Транзисторные каскады с активной нагрузкой.

Основа расчёта транзисторного каскада с активной нагрузкой есть расчет режима его работы по постоянному току, или, как его ещё называют, режим покоя усилительного каскада.

Рис.2.

 

 

На рис. 2 представлена схема типичного усилительного каскада, выполненного на биполярном транзисторе типа с включением транзистора с общим эмиттером.

Сначала из справочной литературы по заданной частоте усиливаемых колебаний выбирают тип транзистора. Кроме того, тип транзистора выбирают по допустимому току коллектора , напряжению , которое допускается приложить к переходу коллектор-эмиттер, и допустимой мощности . Мощность , рассеиваемая на коллекторном переходе транзистора должна быть меньше допустимой мощности транзистора ()*. Кривая предельно допустимой мощности представляет собой гиперболу. Рассчитаем её и построим на графике . Там же можно указать и предельно допустимые токи и напряжения транзистора (см. рис. 3).

Рис.3.

 

 

Далее, если провести из точки к кривой касательную, то её пересечение с осью ординат даст нам значение коллекторного тока, при котором при заданном мы не превысим . Тем не менее, чтобы не рисковать, найденное таким способом значение I_KЗ (при закороченном VT1) желательно ещё уменьшить, увеличив величину , чтобы наверняка уйти от касания кривой, ограничивающей область допустимых значений . Зададим рабочее значение в два раза меньшим, чем определенное нами значение .

Прямая линия, соединяющая точку на оси абсцисс и точку есть вольт-амперная характеристика коллекторной нагрузки . Она носит название нагрузочной прямой усилительного каскада.

На графике рис. 3 приведено семейство кривых, представляющее собой вольт-амперные характеристики транзистора в зависимости от тока базы . Для усиления знакопеременных сигналов рабочую точку РТ располагают на середине нагрузочной прямой подбором величины тока базы от делителя R1-R2. Такую точку называют точкой покоя РТ. Если на вход усилительного каскада будет подаваться переменное напряжение (например, синусоидальное), то на входе в цепи базы появится переменный ток , определяемый приложенным напряжением. Выходной коллекторный ток будет определяться таким значением тока, который получается в точке пересечения нагрузочной прямой с характеристикой транзистора для возникшего тока . Такая точка на нагрузочной прямой называется рабочей точкой. Рабочая точка перемещается вниз при отрицательной полуволне входного напряжения и вверх — при положительной. При отсутствии входного напряжения рабочая точка РТ должна находиться приблизительно посредине нагрузочной прямой (в середине между точками а и б на рис. 3). Для исключения искажений выходного сигнала необходимо, чтобы рабочая точка при перемещении вверх по линии нагрузки не заходила в область нелинейных начальных участков выходных характеристик (то есть далее точки а), а при перемещении вниз — в область начальных токов коллектора (то есть ниже точки б при ).

Займемся далее определением номиналов резисторов и конденсаторов, которые должны использоваться в схеме реального усилителя. Определение этих номиналов будем проводить приближённо, делая ряд допущений, которые будем оговаривать по мере их использования. Такая примерная оценка величин деталей оправдана ещё и потому, что промышленность изготавливает детали с определённым шагом по номиналам. Проектировщику приходится использовать в схемах в реальной ситуации не те номиналы, которые получены при расчётах схем, а ближайшие, которые выпускаются промышленностью. (Шкала номиналов резисторов и конденсаторов, выпускаемых промышленностью, представлена в приложении 1).

Определим коллекторную нагрузку для нашей нагрузочной прямой: . На самом деле, в соответствии с рис. 2, можно записать .

Известно, что , а так как =0,96¸0.99. то без особой погрешности можно считать, что , тогда

.

Для нагрузочной кривой (точка а) возможен режим, когда транзистор VT1 полностью открыт, тогда и, следовательно,

.

В первом приближении для оценочных расчетов слагаемым можно пренебречь. Слагаемое определяет температурную стабильность усилительного каскада. Чем выше значение , тем больше глубина отрицательной обратной связи по постоянному току в усилителе и выше температурная стабильность каскада. На практике выбирают равной . Соответственно, определяют как

.

Пребывание рабочей точки РТ в середине нагрузочной прямой определяется током базы и, соответственно, напряжением . Значение в схеме на рис. 2 задаётся с помощью делителя R1-R2, включённого между нулевым проводом и источником питания . Для того, чтобы ток базы не сильно влиял на напряжение, приложенное к базе, желательно выполнение соотношения . Однако, если сделать делитель R1-R2 низкоомным, это приведет к значительному потреблению тока от источника питания. На практике оказывается приемлемым, чтобы . Известно, что коэффициент усиления , следовательно, можно положить равным . Значение берётся из справочника (минимальное). Для вычислений и можно воспользоваться соотношениями, следующими из рис 2:

, ,

Из рис. 2, также следует, что , тогда

.

Как было показано выше, выбирается как ; величина же напряжения на базе относительно эмиттера для кремниевых транзисторов в режиме отсутствия входного сигнала выбирается, примерно, равной В. Это соответствует положению рабочей точки, примерно, на середине нагрузочной прямой.

При появлении переменного по напряжению сигнала на входе усилительного каскада напряжение на эмиттере может измениться. Это, в свою очередь, приведёт к появлению отрицательной обратной связи по току и сильному уменьшению — коэффициенту усиления каскада, т.к. . Чтобы этого не произошло, резистор R_Э шунтируют конденсатором C_Э, который пропускает через себя, практически не оказывая сопротивления, переменную составляющую __. Величину ёмкости выбирают из условия , где — круговая частота усиливаемого сигнала. Для регулировки коэффициента усиления полезно резистор R_Э иметь регулируемым и шунтировать конденсатором C_Э только нижнюю часть R_Э (рис.2), а изменяя величину верхней части сопротивления R_Э¹ можно регулировать коэффициент усиления. Наибольший коэффициент усиления имеет место при R_Э¹=0. В этом случае , где: — сопротивление в цепи коллектора; — внутреннее сопротивление эмиттера транзистора (обычно величина Ом).

Если Ом и Ом, то , а если включить R_э¹=15 Ом, то , при R¹_э=75 Ом .

Аналогичным образом выбирается и величина ёмкости 1в базовой цепи транзистора: . Следует учитывать при выборе конденсатора С1 (рис.2), что для переменного напряжения сигнала величина входного сопротивления усилительного каскада равна , т.е. величине параллельного включения сопротивлений R1 и R2_. Дело в том, что для входного сигнала сопротивление R1 можно считать присоединённым к нулевому проводу («земле») через источник питания E_K, внутреннее сопротивление которого весьма мало. Таким образом, оказывается, что входной сигнал присоединяется к сопротивлениям R1 и R2, которые замкнуты на «землю». Практически .

В случае включения в коллекторную цепь LC- колебательного контура или обмотки трансформатора режим каскада изменяется. Активное сопротивление обмотки обычно пренебрежимо мало и поэтому постоянное напряжение . При генерировании синусоиды, в момент, когда транзистор полностью открыт, к обмотке приложено напряжение . К окончанию отрицательного полупериода ток достигает величины , и энергия магнитного поля в катушке , а при запирании транзистора ЭДС самоиндукции заряжает конденсатор контура С до напряжения . Поэтому напряжение на коллекторе в пределе может достигать . Это следует учитывать при выборе транзистора по допустимому напряжению . И, соответственно, при построении касательной к кривой допустимой мощности , (см. рис.2) эту касательную надо проводить из точки 2E_К, а не из точки E_К. В остальном порядок расчёта усилительного каскада остаётся прежним.

 

Операционные усилители.

Термин «операционный усилитель» (ОУ) возник в аналоговой вычислительной технике, где ОУ с соответствующими обратными связями применяется для моделирования различных математических операций (интегрирование, суммирование и т.д.).

Операционные усилители успешно применяются для усиления колебаний различной формы, в частности, синусоидальных, прямоугольных и пр.

Многочисленные параметры, электрические схемы ОУ приведены в справочниках. ОУ имеют коэффициент усиления напряжения от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч, предельную частоту усиления — до 1 МГц, требуют двуполярное питание для получения знакопеременного выходного напряжения. ОУ — дифференциальный усилитель, то есть может усиливать разность двух сигналов. Поэтому он имеет два входа — инвертирующий «-» и неинвертирующий «+» и один выход. В реальных схемах усилителей чаще всего требуется небольшой коэффициент усиления, в диапазоне от двух до ста. Регулировка коэффициента усиления с одновременным улучшением качества выходного сигнала достигается с помощью отрицательной обратной связи через делитель R1 и R2 (рис. 4).

Рис.4.

 

 

Инвертирующий усилитель (рис. 4,а) меняет полярность сигнала и увеличивает его в раз . (Знак «-» перед дробью, как раз и указывает на изменение полярности выходного сигнала по отношению ко входному).

Неинвертирующий усилитель (рис. 4,б) сохраняет полярность сигнала, а его коэффициент усиления

.

Дифференциальный усилитель (рис. 4,в) имеет коэффициент усиления

при условии .

При проектировании необходимо учитывать допустимые напряжения на входах U_ВХдоп, допустимый ток I_ВЫХдоп на выходе ОУ, а также величины входных и выходного сопротивлений.

Выходное сопротивление ОУ с учётом отрицательной обратной связи существенно уменьшается по сравнению с внутренним сопротивлением самого ОУ и равно

,

где — коэффициент усиления ОУ по паспорту (без обратной связи), — коэффициент деления цепочки R1-R2.

Входные же сопротивления инвертирующего и неинвертирующего усилителей очень сильно отличаются.

В первом случае:

.

Во втором случае:

,

где — входное сопротивление для синфазного сигнала, — эквивалентное входное сопротивление, учитывающее

В пределе, при и , стремящихся к нулю, , а .

Обычно .

Амплитудная характеристика ОУ показана на рис. 5. Видно, что линейная зависимость сменяется зонами ограничения, там же показано смещение характеристики относительно начала координат. Для уменьшения смещения рекомендуется выбирать относительно небольшой величины (5¸50) кОм в зависимости от типа усилителя. Это обусловлено тем, что для операционных усилителей характерно вытекание тока из входных цепей, поэтому их входы приходится «заземлять» через эти сопротивления.

 

Рис.5.