Амплитудно-частотная характеристика

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

 

по дисциплине

«АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА»

 

для студентов направления 6.050901 — «Радиотехника»

дневной и заочной форм обучения

 

Севастополь

УДК 621.375

А.В. Мельников. Конспект лекций по дисциплине «Аналоговые электронные устройства» для студентов направления 6.050901 — «Радиотехника» дневной и заочной форм обучения, — 73 с.

 

 

Целью конспекта лекций является оказание помощи студентам при самостоятельном изучении дисциплины – «Аналоговые электронные устройства» и выполнении контрольной работы, предусмотренной учебным планом направления подготовки «Радиотехника».

 

Конспект лекций рассмотрен и утвержден на заседании кафедры радиотехники и телекоммуникаций факультета радиоэлектроники СевНТУ, протокол № 11 от «31» мая 2011 г.

Допущено учебно-методическим центром СевНТУ в качестве конспекта лекций.

 

 

Рецензент:

кандидат технических наук, доцент Зиборов С.Р.

 

© А.В. Мельников, 2011

СОДЕРЖАНИЕ

 

Предисловие
1. Основные определения и показатели усилительных устройств.....
1.1. Основные определения и способы классификации ……..…….
1.2. Коэффициенты усиления ……………………………………….
1.3. Амплитудно-частотная характеристика..………………………
1.4. Фазо-частотная характеристика ……..…………………………
1.5. Переходная характеристика ………………………………….….
1.6. Динамические искажения ……………………………………….
1.7. Шумы ……………………………………………………………..
1.8. Амплитудная характеристика …………………………………...
1.9. Нелинейные искажения …………………………………………
1.10. Контрольные вопросы по теме ………………………………..
2. Обратная связь в усилительных устройствах ……………………...
2.1. Виды обратных связей ………………………………………...…
2.2. Влияние обратной связи на коэффициент усиления и коэффициент гармоник …………………………………………………
2.3. Влияние обратной связи на входное и выходное сопротивления ……………………………………………………………….
2.4 Контрольные вопросы по теме ………………………………….
3. Обеспечение режима работы усилительных элементов по постоянному току ………………………………………………………...…
3.1. Общие сведения …………………………………………………
3.2. Смещение фиксированным током базы и фиксированным напряжением база-эмиттер ……………………………………….
3.3. Коллекторная стабилизация …………………………………….
3.4. Эмиттерная стабилизация ………………………………………
3.5. Термокомпенсация нестабильности ……………………………
3.6. Контрольные вопросы по теме …………………………………
4. Каскады предварительного усиления ……………………………..
4.1. Особенности анализа ……………………………………………
4.2. Анализ каскада с общим эмиттером ……………………………
4.3. Каскад с общим коллектором ………………………………….
4.4. Каскад с общей базой …………………………………………..
4.5. Корректирование частотных и переходных характеристик ….
4.6. Устойчивость усилителей, охваченных обратной связью ……
4.7. Контрольные вопросы по теме …………………………………
5. Дифференциальный усилительный каскад ………………………..
5.1. Типовая схема дифференциального каскада ………………….
5.2. Особенности подачи сигнала на входы дифференциального каскада ………………………………………………………….
5.3. Работа каскада при дифференциальном и синфазном сигналах на входе ………………………………………………………….
5.4. Дифференциальный каскад с динамической нагрузкой ………
5.5. Контрольные вопросы по теме ………………………………….
6. Каскады усиления мощности ……………………………………….
6.1. Особенности построения ………………………………………..
6.2. Двухтактные оконечные каскады ………………………………
6.3. Искажения типа «ступенька» ……………………………………
6.4. Нагрузочная характеристика оконечного каскада …………….
6.5. Контрольные вопросы по теме …………………………………
7. Усилители постоянного тока ……………………………………….
7.1. Особенности построения и анализа ……………………………
7.2. Согласование входных и выходных потенциалов …………….
7.3. Дрейф нуля в усилителях постоянного тока …………………..
7.4. Контрольные вопросы по теме ………………………………….
8. Операционные усилители …………………………………………..
8.1. Основные понятия ………………………………………………
8.2. Структурная схема операционного усилителя …………………
8.3. Типичные параметры ОУ ……………………………………….
8.4. Амплитудно-частотная характеристика ОУ ……………………
8.5. Контрольные вопросы по теме …………………………………
9. Устройства аналоговой обработки сигналов на операционных усилителях ……………………………….………………………
9.1. Инвертирующий и неинвертирующий усилители ……………..
9.2. Сумматор сигналов на основе ОУ ………………………………
9.3. Интегратор и дифференциатор сигналов ………………………
9.4. Логарифмический и антилогарифмический преобразователи..
9.5. Контрольные вопросы по теме …………………………………
Библиографический список …..…………………………….………….

ПРЕДИСЛОВИЕ

 

Дисциплина «Аналоговые электронные устройства» (АЭУ) является первой инженерной дисциплиной и расположена в учебном плане специальности «Радиотехника» на стыке дисциплин, обеспечивающих базовую теоретическую и инженерную подготовку радиоинженеров.

Целью данного конспекта лекций является оказание помощи студентам дневной и заочной форм обучения в получении знаний и навыков, позволяющих технически грамотно осуществлять анализ и синтез электрических схем аналоговых трактов типовой радиоэлектронной аппаратуры, производить обоснованный выбор структуры и компонентов схем.

Изложение материала базируется на ранее изученных теоретических курсах: высшая математика, физика, основы теории цепей, компонентная база РЭА, сигналы и процессы в радиотехнике, информатика и вычислительная техника. Поэтому студент должен иметь прочные знания по этим предметам.

В результате изучения дисциплины АЭУ студент должен знать принципы действия усилительных каскадов и устройств, в том числе дифференциальных каскадов, операционных усилителей, а также устройств аналоговой обработки сигналов, построенных на базе усилителей; современные методы анализа и схемотехнического проектирования этих каскадов и устройств с применением электронно-вычислительной техники и с учетом применения современной элементной базы. Студент должен уметь проводить анализ практических схем усилительных устройств, рассчитывать их основные характеристики, составлять схемы усилителей с учетом особенностей их применения.

Работа по изучению дисциплины должна подвергаться систематическому самоконтролю. С этой целью следует, по мере проработки очередной главы курса отвечать на контрольные вопросы по изучаемой теме. Проработка контрольных вопросов способствует скорейшему и более глубокому усвоению программы.

Рекомендации по использованию основной и дополнительной литературы приведены в соответствующих разделах конспекта лекций. Однако важно пользоваться и другой литературой, рекомендуемой в качестве учебников и учебных пособий для ВУЗов. Следует также постоянно обращаться к периодическим отечественным и зарубежным изданиям, в которых оперативно освещаются актуальные вопросы теории и техники усилительных устройств, а также устройств аналоговой обработки сигналов.

ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ПОКАЗАТЕЛИ

УСИЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

 

1.1. Основные определения и способы классификации

 

Усилителем электрических колебаний называют устройство, которое за счет энергии источника питания формирует на выходе колебание, являющееся по форме копией входного сигнала, но с большим уровнем мощности.

Аналоговые электронные устройства — это устройства усиления и обработки аналоговых электрических сигналов, выполненные на основе электронных приборов.

В настоящее время наиболее распространены следующие способы классификации усилительных устройств:

― по форме усиливаемых сигналов (усилители непрерывных и усилители импульсных сигналов);

― по рабочему диапазону частот (усилители постоянного тока, усилители звуковой частоты, усилители радиочастоты, широкополосные усилители, избирательные усилители, СВЧ усилители);

― по типам усилительных элементов (транзисторные, ламповые, на интегральных микросхемах, на туннельных диодах и др.)

― по структуре схемы усилителя (однокаскадные, двухкаскадные, трансформаторные и т. д.);

― по конструктивному или технологическому исполнению;

― по назначению и области применения (усилители напряжения, усилители мощности, усилители записи или воспроизведения и т. д.)

Коэффициенты усиления

Комплексным коэффициентом усиления по напряжению (или комплексным коэффициентом усиления) называется отношение установившегося значения напряжения сигнала на выходе к напряжению сигнала на входе устройства

,

где К — коэффициент усиления,

— комплексные амплитуды напряжений на выходе и входе усилителя;

j — фазовый сдвиг между выходным и входным напряжениями.

Сквозной коэффициент усиления (К*) определяется соотношением

,

где Е _г — ЭДС источника сигнала.

Сквозной коэффициент усиления можно найти по известному коэффициенту усиления и коэффициенту передачи входной цепи

К* = a К,

где a = R _вх /(R _вх + R _г ) — коэффициент передачи входной цепи.

Аналогично определяют комплексный коэффициент усиления по току и коэффициент усиления по мощности:

; ,

где — комплексные амплитуды тока на выходе и входе усилителя;

К_I — коэффициент усиления по току;

K_I — коэффициент усиления по мощности.

Коэффициенты усиления по напряжению и току являются комплексными величинами. Это свидетельствует о том, что выходное напряжение и ток сдвинуты по фазе относительно входного напряжения и тока. Основной причиной этого является наличие в цепях усилителя и его нагрузке реактивных элементов.

Обычно интерес представляют активная мощность, потребляемая от источника питания, и активная мощность, отдаваемая в нагрузку. В этом случае К_р определяется действительным числом

.

Обычно коэффициент усиления по мощности (в зависимости от количества каскадов) составляет от 10 до 10⁷.

Величину коэффициента усиления нередко выражают в логарифмических единицах (децибелах)

 

К (дБ) = 20lg К, К_I (дБ) = 20lg К_I, К_р (дБ) = 10lg К_р.

 

При последовательном включении нескольких каскадов результирующее усиление равно произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов (если К выражено в относительных единицах) или сумме (если К выражено в децибелах), например, для двухкаскадного усилителя

 

К _S = К ₁ К ₂

или

К _S(дБ) = К ₁(дБ) + К ₂(дБ).

 

Коэффициент полезного действия усилителя (h) или его отдельного каскада определяют по формуле

h = Р _н / Р ₀,

 

где Р _н — мощность отдаваемая в нагрузку;

Р₀ — мощность потребляемая от источников питания.

 

 

Переходная характеристика

 

Переходной характеристикой (ПХ) усилителя называют реакцию усилителя на единичный скачок входного напряжения. Переходная характеристика описывает процесс перехода усилителя из одного устойчивого состояния в другое.

При усилении прямоугольных импульсных сигналов в усилителе происходит скачкообразное изменение входного сигнала. Это приводит к возникновению переходных процессов, обусловленных наличием в каскадах усилителя реактивных элементов. При этом сигнал на выходе усилителя устанавливается не сразу, а спустя некоторое время, определяемое видом переходной характеристики, что приводит к отличию формы напряжения на выходе от формы входного сигнала, т. е. к искажению сигнала.

Искажения импульса делят на два вида: искажения фронта и искажения вершины импульса. Искажения фронта определяют по переходной характеристике в области малых времен (рис. 1.3) и оценивают временем установления t_уст и выбросом фронта d. Искажения вершины определяют по ПХ в области больших времен (рис. 1.4) и оценивают величиной D, которую называют — спад вершины.

 

Время установления импульса (t_уст) — это время, за которое напряжение сигнала нарастает от уровня 0,1 до уровня 0,9 своего установившегося значения U _уст.

Выброс фронта (d) — это максимальное превышение мгновенным значением выходного напряжения над его установившимся значением, которое выражается в процентах от установившегося значения. При колебательном характере процесса оценке подлежит наибольший из выбросов.

По ПХ в области малых времен (рис. 1.3) иногда определяют параметр, называемый скоростью нарастания выходного напряжения

— как скорость нарастания выходного напряжения за время его изменения от уровня 0,1 до уровня 0,9 установившегося значения.

Кроме этих основных параметров иногда дополнительно оценивают длительность фронта t_ф, время задержки t_з (условная величина, оцениваемая по времени достижения переходным процессом уровня 0,5 установившегося значения) и отрицательный выброс заднего фронта импульсного сигнала d_обр.

Для определения искажений вершины импульса используют ПХ в области больших времен (рис. 1.4). Искажения вершины импульса оценивают спадом выходного напряжения D за время длительности импульса

где U _уст — установившееся напряжения на выходе усилителя;

U _t —напряжения на выходе усилителя в момент окончания импульса.

В многокаскадном усилителе результирующее время установления приближенно оценивается выражением

 

,

 

где — время установления первого, второго, третьего и т. д. каскадов усилителя.

Спад вершины многокаскадного усилителя

 

D_S» D₁ + D₂ + D₃ +...,

 

где D₁, D₂, D₃,... — спад вершины первого, второго, третьего и т.д. каскадов многокаскадного усилителя.

Следует отметить, что частотная, фазовая и переходная характеристики усилителя жестко связаны друг с другом, так как они обусловлены одной и той же причиной — наличием в схеме усилителя реактивных элементов. Поэтому, если изменяется вид АЧХ, то изменяется и ПХ этого устройства.

Строгое аналитическое определение переходной характеристики по известной АЧХ выполняют с помощью преобразования Лапласа, но для реальных схем усилителей, обычно содержащих большое число реактивных элементов, оно довольно сложное. Анализ показывает, что спад вершины импульса определяется коэффициентом усиления на низких частотах (если f _н ® 0, то спад вершины импульса также D ® 0), а время установления — коэффициентом усиления на высоких частотах (если f _в ®¥ то время установления t_уст ® 0).

 

 

Динамические искажения

 

Динамические искажения возникают в случае, если амплитуда и частота усиливаемого сигнала превышают критические значения, определяемые максимальной скоростью нарастания выходного напряжения усилителя.

Максимальная скорость нарастания гармонического сигнала зависит от частоты и амплитуды сигнала и определяется по формуле

V_Uc = 2 p fU_m,

где U_m — амплитудное значение гармонического напряжения.

Если скорость изменения входного усилителя будет больше, чем максимальная скорость нарастания его выходного напряжения, определяемая по его переходной характеристике, то усиливаемый сигнал будет искажен. Поэтому необходимо, чтобы

,

где V_{U вых} — скорость нарастания выходного напряжения усилителя.

 

 

Шумы

 

При отсутствии сигнала на входе работающего усилителя на его выходе всегда присутствует некоторое напряжение, называемое напряжением собственных шумов усилителя. Напряжение собственных или внутренних шумов не позволяет усиливать сигналы малой амплитуды, подавляя их. Поэтому при проектировании и конструировании усилителей принимают все возможные меры для снижения уровня собственных шумов.

Основными составляющими напряжения собственных шумов являются: шумы активных сопротивлений схемы, собственный шум транзисторов, наводки, фон источников питания и др.

Мощность шума, действующая на выходе усилителя, складывается из мощности шумов источника входного сигнала, усиленных усилителем, и мощности собственных шумов усилителя. Если усилитель не шумит (идеальный усилитель с точки зрения шумов), то его мощность шума на выходе

 

Р _{ш.вых.ид.} = Р _ш.вх. К_{р ,}

 

где К_р — коэффициент усиления усилителя по мощности,

Р _ш.вх. — мощность шумов источника сигнала, действующего на входе усилителя.

Величину, показывающую во сколько раз мощность шумов на выходе реального усилителя больше мощности шумов на выходе идеального усилителя, называют коэффициентом шума.

 

.

 

Коэффициент шума характеризует, во сколько раз ухудшается отношение мощности сигнала к мощности шума при прохождении смеси сигнала и шума через усилитель.

 

,

где (Р _с/ Р _ш)_вх — отношение мощности сигнала к мощности шума на входе усилителя;

(Р _с/ Р _ш)_вых — отношение мощности сигнала к мощности шума на выходе усилителя;

Чем больше шум усилителя, тем больше коэффициент шума F _ш отличается от единицы. Для идеального нешумящего усилителя — F _ш = 1.

Коэффициент шума часто выражают в логарифмических единицах

 

F _ш. (дБ) = 10lg F _ш.

 

Напряжение собственных шумов правильно сконструированного усилителя определяется лишь тепловыми шумами входной цепи и шумами первого усилительного элемента.

 

 

Амплитудная характеристика

 

Амплитудной характеристикой (АХ) усилителя называют зависимость амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного напряжения

U _{вых т} = f (U _{вх т} ).

 

Так как коэффициент усиления идеального усилителя представляет собой постоянную величину, не зависящую от величины входного сигнала, его амплитудная характеристика представляет собой прямую, угол наклона которой определяется коэффициентом усиления усилителя (см. рис. 1.5).

Амплитудная характеристика реального усилителя отличается от АХ идеального усилителя.

Если напряжение поданное на вход усилителя меньше, чем U _вх.мин, то на выходе реального усилителя этот сигнал будет маскироваться (заглушаться) напряжением собственных шумов усилителя U _ш. При значительном увеличении входного напряжения увеличиваются нелинейные искажения, часто проявляющиеся в виде ограничения выходного сигнала по амплитуде.

 

 

 

Рис. 1.5 — Амплитудная характеристика усилителя

 

Отношение U _{вх.макс.}/ U _вх.мин. в пределах линейной части амплитудной характеристики характеризует диапазон напряжений сигнала, усиливаемых данным усилителем без искажений, его называют динамическим диапазоном усилителя. Он выражается в относительных или логарифмических единицах:

 

D = U _{вх.макс.} /U _вх.мин.; D (дБ) = 20lg D.

 

 

Нелинейные искажения

 

Нелинейными искажениями называются искажения формы выходного сигнала, вызванные наличием в схеме усилителя нелинейных элементов.

Усилительные элементы (транзисторы) при работе с сигналами большой амплитуды обладают заметной нелинейностью и обычно являются основной причиной возникновения нелинейных искажений в усилителях. Поскольку входные и выходные характеристики транзисторов являются нелинейными, то при подаче на вход усилителя синусоидального сигнала выходной сигнал будет искажен и его форма может заметно отличаться от синусоидальной. Так как спектр сигнала однозначно связан с формой сигнала, то помимо основной частоты выходной сигнал (искаженная по форме синусоида) содержит кроме основной частоты высшие гармоники: вторую, третью и т. д.

Появление на выходе усилителя частотных составляющих, отсутствующих в спектре входного сигнала, является характерной особенностью нелинейных устройств.

В основу метода определения вносимых усилителем нелинейных искажений положена зависимость изменения спектра синусоидального сигнала от величины вносимых нелинейных искажений. При усилении гармонических колебаний нелинейные искажения принято оценивать коэффициентом гармоник К _г.

Коэффициент гармоник измеряется на выходе усилителя при синусоидальном входном сигнале и определяется выражением

 

где К _г — коэффициент гармоник;

Р ₁ — мощность первой гармоники на выходе усилителя;

Р ₂, Р ₃, Р ₄ — мощности второй, третьей, четвертой и т. д. гармоник на выходе усилителя, созданных нелинейными элементами.

При активной нагрузке усилителя отношение мощностей можно заменить отношением квадратов напряжения (или тока), беря действующие или амплитудные значения этих величин. В этом случае

 

,

 

где U ₁ — напряжение первой гармоники на выходе усилителя;,

U ₂, U ₃, U ₄, … — напряжения второй, третьей, четвертой и т.д. гармоник на выходе усилителя.

Основной вклад в нелинейные искажения вносит оконечный каскад усилителя.

Допустимый уровень нелинейных искажений определяются назначением усилителя. В высококачественных усилителях речевого и музыкального сигнала допускают коэффициент гармоник порядка (0,1…0,5)%. В усилителях среднего качества — (1…3)%. Усилители систем многоканальной связи, чтобы устранить возможность появления комбинационных частот, должны обладать высокой степенью линейности (К _г < 0,01%).

При усилении импульсных сигналов нелинейность усилителя сказывается иначе, чем при усилении гармонических сигналов. В некоторых случаях, например, при усилении прямоугольных импульсов постоянной амплитуды, нелинейность усилителя практически не отражается на форме выходных импульсов и поэтому обычно не ограничивается. При усилении импульсов с наклонным фронтом (пилообразные, треугольные и др.) нелинейность искривляет наклонный фронт импульса.

Некоторые устройства аналоговой обработки сигналов характеризуются, кроме приведенных выше параметров, также специфическими показателями. Например, для операционных усилителей — это входные токи, разбаланс входных токов, входное напряжение смещения нуля, коэффициент ослабления синфазных входных напряжений и др. Эти параметры обычно рассматривают в соответствующих разделах, посвященных изучению этих устройств.

 

 

1.10. Контрольные вопросы по теме

1. Каковы основные области применения устройств аналоговой обработки сигналов?

2. Приведите классификацию усилителей.

3. Назовите основные элементы усилительных каскадов и их назначение.

4. Дайте краткую характеристику истории развития теории и техники усилительных устройств.

5. Какие усилительные элементы используют в усилительной технике?

6. Перечислите основные характеристики усилителя.

7. Что называется коэффициентом усиления усилителя? Как определяется коэффициент многокаскадного усилителя?

8. Что такое фазовый сдвиг в усилителе? Каковы причины его появления?

9. Что такое к.п.д. усилителя? В чем отличие промышленного от к.п.д. выходной цепи?

10. Объясните, почему коэффициент усиления напряжения (тока) является комплексной величиной.

11. Что называется динамическим диапазоном усилителя, динамическим диапазоном сигнала? Чем он ограничен?

12. Перечислите основные причины возникновения собственных шумов в усилителе. Перечислите способы уменьшения напряжения шумов. Дайте определение коэффициента шума.

13. Дайте определения коэффициентам линейных искажений. Каковы причины их возникновения? Идеальная и реальная амплитудно-частотные характеристики.

14. Что называется фазочастотной характеристикой? Идеальная и реальная фазочастотные характеристики.

15. Какими коэффициентами искажений оцениваются усилители гармонических и импульсных колебаний?

16. С какой целью проводится оценка фазовых и частотных искажений усилителя? Каково условие отсутствия частотных и фазовых искажений.

17. Как оценивают переходные искажения в усилителе? Как связаны между собой переходные и частотные искажения?

18. Какие искажения называются линейными? Каковы причины появления линейных искажений в области низких и верхних частот?

19. Какова причина возникновения нелинейных искажений в усилителях? Методы оценки нелинейных искажений.

20. Почему амплитудно-частотная, фазовая и переходная характеристики оказываются взаимосвязанными?

21. Как оценивают нелинейность в импульсных усилителях?

 

Литература по разделу 1: [1, c. 18 — 39]; [2, с. 8 — 29]; [3, с. 11 — 34]; [6, с. 8 — 46].

 

Виды обратных связей

 

Обратной связью (ОС) называют такую связь между цепями усилителя, посредством которой энергия передается из последующих цепей или каскадов в предыдущие, т. е. в направлении обратном тому, которое имеет место в процессе усиления сигналов (рис. 2.1).

Обратная связь может сильно влиять на свойства и характеристики усилителя. Разработка усилителя с параметрами, удовлетворяющими современным требованиям, невозможно без использования обратной связи.

Различают следующие виды обратной связи:

1) внешнюю обратную связь, обусловленную введением специальных цепей преднамеренно создающих по желанию разработчика в каскаде или усилителе обратную связь для изменения свойств в нужном направлении;

 

2) паразитную обратную связь, обусловленную неудачным расположением и монтажом усилительных каскадов или неидеальностью элементов, когда паразитные емкостные и индуктивные связи создают путь для передачи колебаний с выхода на вход.

Если при сложении колебаний источника сигнала с колебаниями, поступающими с выхода через цепь обратной связи, амплитуда результирующего колебания на входе усилителя возрастает, то такую ОС называют положительной обратной связью (ПОС), если амплитуда результирующего колебания уменьшается, то такую ОС называют отрицательной обратной связью (ООС).

При ПОС колебания на входе складываются в фазе, при ООС — в противофазе.

В усилителях положительная обратная связь обычно является вредной, так как может вызвать самовозбуждение усилителя. Присущие усилителям фазовые сдвиги изменяются с изменением частоты, поэтому обратная связь, отрицательная на одних частотах, может превратиться в положительную на других. Обычно изменение знака ОС происходит за пределами рабочего диапазона частот.

Величину F = 1 + b K называют глубиной обратной связи.

Если коэффициент передачи b цепи ОС остается постоянным в полосе рабочих частот, то такую обратную связь называют частотнонезависимой, если не остается постоянным, то называют частотнозависимой.

Обратная связь может быть: по постоянной и переменной составляющим, регулируемой (переменной).

По способу снятия различают обратную связь по току, напряжению и комбинированную. Способ снятия ОС необходимо учитывать при определении влияния ОС на выходное сопротивление усилителя.

По способу ввода обратной связи различают последовательную, параллельную и комбинированную по способу ввода обратную связь. Способ ввода ОС необходимо учитывать при определении влияния ОС на входное сопротивление усилителя.

 

 

Общие сведения

 

Известно, что токи и напряжения транзистора существенно зависят от температуры окружающей среды. Если не предусмотреть мер по стабилизации режима, то в значительной степени при изменении температуры будут изменяться и параметры транзистора.

Для нормальной работы усилительного каскада ток покоя выходной цепи при изменении температуры, старении транзисторов и их замене не должен сильно отклоняться от своего номинального значения. Так, чрезмерное уменьшение тока покоя ведет к росту нелинейных искажений, уменьшению мощности сигнала на выходе, уменьшению усиления. Увеличение тока покоя снижает к.п.д. каскада, приводит к перегреву усилительного элемента и также может увеличить нелинейные искажения. Отклонение тока покоя от нормального значения в режиме А обычно допускается не более ±10% в каскадах мощного усиления и не более ±20% в маломощных каскадах предварительного усиления.

 

 

Коллекторная стабилизация

 

Практически широкое распространение получили схемы со стабилизацией положения точки покоя путем введения отрицательной обратной связи. Различают три схемы стабилизации:

― коллекторная,

― эмиттерная,

― комбинированная стабилизация.

Простейшей и наиболее экономичной является коллекторная стабилизация, в которой стабилизация положения точки покоя осуществляется с помощью параллельной ООС по напряжению, снимаемой с коллектора транзистора (рис. 3.3, а).

 

а)

 

б)

 

 

Рис. 3.3 — Каскады с коллекторной стабилизацией

 

Коллекторная стабилизация удовлетворительно действует лишь при большом падении напряжении по постоянной составляющей на коллекторной нагрузке R _к (порядка 0,5 Е, где Е — напряжение питания схемы), не слишком больших разбросах статического коэффициента усиления тока h _2э (не более чем в 1,5…2 раза) и изменении температуры транзистора не более (20 … 30)° С.

При включении транзистора по схеме с общим эмиттером коллекторная стабилизация уменьшает входное сопротивление каскада и его усиление из-за прохождения сигнала через R _б во входную цепь. Для устранения этого недостатка R _б делят на две части (R _б1 и R _б2) и заземляют среднюю точку цепи R _б1, R _б2 по переменной составляющей (см. рис. 3.3, б).

КАСКАДЫ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО УСИЛЕНИЯ

 

Каскад с общим коллектором

 

В каскаде с общим коллектором (эмиттерном повторителе) (рис. 4.4) резисторы R 1 и R 2 выполняют функции делителя напряжения в цепи базы и служат для выбора точки покоя каскада. Конденсаторы C 1 и C 2 — разделительные конденсаторы на входе и выходе каскада. Емкость этих конденсаторов выбирают таким образом, чтобы их сопротивлением в рабочей полосе частот можно было пренебречь. Резистор R _э является нагрузкой транзистора по постоянной составляющей. Вместе с резистором R _н он является нагрузкой по переменной составляющей.

Каскад имеет следующие параметры: коэффициент усиления близок к единице (практически лежит в пределах 0,95…0,99), коэффициент усиления по току обычно составляет десятки и при R _н ® 0 достигает максимальной величины равной

 

.

 

Выходное сопротивление каскада обычно составляет десятки — сотни ом. Входное сопротивление эмиттерного повторителя наибольшее из всех схем включения транзистора и может достигать сотен килоом.

 

	Рис. 4.4 — Каскад с общим коллектором

 

 

При достаточно большом сопротивлении делителя напряжения R 1, R 2 входное сопротивление каскада (R _вх) может быть найдено по формуле

 

R _вх = h _21э R _нS,

 

где R _нS = R _э // R _н — сопротивление нагрузки по переменной составляющей.

 

 

Каскад с общей базой

 

Схема каскада с общей базой показана на рис. 4.5. Назначение элементов R 1, R 2, R _к, C 1, C 2 — такое же, как и в каскаде с общим эмиттером. Резистор R _э обеспечивает путь для протекания постоянной составляющей тока эмиттера, а конденсатор С _б является блокировочным.

Каскад имеет малое входное сопротивление, которое обычно находится в пределах 20…50 Ом. Выходное сопротивление каскада практически равно сопротивлению R _к. Коэффициент усиления по току каскада с общей базой меньше единицы и обычно составляет 0,9…0,95. Коэффициент усиления по напряжению зависит от величины сопротивления нагрузки и при большом сопротивлении нагрузки (порядка единиц — десятков килоом и более) может достигать значительной величины.

 

	Рис. 4.5 — Каскад с общей базой

 

 

Как показывает анализ, если нагрузкой каскада с общей базой является другой такой же каскад с общей базой, то не получается ни усиления по току, ни усиления по напряжению и такое соединение не имеет смысла.