивления по переменному току близки к нулю. Поэтому резисторы Rк и Rн включены непосредственно между эмиттером и коллектором. Сопротивление Rб=R1R2/(R1+R2) показывает наличие базового делителя, резисторы R1, R2 которого по переменному току соединены параллельно. Формулы для расчета сопротивлений R1 и R2 нетрудно получить из схемы на рисунке 4.21:

;                                                (4. 35 )

Входное сопротивление каскада при Rб >>h11:

Rвх = Uвх/Iвх = Rбh11/(Rб + h11)  h11.                                   (4.36 )  

Выходное сопротивление с учетом неравенства Rк, Rн<< 1/ h22

.                                                   (4. 37  )

Коэффициент усиления по напряжению:

.                                                   (4.38   )

Коэффициент усиления по току:

Ki = Iн/Iвх  Iк/Iб  h21 .                                                     (4. 39  )

4.4.3 Усилительный каскад с ОБ

Входной усиливаемый сигнал в схеме усилительного каскада с ОБ (рисунок 4.24)[4] подключен между эмиттером и базой, причем последняя по переменному току соединена с корпусом через конденсатор Сб. Назначение резисторов R1, R2, Rк и конденсаторов С1, С2 такое же, как и в каскаде ОЭ.

Усилительный каскад ОБ не инвертирует фазу входного сигнала. Воздействие, например, отрицательной полуволны входного напряжения приводит к увеличению коллекторного тока и падения напряжения на резисторе Rк. В результате коллекторное (выходное) напряжение будет уменьшаться. При воздействии положительной полуволны входного напряжения картина меняется на обратную.

При расчете каскада с ОБ по постоянному току используется графоаналитический метод по аналогии со схемой с ОЭ.

 Рисунок 4.24 – Усилительный каскад с ОБ

Транзисторный каскад с ОБ имеет примерно такой же коэффициент усиления по напряжению, как и каскад с ОЭ, но коэффициент усиления по току меньше единицы, так как входным является эмиттерный, а выходным – коллекторный ток (ток коллектора всегда немного меньше тока эмиттера).

ki = Imк/Imэ 1.                                                  (4.40   )

Важнейший параметр транзисторов – статический коэффициент усиления по току или коэффициент передачи тока (для схемы с ОБ обозначается как ), определяется для режима без нагрузки (Rн = 0), т. е. при постоянстве напряжения коллектор – база:

= .                                                     (4.41   )

Коэффициент всегда меньше 1, и чем ближе он к 1, тем лучше транзистор. Коэффициент усиления по току ki для каскада с ОБ всегда немного меньше , так как при включении Rн ток коллектора уменьшается.

Коэффициент усиления по напряжению определяется формулой

ku = Umкб/Umэб.                                                 (4. 42  )

          Он получается таким же, как и в схеме ОЭ, т. е. равным десяткам или сотням.

Действительно, если в схемах с ОЭ и с ОБ транзисторы, входные напряжения, питающие напряжения и сопротивления резисторов нагрузки одинаковы, то коллекторный ток практически один и тот же и, следовательно, выходные напряжения также одинаковы.

Поскольку коэффициент усиления по мощности kp равен произведению kiku, а ki 1, то kp примерно равен ku, т. е. десяткам или сотням.

Входное сопротивление для схемы с ОБ

Rвх = Umэб/Imэ                                                             (4. 43  )

получается в десятки раз меньшим, чем в схеме ОЭ. Это видно из того, что напряжение Umбэ равно напряжению Umэб, а ток Imэ в десятки раз больше тока Imб. Входное сопротивление для схемы с ОБ – всего лишь десятки, а у более мощных транзисторов даже единицы Ом. Такое малое Rвх является существенным недостатком каскада с ОБ, если его подключать к каскаду с большим выходным сопротивлением (малое Rвх существенно снизит усиление предыдущего каскада). Однако такой каскад можно успешно подключать к источникам сигналов с небольшим выходным сопротивлением. Выходное сопротивление  в этой схеме получается до сотен кОм.

4.4.4 Усилительный каскад с ОК

Коллектор транзистора в схеме усилительного каскада с ОК по переменному току соединен с корпусом через Сбл (рисунок 4.25). При этом входное напряжение подключено между базой и коллектором, а выходное – снимается непосредственно с эмиттера транзистора.

Режим работы усилительного каскада с ОК по постоянному току определяется резистором Rэ. Делитель напряжения R1, R2 и разделительные конденсаторы С1, С2 выполняют те же функции, что и в каскаде с ОЭ. При расчете каскада с ОК по постоянному току используют графоаналитический метод по аналогии со схемой ОЭ. Линию нагрузки по постоянному току в этом случае проводят также через две точки: 1– Iкх = 0, Uкх = Ек; 2 – Uкз = 0, Iкз = Ек/Rэ.

Выходное напряжение в каскаде с ОК совпадает с входным по фазе. Так, например, при поступлении положительного приращения входного напряжения ток базы увеличивается, вызывая возрастание токов коллектора и эмиттера. Это приводит к увеличению падения переменного напряжения на сопротивлении нагрузки Rэн, с которого снимается выходное напряжение. При подаче отрицательного приращения падение переменного напряжения на сопротивлении нагрузки уменьшается.

 

Рисунок 4.25 – Усилительный каскад с ОК

Согласно принципу действия каскада ОК, амплитуда выходного напряжения меньше амплитуды входного, поскольку они связаны соотношением: Uвых = UвхUбэ. Поэтому коэффициент усиления по напряжению

.                               (4. 44  )

Как правило,  Uбэ << Uвх, следовательно, КU  1, a Uвых  Uвх.

Т.е.  выходное  напряжение повторяет входное  по значению и по фазе. Поэтому, усилительный каскад с ОК называют еще эмиттерным повторителем.

            Сопротивление нагрузки по переменному току

Rэн = RэRн/( Rэ + Rн).                                          (4. 45  )

Коэффициент усиления по току эмиттерного повторителя почти такой же, как и у каскада с ОЭ:

К1 = Iн/Iвх  Iэ/ Iб  h21 + 1.                                      (4. 46  )

Входное сопротивление

.      (4. 47  )

Выходное сопротивление при h21 >>1:

Rвых=Uвых/IнUвх/Iэ=Uвх/Iб(1+h21)=Rвх/(h21+1)h11/h21.              (4. 48  )

4.4.5 Усилительные каскады на полевых транзисторах

В отличие от биполярных полевые транзисторы имеют очень высокое входное сопротивление (до десятков Мом и выше). Поэтому и усилительные каскады на полевых транзисторах обладают большими входными сопротивлениями. С повышением частоты входное сопротивление уменьшается из-за наличия емкостей затвор – исток и затвор – сток. Управление выходным током в полевых транзисторах осуществляется изменением проводимости канала р-или n-типа, через который под воздействием электрического поля протекает ток. Полевые транзисторы управляются по входной цепи напряжением (электрическим полем – отсюда название  – полевые), а не током. Ток затвора мал и для кремниевых структур с управляющим p-n-переходом не превышает 10-8 А. Для МДП – транзисторов этот ток на несколько порядков меньше. В полевых транзисторах электропроводность канала обусловлена движением носителей только одного типа, поэтому по принципу действия они являются униполярными.

На рисунке 4.26 представлена типовая схема усилительного каскада с общим истоком (ОИ) на МДП-транзисторе с собственным каналом n-типа, в которой назначение резисторов R1, R2 и конденсаторов С1 и С2 такое же, как и в каскаде с ОЭ[4]. В схеме резистор Rи выполняет функцию термостабилизации режима работы каскада по постоянному току стока Iсп. Для исключения ООС по переменному току резистор Rи шунтируют конденсатором Си.

Рисунок 4.26 – Усилительный каскад  с ОИ на МДП-транзисторе

Нагрузкой по переменному току в усилительном каскаде с ОИ является сопротивление                  

Rсн = RсRн/( Rс + Rн).                                             (4. 49  )

           Анализ работы каскада с ОИ проводится графоаналитическим методом, используя статические стоковые и стокозатворные характеристики МДП-транзистора (рисунок 4.27)[4]. Линию нагрузки по постоянному току (линия 1-2 на рисунке 4.27 а) проводят через две точки в соответствии со вторым законом Кирхгофа для стоковой цепи:

Ес = Uсип + Iсп (Rс + Rн).                                          (4. 50  )

Тогда координаты определятся следующим образом – для точки 1– Iсх = 0, Uсх = Ес; для точки 2 – Uсз = 0, Iсз = Ес/(Rc + Rи).

Рисунок 4.27 – Графический анализ работы каскада  с ОИ с помощью характеристик МДП-транзистора: а – стоковых; б – стокозатворной

Линия нагрузки по переменному току проходит через точку покоя П (линия 3-4 на рисунке 4.27, а) и ее наклон определяется величиной сопротивления Rсн.

         Усилительный каскад с ОИ на полевом транзисторе аналогично каскаду с ОЭ на биполярном транзисторе изменяет фазу входного сигнала на 180°.  Наиболее значимые показатели каскада с ОИ для линейного режима усиления можно рассчитать с помощью его эквивалентной схемы (рисунок 4.28)[4], основа которой – схема замещения МДП-транзистора (обведена на рисунке 4.28 штриховой линией). В эквивалентной схеме каскада усилительные свойства МДП-транзистора отражены генератором тока SUвх с параллельно включенным внутренним сопротивлением транзистора ri. Величина S = Ic/∆Uзи – есть крутизна стокозатворной характеристики, которая определяется с помощью кривой на рисунке 4.27, б.

         Делитель в цепи затвора представлен сопротивлением R3 = R1R2/(R1+R2), а нагрузка каскада по переменному току – сопротивлением Rсн. Межэлектродные емкости Сзи и Сзс отражают наличие входной и проходной емкостей , а емкость Сси межэлектродную выходную емкость МДП-транзистора.

Рисунок 4.28 – Эквивалентная схема каскада с ОИ

Коэффициент усиления по напряжению нетрудно найти из эквивалентной схемы каскада (рисунок 4.28).

.

Как правило, в полевых транзисторах ri >>Rc и ri >>Rcн, поэтому

Кu = SRсн.                                                  (4. 51  )

Входное сопротивление каскада с ОИ определяется в основном делителем в цепи затвора: Rвх = Rз. 

Выходное сопротивление каскада приблизительно равно сопротивлению: Rвых  Rcн.

В типовой схеме усилительного каскада с общим стоком (ОС) (истокового повторителя) на МДП-транзисторе (рисунок 4.29)[4] резисторы R1, R2 и Rи задают режим покоя. Нагрузкой усилительного каскада по постоянному току является резистор Rи, а по переменному току – сопротивление параллельно включенных резисторов Rи и Rн: Rин = RиRн/(Rи + Rн). Как и в каскаде с ОК, выходное напряжение в истоковом повторителе совпадает по фазе с входным и практически равно ему.

Коэффициент усиления по напряжению

.                                    (4.52   )

Поскольку SRин >>1, то коэффициент усиления близок к единице.

Рисунок 4.29 – Истоковый повторитель

Входное сопротивление истокового повторителя очень высокое и достигает сотен МОм. Во-первых, это связано с малой величиной входной емкости МДП-транзистора. Поскольку реактивное сопротивление этой емкости достаточно велико, то оно практически не шунтирует входную цепь каскада. Во-вторых, это обусловлено тем, что между затвором и истоком приложена разность напряжений Uзи = UвхUвых, которая невелика. Вследствие высокого входного сопротивления входной ток МДП-транзистора оказывается очень малым и мощность, отбираемая от генератора, невелика.

В каскаде с ОС действует 100% последовательная обратная связь по напряжению. Поэтому этот каскад обеспечивает хорошую стабильность коэффициента усиления.

Выходное сопротивление истокового повторителя, как правило, существенно меньше, чем у каскадов с общим истоком. Это следствие того, что обратная связь, повышая входное сопротивление, понижает выходное.

4.4.6 Амплитудная и амплитудно–частотная  характеристики резистивного усилителя

Важное значение для усилителя имеет амплитудная характеристика, отражающая зависимость амплитуды (действующего значения) выходного напряжения от амплитуды (действующего значения)  входного (рисунок 4.30). У идеального усилителя амплитудная характеристика – прямая линия, проходящая через начало координат. Угол ее наклона пропорционален коэффициенту усиления усилителя Кu. У реального усилителя она имеет изгиб и пересекает ось ординат в точке Uвых=Uш, определяющейся напряжением собственных шумов усилителя. Участок Uвх<Uвх мин не используется, так как усиливаемый сигнал здесь не различим на фоне внутренних шумов усилителя. Изгиб амплитудной характеристики при Uвх > Uвх макс характеризует появление искажений формы выходного напряжения.

Рисунок 4.30 – Амплитудная характеристика усилителя

Таким образом, без искажений усиливаются сигналы с  действующим значением  напряжения не выше Uвх макс и не ниже Uвх мин, отношение которых представляет динамический диапазон (дБ) входного сигнала.

Д,дБ = 20lg(Uвх макс /Uвх мин).                                    (4. 53  )

Динамический диапазон усилителя определяется из выражения

Д,дБ = 20lg(Uвых макс /Uвых мин).                                 (4. 54  )

           В практических схемах линейное усиление обеспечивается при сравнительно небольших амплитудах входного напряжения и выборе точки покоя на линейных участках входной и выходной характеристик. В этом случае имеет место линейная зависимость  между переменными токами базы iб1 и коллектора iк1, а также напряжениями uвх1 и uвых1 (см. штриховые линии на рисунке 4.31).

Если же амплитуда входного сигнала велика, то нелинейность статических характеристик приводит к искажениям формы выходного напряжения. Этому случаю соответствуют временные диаграммы токов и напряжений, изображенных на рисунке 4.31 сплошными линиями.

Рисунок 4.31 – Временные диаграммы токов и напряжений в цепях каскада с ОЭ при малом и большом уровнях входных сигналов: а – базовой; б – коллекторной

При поступлении отрицательной полуволны входного напряжения, когда значения амплитуды uвх2 больше напряжения базы покоя Uбп (заштрихованная область на рисунке 4.31, а), транзистор закрыт (режим отсечки), и токи базы iб2 и коллектора iк2 практически равны нулю. Рабочая точка на выходных характеристиках находится в положении 1 и напряжение uвых2 = Ек (рисунок 4.31, б). На интервале времени t1 происходит срез отрицательных полуволн токов iб2 и iк2 и положительной полуволны выходного напряжения uвых2.

При поступлении положительной полуволны входного напряжения линия нагрузки пересекает коллекторную характеристику на ее вертикальном участке в точке 2, где ток базы Iбнас максимален. Так как транзистор в этой точке находится в режиме насыщения, то дальнейшее увеличение тока базы практически не вызовет приращения тока коллектора. В этом случае на интервале t2 происходит уплощение положительной полуволны тока коллектора iк2 и отрицательной полуволны выходного напряжения uвых2 (рисунок 4.31,б).

Описанные искажения формы выходного напряжения относятся к нелинейным. Уровень нелинейных искажений усиливаемого сигнала оценивают коэффициентом гармоник (коэффициентом нелинейных искажений)

,           (4.55)   

где P1, P2, …, Pn; U1, U2, …, Un; I1, I2, …, In – мощности, напряжения и токи соответственно 1-й, 2-й, ..., n-й гармонических составляющих выходного сигнала.

Нелинейные искажения в отличие от линейных сопровождаются появлением на выходах усилителей новых, паразитных гармонических составляющих в спектре усиленного сигнала, частоты которых кратны частотам входного сигнала. Однако (и это принципиально) если линейные искажения влияют на качество передачи информации только в «своем» радиоканале, то нелинейные искажения, кроме того, могут исказить информацию, передаваемую по другим каналам. Дело в том, что возникающие при нелинейных искажениях высшие гармоники одного передаваемого сигнала могут попадать в спектры других сигналов и искажать их. В общем случае коэффициент гармоник электронного усилителя не должен превышать 1...5%. Современные высококачественные усилители звука имеют коэффициент гармоник менее одного процента.

В схеме, приведенной на рисунке 4.21, имеются частотно - зависимые элементы. Это конденсатор С2, конденсатор, образованный входной емкостью следующего каскада Свх.след.(на рисунке 4.21 не показан), а также конденсаторы, образованные емкостью монтажа С Эквивалентная схема усилительного каскада, изображенная на рисунке 4.21, с учетом частотно–зависимых элементов приведена на рисунке 4.32.

Рисунок 4.32 – Эквивалентная схема усилительного каскада с учетом частотно–зависимых элементов

Общая емкость С0 (на схеме не показана) равна

С0выхмвх след.                                                     (4.56   )

и включена параллельно сопротивлению Rн.

С учетом емкости Со и С2 при постоянной амплитуде напряжения на входе напряжение на выходе Uвых зависит от частоты входного напряжения, т.е. коэффициент усиления каскада зависит от частоты. Эта графически выраженная зависимость коэффициента усиления каскада от частоты входного сигнала и есть амплитудно-частотная характеристика.

При уменьшении частоты сигнала сопротивление конденсатора С2 увеличивается, падение напряжения на нем возрастает. В результате напряжение на выходе Uвых уменьшается. Поэтому с понижением частоты коэффициент усиления каскада уменьшается.

На высоких частотах проявляется шунтирующее действие емкости Со. С повышением частоты  входного сигнала сопротивление емкости Со уменьшается, а следовательно, и падение напряжения сигнала на нагрузке уменьшается. Поэтому с повышением частоты коэффициент усиления каскада уменьшается.

В области средних частот потери напряжения на конденсаторе С2 невелики.

Для того, чтобы коэффициент усиления резисторного каскада в рабочем диапазоне частот оставался постоянным, емкость разделительного конденсатора С2 выбирают по возможности большей, а паразитную емкость С0 стремятся уменьшить.

Амплитудно–частотная характеристика резисторного каскада приведена на рисунке 4.33.

Рисунок 4.33 – Амплитудно–частотная характеристика резистивного каскада

4.4.7 Усилительные   каскады с  трансформаторной   связью

Усилительные каскады с трансформаторной связью применяют тогда, когда требуется оптимальное согласование сопротивления нагрузки и выходного сопротивления усилительного  каскада.

Такие усилительные каскады сравнительно дороги, имеют худшие частотные характеристики по сравнению с бестрансформаторными каскадами, вносят повышенные нелинейные искажения, имеют значительные массу и габариты. Однако при необходимости обеспечить гальваническую развязку частей усилителя или при получении в нагрузке максимальной мощности, а соответственно и максимального коэффициента усиления по мощности, обойтись без трансформаторной связи пока не удается. Максимальная передача мощности от источника сигнала в нагрузку имеет место при равенстве их сопротивлений[3]. Поэтому если Rг и Rн различны по значению, то их согласуют с помощью трансформатора, для которого  в  идеальном  случае справедливы  соотношения

R'н = Rн/ n2;  R'г = Rгn2;  n=w2/w1,                                   (4.57)

где R'н и R'г -соответственно сопротивление нагрузки, пересчитанное в первичную обмотку трансформатора, и сопротивление генератора, пересчитанное во вторичную обмотку;

      w2 и w1числа витков вторичной и первичной обмоток трансформатора.

Так как в режиме оптимального согласования необходимо соблюдение  соотношений

R'н = Rг;     R'г= Rн,                                                       (4.58  )

то коэффициент трансформации для оптимального согласования

;                                                                          (4. 59 )

           В усилительных каскадах возможно параллельное и последовательное включение обмоток трансформаторов с транзисторами. При последовательном включении — обмотку трансформатора включают в соответствующую цепь вместо нагрузочного сопротивления, и через нее протекает и постоянный и переменный токи (рисунок 4.34, а). Постоянный ток создает постоянный   магнитный   поток   подмагничивания. При   параллельном включении трансформатор подключают параллельно соответствующему сопротивлению в цепи коллектора через конденсатор (рисунок 4.34, б). В этом случае через обмотки трансформатора постоянный ток не протекает и подмагничивание  магнитного  сердечника  отсутствует.

                                                а)                                                        б)

Рисунок 4.34 - Схемы   трансформаторных  каскадов:

а) с последовательным включением трансформаторов, б) с параллельным включением трансформаторов

                Особенностью транзисторных каскадов с трансформаторной связью является то, что согласующий трансформатор должен быть, как правило, понижающим. Действительно, если рассмотреть усилительный каскад с параллельным включением трансформатора, то RвыхRк и если нагрузкой Rн является входная цепь каскада с общим эмиттером, имеющая входное сопротивление

                                  Rвх h11э,   то   ;                                            (4.60)

Учитывая, что значение Rк составляет несколько кОм, нетрудно  подсчитать,  что  обычно  п<1  (порядка  0,25—0,5).

Следует отметить, что с развитием микроэлектроники применение трансформаторов для согласования каскадов практически прекратилось. Это связано с отсутствием микроминиатюрных трансформаторов. Однако при создании высокочастотных избирательных усилителей трансформаторное согласование используется достаточно широко. В этих случаях первичная 1 или вторичная 2 или обе одновременно обмотки трансформатора исполняют роль резонансных LC-контуров (рисунок 4.35, а, б). Эквивалентное сопротивление, включенное в цепь коллектора, зависит от частоты сигнала.

Рисунок 4.35 - Схемы избирательных усилителей (а, б), их амплитудно-частотная   характеристика  (в)

Соответственно изменяется коэффициент усиления каскада, который достигает максимума на резонансной частоте (рисунок 4.35, в). Для уменьшения влияния выходного сопротивления каскада на добротность контура коллекторную цепь часто подключают только к части витков. Вторичная обмотка 2 обеспечивает трансформаторную связь контура с нагрузкой (рисунок 4.35, а). Для улучшения избирательности ее иногда также ставят в режим резонансного LC-контура, к которому подключают сопротивление нагрузки (рисунок 4.35,б). В отдельных случаях создают систему индуктивно связанных резонансных контуров, частоты резонансов которых различаются между собой. Это позволяет обеспечить усиление сигналов, лежащих в полосе частот, ширина которой зависит от расстройки контуров.

Таким образом, трансформаторную связь между каскадами применяют для гальванической развязки частей усилителя, при получении максимального усиления по мощности, оптимальном согласовании сопротивлений генератора и нагрузки.

           

    4.4.8 Многокаскадные усилители

           Усилительные каскады, рассмотренные в предыдущих разделах, имеют

ограниченный коэффициент усиления, зависящий от параметров транзисторов и других компонентов схемы. Эти одиночные каскады, как правило, не в состоянии обеспечить требуемый коэффициент усиления. Поэтому строят многокаскадные усилители, представляющие последовательное соединение одиночных усилительных каскадов (рисунок 4.36). В настоящее время промышленность освоила выпуск интегральных многокаскадных усилителей различного назначения. Они являются готовыми функциональными узлами с известными параметрами. Комбинируя и соединяя их между собой соответствующим образом, реализуют многокаскадные усилители, имеющие требуемые параметры и характеристики преобразования.

        

         Рисунок 4.36– Многокаскадный усилитель

        Можно выделить следующие типы связи между микросхемам и отдельными усилительными каскадами: гальваническую (непосредственную); емкостную (с  помощью RС-цепочек); трансформаторную; с помощью частотно-зависимых цепей; оптронную.

             Для сравнительно низкочастотных усилителей чаще всего используют первый и второй тип связи. Третий применяют реже из-за больших габаритовтрансформаторов, невозможности их микроминиатюризации, высокой стоимости,сложности изготовления, повышенных нелинейных искажений. Однако трансформаторная связь успешно может быть использована при необходимости получить максимальное усиление но мощности. Четвертый тип используют при создании избирательных усилителей, а пятый применяется сравнительно редко, только   в  специальных  случаях,   когда  при   низкой рабочей частоте требуется хорошая гальваническая развязка между каскадами.

           При проектировании многокаскадных усилителей, к которым не предъявляются специальные требования, обычно необходимо знать выходную мощность усилителя Рн, выходное напряжение Uн, сопротивление нагрузки Rн, допустимый коэффициент гармоник Кг, рабочий диапазон частот fн и fв , нормированный коэффициент усиления на низшей и высшей частотах, входное напряжение Uвх, внутреннее сопротивление  источника питания Rист . 

             При создании различных преобразовательных устройств на основе многокаскадных усилителей надо знать также значения входного и выходного сопротивлений, максимально допустимый фазовый сдвиг выходного сигнала в рабочем диапазоне частот, допустимую нестабильность коэффициента усиления и т.д.

             Проектирование многокаскадного усилителя рекомендуется начинать с выбора его структурной схемы и выбора микросхем, входящих в нее, с учетом требований, предъявляемых к усилителю. При этом решают вопрос о том, обеспечивают ли выбранные микросхемы получение требуемых параметров у усилителя или нужны дополнительные входные и выходные устройства.

                 Если готовый интегральный усилитель может быть использован для реализаций усилителя с требуемыми параметрами, то его надо вводить в состав структуры усилителя, а специфические требования удовлетворять за счет введения ОС соответствующего вида. Иногда приходится дополнительно вводить мощный выходной каскад, а также входной каскад с высоким или очень малым входным сопротивлением. И только если из-за требований, предъявляемых к характеристикам преобразования, усилитель нельзя выполнить из набора готовых интегральных микросхем, его проектируют на дискретных компонентах.

Порядок разработки принципиальной схемы во многом зависит от требований, предъявляемых к усилительному устройству. Если задано определенное значение входного сопротивления, то в первую очередь следует определить, каким путем оно будет получено, и исходя из этого проектировать входное устройство и остальную часть усилителя. Если заданы выходная мощность и выходное сопротивление усилителя, то проектирование следует начинать с выходного каскада, а затем переходить к проектированию остальной части. Если определенные требования предъявляют как к входной, так и к выходной частям усилителя, то сначала решаются вопросы реализации входного и выходного каскадов, а потом проектируют частьусилителя, связывающую их.

Исходя из допустимой нестабильности коэффициента усиления  и  получения  требуемых  параметров  сразу  же  должен быть решен вопрос о виде ОС и ее глубине. Так как с введением ОС коэффициент усиления  Kос уменьшается, то это должно быть учтено при выборе количества интегральных микросхем. При этом приходится (априори или на основе статистических данных и рекомендаций) задаваться возможным изменением коэффициента усиления K усилителя без ОС и исходя из общего выражения общего выражения ^

                          dKос/Kос  dK/K(1+ K) - d/ .                                                 (4.61)                

 

определять петлевое усиление. 

Если считать параметры цепи ОС стабильными, то d  (β–коэффициент передачи петли ОС) и ориентировочная глубина обратной связи определяется из

                                 K≈( dK/K/ dKос/Kос)-1.                                        (4.62)                                                        

           Если коэффициент усиления усилителя без ОС может изменяться примерно на 50% (dK/K~0,5) и при этом требуется, чтобы при введении цепи ОС коэффициент усиления усилителя не изменялся более чем на 0,5% (dKос/Kос  = 0,005), то при d 0 необходимое петлевое усиление K = 99.

           При заданном значении Kос и найденной глубине обратной связи определяют

коэффициэнт  усиления усилителя с разомкнутой цепью ОС: 

                              K= Kос(1+ K ) .                                                   (4.63)

Решив вопрос о структуре усилителя, количестве микросхем, используемых в нем, виде и глубине ОС, составляют ориентировочную принципиальную схему. При этом следят, чтобы входное сопротивление последующей микросхемы было больше или равно минимально допустимому сопротивлению нагрузки предыдущей. Сопротивление нагрузки в том или ином виде задают в технических условиях на  микросхему .

Кроме того при непосредственной связи между микросхемами необходимо согласовывать уровни выходного сигнала предыдущей микросхемы с допустимым входным сигналом последующей. При этом следует предусматривать цепи, обеспечивающие защиту входных цепей микросхемы от возможных аварийных изменений входного сигнала.В качестве таких цепей часто используют два включенных параллельно и встречно диода. Сопротивление их велико до тех пор, пока входное напряжение не превышает контактную разность потенциалов у р-п-перехода 0,2—0,4 В. До этогоуровня они не влияют на входной сигнал. При дальнейшем увеличении входного напряжения диоды открываются и ограничивают сигнал на входе микросхемы значениями 0,2—0,4 В, что, как правило, допустимо для всех микросхем. Цепи защиты являются обязательными для тех микросхем, у которых допустимое входное напряжение меньше максимального выходного напряжения предыдущей микросхемы.

        Частотные искажения, вносимые каждой интегральной схемой в диапазоне высоких частот, известны из паспортных данных или могут быть определен экспериментально. Результирующее усиление усилителя находит как произведение соответствующих коэффициентов отдельных микросхем:

       Ку = КВХК1× ×К2К3...Кn ,                                          (4.65)

 

где Квх — коэффициент передачи напряжения входной цепи;

   К1, К2, К3... Кn — коэффициенты усиления первого, второго, третьего и последующих каскадов усиления.

Коэффициент усиления многокаскадного усилителя, выраженный   в  децибелах,   определяется:  

             Ку [дБ] = Kвх [дБ] + K1[дБ]+ К2 [дБ] + ...+Кn [дБ].                     (4.66)

           Мерой частотных искажений, которые вносит каскад усиления на данной частоте f, является коэффициент частотных искажений М, равный отношению модулей коэффициентов усиления на средней и данной рабочих частотах: М = К0 /Кf , где К0 — коэффициент усиления на средней рабочей частоте; Кfкоэффициент усиления на данной рабочей частоте.

Для многокаскадного усилителя в относительных единицах коэффициент частотных искажений определится произведением коэффициентов частотных искажений отдельных каскадов: Мувх × ×M1M2M3... Мп , а в децибелах — суммой коэффициентов частотных искажений: Му [дБ] =МВХ   [дБ]+M1 [дБ]+ М2 [дБ] + М3[дБ]+ ... п  [дБ].

         Частотные искажения в диапазоне низких частот, как правило, обусловлены влиянием цепей связи между микросхемами. Если в структуре усилителя имеется трансформатор, то считают, что основные искажения вносятся им. 

         В зависимости от особенностей усилителя частотные искажения между цепями связи распределяют равномерно   или неравномерно.    При  равномерном распределении   частотные искажения каждой цепи связи определяют из выражения

                                                  М12=…Мn=(4.67)

 Нелинейные искажения в усилителе оцениваются значением коэффициента гармоник многокаскадного усилителя, который приблизительно определяется выражением                                   где КГ2, КГ3,,KГ4 — коэффициенты гармоник, вносимые отдельными каскадами усиления.

Так как амплитуда сигнала на входе последнего каскада усиления наибольшая, то искажения вносит в основном оконечный каскад усиления. Это обусловлено тем, что наибольшие нелинейные искажения возникают при больших уровнях усиливаемого сигнала, когда начинают сказываться нелинейности характеристик транзисторов. В микросхемах, работающих с малыми выходными сигналами, нелинейные искажения в первом приближении можно не учитывать. Поэтому в ряде случаев для упрощения расчетов определяют искажения, вносимые   только оконечным   каскадом:К г.уКу.ок .

             Определив число микросхем, их тип, составив принципиальную схему и распределив искажения между цепями связи микросхем, переходят к электрическому расчету параметров цепей связи между микросхемами и цепей, обеспечивающих требуемую глубину ОС. При наличии дискретных усилительных каскадов проводят полный расчет последних.

При выборе параметров цепей связи микросхем необходимо учитывать как выходное сопротивление предыдущей микросхемы, так и входное сопротивление последующей. Так, если микросхемы соединены между собой с помощью RC-цепи (рисунок 4.37), то коэффициент передачи

                К()=Rэкв/( Rэкв+Rвых+1/jωC),                                                     (4.68)

где Rвх, RBbIX — входное и выходное сопротивления микросхем;

   Rэкв=RRвх.

     В диапазоне рабочих частот для устранения частотной зависимости  коэффициента передачи от параметров цепи связи необходимо, чтобы выполнялось неравенство

              Rэкв+Rвых1/jωC .                                                (4.69)                  

Рисунок 4.37–Соединение микросхем между собой с помощью RC-цепи

Тогда коэффициент передачи цепи междукаскадной связи в рабочей полосе  частот  

                   К=Rэкв/( Rэкв+Rвых).                                                                     (4.70)

Коэффициэнт частотных искажений на нижней рабочей частоте, заданный для данной цепи связи,

           М= |К|/| К() |=|( Rэкв+Rвых+1/jωC)) | /( Rэкв+Rвых).                                (4.71)        

          Один из элементов цепи связи (чаще всего R) задают исходя из требований, не связанных с частотными искажениями, например, для обеспечения требуемого входного сопротивления или допустимого падения напряжения, вызванного входным током  и т. д. Другой элемент определяют с помощью уравнения (4.71).       
           По окончании расчетов всех элементов определяют результирующие параметры и характеристики усилителя (в том числе коэффициент шума). После чего собирают его макет ,проводят настройку и испытание. В случае несложных усилителей с малым количеством микросхем, где получение положительного результата очевидно, этапы макетирования и настройки отсутствуют. В этом большое преимущество конструкций, созданных на основе микросхем с заранее известными параметрами перед усилителями, выполненными на дискретных компонентах.
 

          Коэффициент шума усилителя определяется:                                                                                           

                                                                                                (4.72)

где KPвх и Kp1 — коэффициенты передачи и усиления мощности входного устройства и первого каскада усиления соответственно;

Кш1, Кш2 коэффициенты шума отдельных каскадов.

Значения коэффициентов шума отдельных каскадов зависят от типа используемого усилительного элемента, его температуры и режима работы.

Следует отметить, что при введении в усилитель глубокой ООС возникает опасность самовозбуждения усилителя. Самовозбуждение может произойти из-за того, что на определенных частотах реактивными элементами цепи обратной связи вносится дополнительный фазовый сдвиг и фаза входного напряжения усилителя UBX совпадает с фазой напряжения на выходе цепи обратной связи Uо.с . В этом случае коэффициент усиления усилителя с положительной обратной связью

                                  К.о.с.=   .                                                               (4.73)

                  

           Таким образом , при положительной обратной связи коэффициент усиления усилителя увеличивается. Произведение  βК   изменяется от 0 до 1, поэтому К.о.с. > К , но имеет конечное значение. При значениях βК  близких к единице, коэффициент усиления К.о.с. > К  стремится к бесконечности и на выходе усилителя будут существовать колебания даже при отсутствии полезного входного сигнала.

Источником выходного напряжения усилителя в этом случае будет напряжение тепловых шумов с непрерывным частотным спектром, которое всегда имеется на входе усилителя. Усилитель самовозбуждается, превращаясь в генератор. Для усилителя такой режим недопустим.

 В многокаскадных усилителях через общие цепи питания, емкости монтажа, паразитные индуктивности могут возникать внутренние обратные связи, для которых на какой-нибудь частоте выполняется соотношение (4.73). Это приводит к ухудшению характеристик усилителя и в некоторых случаях — к его самовозбуждению. Подобные обратные связи называют паразитными. Тщательный монтаж, использование корректирующих цепочек, развязывающих фильтров и другие меры позволяют свести паразитные обратные связи к минимуму.

           4.4.7 Методика расчета каскада предварительного усиления с ОЭ

Исходные данные для расчёта каскада предварительного усиления: Рвых; Rн; fн;

1. Предварительный выбор транзистора

1.1. Определяется амплитуда тока нагрузки (Iнm):

Рвых = 0,5Um выхIнm= 0,5UкэmIнm = 0,5I2нm Rн .

.

1.2. Определяется амплитуда тока коллектора (Iкm):

.

.

.

На практике Rк = (0,2…0,4)Rн , поэтому амплитуда тока коллектора составляет:

.

1.3. Определяется постоянная составляющая тока коллектора:

На практике .

Увеличение постоянной составляющей тока коллектора ведет к увеличению потребляемой мощности от источника питания и к снижению КПД.

Уменьшение постоянной составляющей тока коллектора ведет к увеличению нелинейных искажений.

1.4. Определяется допустимый (предельный) ток коллектора (Iк доп (пред)):

.

1.5. Определяется  амплитуда  выходного напряжения Uвых m = Uкэm:

.

.

1.6. Определяется постоянная составляющая коллекторного напряжения (Uкэп):

Uкэп = (1,2…1,4)Uкэm .

Пределы выбраны из условия исключения режимов насыщения и отсечки, т.е. исключения нелинейных искажений.

1.7. Определяется напряжение источника питания коллекторной цепи транзистора Ек.

;

1.8. Определяется допустимое (предельное) напряжение между коллектором и эмиттером(Uкэ доп (пред)):

.

По значению Iк доп и Uкэ доп  осуществляется предварительный выбор транзистора с использованием справочной литературы.

2.Определение положения  рабочей точки на выходных статических характеристиках транзистора

2.1. Производится построение нагрузочной прямой по постоянному току в соответствии со вторым законом Кигхгофа для выходной цепи:

Ек = Uкэ + Iк (Rэ+Rк );

Первая точка соответствует режиму холостого хода:

Uкэ = Ек ,  Iк = 0.

Вторая точка соответствует режиму короткого замыкания:

Uкэ = 0 ,  Iкз = .

Для нахождения Rэ, по найденным UкэП и IкП (см. п.1.3, п.1.6) находят координаты рабочей точки П на статических выходных характеристиках транзистора. Проводится статическая линия нагрузки из точки 1 через точку П до пересечения с осью ординат. Точка пересечения и есть Iкз. Тогда

.

2.2. Для определения параметров усилителя в динамическом режиме (при наличии входного сигнала) производится построение нагрузочной прямой по переменному току.

Поскольку в режиме усиления входного сигнала токи и напряжения транзистора состоят из постоянных и переменных составляющих, то линия нагрузки по переменному току тоже пройдет через  точку покоя П и, поскольку Rкн < Rк , то линия будет находится под углом γн большим, чем угол γ, образованный статической линией нагрузки с осью абсцисс (см. рисунок 4.22). Поэтому для построения динамической линии нагрузки на оси абсцисс отмечается точка 3, где формально напряжение равно сумме:

.

Через точку 3 и точку покоя П проводится штриховая  динамическая линия нагрузки.

2.3. Уточняется сопротивление Rк и положение рабочей точки П, которая должна находиться на пересечении нагрузочной прямой по постоянному току с серединой нагрузочной прямой по переменному току. Это достигается варьированием (изменением)  сопротивления Rк и величины напряжения источника питания Ек без превышения напряжения Uкэ доп.

2.4. Определяется ток базы покоя IбП  и границы рабочего участка на нагрузочной прямой по переменному току. Ток IбП определяется по выходной характеристике, на которой находится рабочая точка (выходная характеристика строится при конкретном постоянном токе базы).

Если точка покоя П находится между выходными характеристиками, то необходимо самостоятельно провести выходную характеристику через рабочую точку П и определить IбП..

Рабочий участок на динамической нагрузочной характеристике определяется по размаху выходного напряжения 2Um вых = 2Uкэ m .

Для этого на оси абсцисс отмечаются точки, соответствующие напряжениям Uкэп+Uкэm и Uкэп-Uкэm. Из этих точек проводятся перпендикулярные отрезки до пересечения их с динамической линией нагрузки (см. рисунок 4.22). Отрезок прямой между точками пересечения и есть рабочий участок.

2.5. Определяется положение рабочей точки и границы рабочего участка на входной статической характеристике транзистора, построенной при Uкэ = UкэП.

Положение рабочей точки на входной характеристике, построенной при Uкэ = UкэП определяется по значению IбП, которое откладывается на оси ординат. Из точки, соответствующей IбП, проводится перпендикулярный отрезок до пересечения со входной характеристикой. Точка пересечения и есть рабочая точка (точка покоя) П. На оси ординат откладываются токи базы Iб1, Iб2, соответствующие границам рабочего участка на выходных характеристиках. Из точек, соответствующих точкам Iб1 и Iб2, проводят перпендикулярные отрезки до пересечения со входной характеристикой. Точки пересечения определяют границы рабочего участка на входной характеристике.

Если семейство входных характеристик не имеет значения  UкэП , то необходимо взять для построений характеристику, построенную при значении Uкэ наиболее близком к UкэП.

Опустив перпендикуляр из точки покоя П на ось абсцисс, определяется напряжение UбэП.

2.6. По размерам рабочих участков определяются амплитуды входных и выходных токов и напряжений. Зарисовываются входные и выходные переменные напряжения и токи (см. рисунок 4.22), рассчитываются параметры усилителя: Rвх,  Rвых,  Ku ,  Ki , Kр через амплитуды входных и выходных напряжений и токов(cм. тему 2.3).

3.Определение сопротивлений базового делителя

;

;

.

Ток делителя выбирается из условия Iд = (5…10)∙IбП .

;

4.Определение  емкостей конденсаторов С1 , С2, Сэ, Сбл.

;    ;

;    .


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

67056. Я – СОЦІАЛЬНИЙ ПРАЦІВНИК 80 KB
  Мета проведення: навчальна: перевірити рівень знань студентів випускних груп зі спец предметів; розвиваюча: розвивати пізнавальні інтереси до предметів професійної спрямованості, логічне мислення, моторику, пам’ять, увагу, повагу до майбутньої професії...
67057. «Квіткова година» (Інтелектуальна гра для дітей 6-7 років) 156.5 KB
  Мета. Активізувати та систематизувати знання учнів, розвивати комунікативні уміння, виховувати вміння працювати в команді, відстоювати свою думку, коректне ставлення до опонентів, розвивати кмітливість, логічне мислення.
67058. А МИ ЦЕ ВИВЧАЛИ! 161 KB
  Обладнання: заготовки питань мовознавчого характеру на три команди по 10 на кожну; ребуси чайнворд речення для редагування і з допущеними орфографічними та пунктуаційними помилками; можна використати комп’ютер і проектор щоб демонструвати деякі завдання на екран.
67059. Інтелектуальна гра «Я люблю Україну» 62 KB
  Багата й різноманітна творчість нашого народу. З вікових глибин зринає перед нами фантастичний світ казок. Загадкам властива насамперед метафоричність, що ґрунтується на спостереженнях над природою та побутом, а також стислість і чіткість викладу. Отже, загадки - це стислі поетичні твори, в основі яких лежить метафоричне запитання...
67060. ІНТЕЛЕКТУАЛЬНА ГРА З УКРАЇНСЬКОЇ МОВИ 51.5 KB
  На дошці відповідне оформлення. Заходячи до класу, учні беруть з коробки по одному жетону червоного, синього або жовтого кольору. Відповідно до кольору жетона, кожен гравець займає своє місце за ігровим столом, на якому розміщені назви команд: «Жовті» «Сині» «Червоні».
67061. Создание анимационного стенда для изучения физических процессов вращения тороида 1.98 MB
  Целью курсовой работы является разработка модели физических процессов. Используя существующий физический аппарат, разработать программу, которая позволяет в реальном масштабе времени наблюдать на экране заранее определённый физический процесс с возможностью изменения начальных условий.
67062. Закріплення знань про звукові значення букви «ц». Опрацювання тексту «Циркова залізниця» 46 KB
  Мета. Закріпити знання дітей про звукове значення літери «ц», формувати навички читання тексту; розвивати мовлення учнів, розвивати вміння відповідати на запитання поширеними реченнями, самостійно ставити питання за змістом прочитаного; виховувати почуття доброзичливості.
67063. Інтелектуальна гра з інформатики «Найрозумніший» 169.5 KB
  Представлення учасників А допомагати у проведенні конкурсу нам буде шановане журі представлення журі Розпочинаємо І тур. Журі стежить за відповідями учасників та веде підрахунки. У випадку невизначеності учасників ІІ туру задаються додаткові питання.
67064. Урок навчання грамоти «В гості прийшла білосніжна зима» 138.5 KB
  Мета: закріплювати в учнів уміння читати слова і текст з вивченими буквами методами ейдетики; розвивати фонематичний слух, спостережливість, увагу, логічне мислення, пам’ять, творчу фантазію; виховувати любов до природи, до тварин. Обладнання: ілюстрації зими, магнітофонний запис, сніжинки, малюнки різних тварин, таблиці складів, роздатковий матеріал.