Усилительный каскад по схеме с общей базой

Анализ работы усилительного каскада с общей базой по входным и выходным характеристикам проводится аналогично анализу работы каскада с ОЭ.

В следствие этого схема с ОБ, в отличие от схемы с ОЭ, не инвертирует входной сигнал. Выходные характеристики транзистора в схеме с ОБ более линейны, чем в схеме с ОЭ, поэтому нелинейные искажения в каскаде с ОБ меньше, чем в каскаде с ОЭ.

Принципиальная схема усилителя с ОБ по постоянному току полностью эквивалентна рассмотренной ранее схеме с эмиттерной стабилизацией. Отличие состоит в том, что режим ОБ по переменному току в этой схеме реализуется конденсатором Cб. В эквивалентной схеме Сб шунтирует параллельно включенные сопротивления R1 и R2, обозначенные как Rб и, как и для схемы ОЭ, эти элементы можно не учитывать при анализе в области средних частот.

 

Из эквивалентной схемы можно получить следующие соотношения:

1) Коэффициент усиления по напряжению определяется как отношение амплитуды выходного сигнала к амплитуде входного сигнала и приводится к виду

( 2.69)

Коэффициент усиления по напряжению каскада с ОБ существенно зависит от сопротивления нагрузки и внутреннего сопротивления источника сигнала. При Rг →0 и достаточно большом Rн коэффициент усиления по напряжению каскада ОБ приближается к величине KU каскада ОЭ. Если же использовать последовательное соединение нескольких каскадов с ОБ, то нагрузкой предыдущего каскада является очень малое входное сопротивление последующего каскада, в связи с этим получить большой коэффициент по напряжению не удается.

2) Входное сопротивление каскада определяется как параллельное соединение Rэ и входного сопротивления транзистора

Rвх = Rэ || [rэ + (1− h21б)rб ]. ( 2.70)

Где и определяется, как и ранее из эквивалентной схемы замещения транзистора.

Величина входного сопротивления каскада определяется преимущественно сопротивлением эмиттерной области транзистора rэ и составляет десятки Ом (10…50 Ом).

3)Выходное сопротивление каскада с ОБ определяется как и у каскада с ОЭ сопротивлением резистора Rк. При небольшом его значении Rк << rк...

Rвых = Rк ( 2.71)

и составляет единицы–десятки килоом. Если Rк соизмеримо с rк, то

Rвых = Rк || rк.

4) Коэффициент усиления по току в схеме с ОБ меньше единицы. Порядок расчета такой же как в схеме с ОЭ. Выходной сигнал Iк = h21бIэ. ( 2.72)

Входной сигнал поступает непосредственно в цепь эмиттера транзистора, поэтому усиление по току меньше единицы и определяется выражением ( 2.73)

Коэффициент частотных искажений для области НЧ в каскаде ОБ определяется влиянием разделительных конденсаторов Ср1, Ср2 и рассчитывается по тем же формулам, что и для схемы с ОЭ. Общий коэффициент равен Ср1 Ср2 Mн = Mн +Mн [дБ]. Наибольшие частотные искажения вносятся входной цепью ибо Rвх Rвых ОБ <<, где Rвых – выходное сопротивление предыдущего каскада.

Коэффициент частотных искажений в области ВЧ определяется как и в схеме ОЭ, и он значительно меньше, чем в каскаде с ОЭ. Каскад с ОБ характеризуется: малым входным сопротивлением (десятки Ом); относительно высоким выходным сопротивлением (единицы–десятки кОм); коэффициентом усиления по току, меньшим единицы; коэффициентом усиления по напряжению, зависящим от сопротивления нагрузки; малыми нелинейными искажениями.

Усилительный каскад с общим коллектором (эмиттерный повторитель) Схема усилительного каскада с ОК приведена на рис. 3.10,а. Для схем с ОК коллектор через очень малое внутреннее сопротивление источ-ника питания по переменному сигналу (емкость источника питания вели-ка) соединен с землей, при этом вывод коллектора является общим для входной и выходной цепей усилителя. Резистор нагрузки включен в эмит-терную цепь.. При этом из схемы каскада с ОК можно увидеть, что Uвх=Uбэ+Uвых.

Поскольку для переменного тока сопротивление прямосмещенного перехода очень мало (единицы Ом), то выходное напряжение приблизи-тельно равно входному. В связи с этим каскад с ОК называют эмиттерным повторителем.

1. Коэффициент усиления по напряжению каскада с ОК относительно входного генератора равен

 

 

2) Коэффициент усиления по току равен

Анализ выражения показывает, что каскад с ОК имеет коэффициент

усиления по току больше, чем каскады с ОЭ и ОБ.

3) Входное сопротивление каскада ОК параллельным соединением резисторов R1, R2 и сопротивлением входной цепи транзистора rвх

соединением резисторов R1, R2 и сопротивлением входной цепи транзистора

Входное сопротивление цепи транзистора равно

Rвх=Uвх/Iб=rб+(1+h21э)(rэ+Rэ||R)

Очевидно,что сопротивление входной цепи транзистора rвх и входное сопротивление всего каскада с ОК больше чем в схеме с ОЭ и достигает 200…300 кОм.

Высокое входное сопротивление является одним из главных пре-имуществ каскада с ОК. Это требуется в случае применения каскада в качестве согласующего устройства при работе от источника входного сигнала с большим внутренним сопротивлением.

4 ) Выходное сопротивление каскада с ОК представляет собой со-противление схемы со стороны эмиттера и определяется

Выходное сопротивление каскада с ОК мало порядка десятков Ом (10…50 Ом) и сильно зависит от внутреннего сопротивления источника сигнала. Малое выходное сопротивление очень важно при использовании каскада в качестве согласующего устройства для работы на низкоомную нагрузку.

В целом усилитель с ОК характеризуется: высоким входным сопро-тивлением (порядка сотен килоом), зависящим от сопротивления нагрузки; низким выходным сопротивлением (порядка единиц Ом), зависящим от внутреннего сопротивления источника сигнала; высоким коэффициентом усиления по току; коэффициентом усиления по напряжению, меньшим

единицы; совпадением по фазе входного и выходного напряжений.

22. Виды обратных связей в усилителях и генераторах. Основные соотношения. Влияние отрицательной обратной связи на параметры и характеристики усилителей. Обратная связь-передача на вход усилителя усиленных колебаний с выхода усилителя. Эта передача определяется:

1) физическими свойствами и конструктивными особенностями усилительных нелинейных элементов - внутренняя; 2) внешними цепями, обеспечивающими передачу выходного напряжения усилителя на его вход – внешняя; 3) неудачным расположением и монтажом усилительных каскадов, когда паразитные емкостные и индуктивные связи создают путь для передачи колебаний с выхода на вход- паразитная. Обратную связь в усилителях используется для повышения стабильности величины усиления, изменения входного и выходного сопротивления, уровня линейных и нелинейных искажений, амплитудночастотных, передаточных характеристик и других параметров. Обратная связь может быть положительная (ПОС) или отрицательная (ООС). При ООС напряжение, поступающее ко входу усилителя по цепи обратной связи Uос и Uвх противофазны.

По способу получения сигнала обратные связи бывают:

– обратная связь по напряжению (рис4.2.,а), когда сигнал, поступающий на вход цепи обратной связи пропорционален выходному напряжению Uвых;

– ОС по току (рис.4.2.,б), когда сигнал обратной связи пропорционален току выходной цепи;

По способу введения напряжения ОС на вход усилителя обратные

связи бывают:

– последовательной (рис.,а)– напряжение ОС Uос поступает во входную

цепь последовательно с напряжением источника входного сигнала;

– параллельной (рис. 10.14,б) – напряжение ОС Uос поступает во

входную цепь параллельно с напряжением источника входного сигнала;

 

4.2 10.1

Структурные схемы усилителей с обратной связью

коэффициент передачи цепи ОС

Обратная связь в генераторах: при создании устройств контроля, измерения, автоматиза­ции зачастую используют генераторы с емкостной, индуктивной, оптической, акустической или биологической обратной связью.Генератор с оптической обратной связью на­чинает генерировать колебания при наличии оптической обрат­ной связи между излучателем света (светодиод) и фотоприемником — датчиком. Если ослабить глубину оптической обратной связи, поставив на пути между излучателем и приемником света полу­прозрачный экран, либо удалить приемник от излучателя, устрой­ство чутко отреагирует на это: частота генерации изменится, а то и вовсе прекратится. Такие устройства могут быть использованы для контроля расстояний, подсчете изделий на конвейере, для ин­дикации обрыва ленты магнитофона, в помощь слепым.

Влияние обратной отрицательной связи на параметры усилителя

Обратная связь, в особенности отрицательная, оказывает значительное воздействие практически на все основные параметры усилителя, существенно улучшая его свойства
1. Стабильность коэффициента усиления. Отношение: показывает, что относительное изменение коэффициента усиления при наличии отрицательной обратной связи в раз меньше, чем без обратной связи. Таким образом, отрицательная обратная связь оказывает стабилизирующее действие на работу усилителя, причем это воздействие тем выше, чем больше глубина обратной связи.

2. Полоса пропускания. Введение отрицательной обратной связи приводит к расширению полосы пропускания , а также уменьшает частотные и фазовые искажения в раз: 3. Входное сопротивление. Наличие последовательной отрицательной обратной связи по напряжению повышает входное сопротивление усилителя, при наличии параллельной ОС происходит снижение входного сопротивления за счет увеличения входного тока. 4. Выходное сопротивление. Выходное сопротивление усилителя без ОС При наличии обратной связи выходное сопротивление: ООС по напряжению уменьшает выходное сопротивление усилителя, при наличии ООС по току выходное сопротивление возрастает.

Усилители постоянного тока

Усилители постоянного тока (УПТ) в настоящее время чаще всего рассматриваются как широкополосные усилители с полосой частот, на­чинающейся от fн=0. Верхняя граница рабочей полосы частот у современ­ных интегральных усилителей может достигать величины в несколько ГГерц.

При построении УПТ необходимо учесть, что связь источника сигнала со входом усилителя и межкаскадные связи не могут быть осуществ­лены в УПТ с помощью реактивных элементов - конденсаторов и транс­форматоров, а только с использованием гальванической связи. Гальвани­ческой называют связь, осуществляемую с помощью элементов, обла­дающих проводимостью как на переменном, так и на постоянном токе. Элементами гальванической связи могут быть резисторы, диоды, провод­ники. Если используются проводники, то гальваническую связь называют непосредственной.

Особенностью УПТ является трудность обеспечения параметров ре­жима покоя каскадов. Параметры режима покоя каскада рассчитываются с учетом элементов, относящихся к выходной цепи предыдущего каскада и входной цепи последующего каскада. При выборе схемы каскада особое внимание уделяется обеспечению стабильности параметров режима покоя в отношении влияния всех дестабилизирующих факторов: изменение тем­пературы; изменение напряжения источников питания: изменение пара­метров окружающей среды (давление, влажность); старение элементов и др.

Основными способами уменьшения дрейфа нуля являются: применение глубоких отрицательных обратных связей; использование термо-компенсирующих элементов (резисторов, диодов, транзисторов); преобра­зование постоянного тока в переменный с последующим его преобразова­нием в постоянный; применение балансных (мостовых) схем и др. Для работы в диапазоне частот, начиная от постоянного тока. из схемы усилителя необходимо исключить все реактивные элементы. В ча­стности, при переходе к УПТ. схема с эмиттерной стабилизацией сохра­няет все сопротивления цепей смещения, т.е. элементы схемы температур­ной стабилизации. Но при этом коэффициент усиления ее резко уменьша­ется. так как нешунтированное емкостью сопротивление Rэ - сопротив­ление отрицательной обратной связи включается в цепь протекания по­лезного сигнала и увеличивает входное сопротивление, в соответствии с выражением

Rbx=R₁|| R₂ ||[r_б+(r_э + R_э)(1 + h21э)]

Коэффициент усиления в этом случае уменьшается до величины, равной 3-5.

 

24. Дифференциальный каскад. Параметры и характеристика ДУ.

Дифференциальный усилитель (ДУ) представляет симметричную схему с двумя входами и двумя выходами. Вход, обозначенный символом «+», называют неинвертирующим. Вход, обозначенный символом «–», называют инвертирующим. Поскольку схема имеет два выхода, в качестве выходного можно использовать напряжения Uвых1 и Uвых2, или их разность Uвых = Uвых1- Uвых2. В последнем случае выход дифференциального усилителя называют симметричным. Сигналы на входе дифференциального усилителя представляют в виде суммы дифференциальной и синфазной составляющих: Из последних равенств следует, что дифференциальный сигнал равен разности входных напряжений:

,а синфазный – их полусумме: Uсф =(Uвых1+Uвых1)/2. Важное свойство дифференциального усилителя заключается в том, что он усиливает дифференциальные и ослабляет синфазные составляющие сигнала. Одним из главных параметров дифференциального усилителя является коэффициент ослабления синфазного сигнала, который показывает, во сколько раз коэффициент усиления дифференциального сигнала больше коэффициента синфазного сигнала: Косс=Кд/Ксф. Дифференциальные усилители находят широкое применение в аналоговых интегральных схемах: операционных усилителях, аналоговых перемножителях, компараторах и т. д. Это объясняется следующими причинами.

Коэффициент усиления дифференциального сигнала

. Для симметричного выхода .

Коэффициент усиления синфазного сигнала

.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала

.

Для симметричного выхода напряжение синфазной составляющей , поэтому .
Входные сопротивления дифференциальных усилителей на биполярных транзисторах

Входное сопротивление для дифференциальной составляющей

.

Входное сопротивление для синфазной составляющей

.

Дифференциальные усилители находят широкое применение в электронике и измерительной технике при усилении слабых сигналов. ДУ являются важными функциональными узлами аналоговых интегральных схем.

 

Операционные усилители и их параметры. Примеры использования ОУ с обратной связью для реализации

Операционный усилитель (ОУ) - это усилитель постоянного тока с дифференциальным входом, характеристики которого близки к характеристикам так называемого “идеального усилителя. ОУ имеет большой коэффициент усиления по напряжению К>>1 (К=104...106), большое входное (Rвх=0.1...100 МОм) и малое выходное (Rвх=10...100 Ом) сопротивления. В линейных усилителях применяют ОУ только с цепями отрицательной обратной связи (ООС), которая уменьшает коэффициент усиления К по напряжению до 1...103, но одновременно с этим уменьшает зависимость К от температуры, напряжения питания, увеличивает Rвх.ус и уменьшается Rвых.ус. Применение ОУ в усилителях без цепей ООС недопустимо, так как увеличивается опасность нарушения устойчивости ОУ и усложняются цепи коррекции частотной характеристики в широкой полосе частот.

Основные параметры операционных усилителей

1. К – собственный коэффициент усиления ОУ (без обратной связи). Коэффициент усиления К равен отношению выходного напряжения к вызвавшему это приращение дифференциальному входному сигналу при отсутствии обратной связи (составляет 103…107) и определяется при

холостом ходе на выходе. К = Uвых/Uвх.д.

2. Uсдв - Выходное напряжение сдвига. Небольшое напряжение, возникающее из-за несимметрии плеч ОУ при нулевом напряжении на обоих входах. Обычно Uсдв имеет значение 10 - 100 мВ.

3. Iсм - Входной ток смещения. Ток на входах усилителя, необходимый для работы входного каскада операционного усилителя.

4. Iсдв - Входной ток сдвига. Разность токов смещения появляется вследствие неточного согласования входных транзисторов. сдв см1 см2 I = I − I.

5. Rвх - Входное сопротивление. Как правило, Rвх имеет значение до 1-10мегаом.

6. Rвых - Выходное сопротивление. Обычно Rвых не превосходит сотен Ом.

7. Косс - Коэффициент ослабления синфазного сигнала. Характеризует способность ослаблять сигналы, приложенные к обоим входам одновременно.

8. Ток потребления. Ток покоя, потребляемый операционным усилителем.

9. Потребляемая мощность. Мощность, рассеиваемая операционным усилителем.

10.Максимальная скорость нарастания выходного напряжения (В/мкс).

11. U пит. - Напряжение питания.

12.Переходная характеристика. Сигнал на выходе усилителя при подаче на его вход скачка напряжения.