Какие элементы образуют усилительный каскад

Усилительные каскады.

При решении многих инженерных задач возникает необходимость в усилении электрических сигналов. Для этой цели служат усилители, т.е. устройства, предназначенные для усиления напряжения, тока и мощности. В усилителях обычно используют биполярные и полевые транзисторы и интегральные микросхемы.

Простейшим усилителем является усилительный каскад.

Состав простейшего усилительного каскада:

УЭ – нелинейный управляемый элемент (биполярный или полевой транзистор);
R – резистор;
E – источник электрической энергии.

Усиление основано на преобразовании электрической энергии источника постоянной э.д.с. E в энергию выходного сигнала за счет изменения сопротивления УЭ по закону, задаваемому входным сигналом. Основные параметры усилительного каскада:

Коэффициент усиления по напряжению
Коэффициент усиления по току
Коэффициент усиления по мощности . Чаще всего

Для многокаскадных усилителей В зависимости от диапазона усиливаемых частот входных сигналов усилители подразделяют:

УПТ (усилители постоянного тока) — для усиления медленно изменяющихся сигналов;
УНЧ (усилители низкой частоты) — для усиления сигналов в диапазоне звуковых частот (20-20000 Гц);
УВЧ (усилители высокой частоты) — для усиления сигналов в диапазоне частот от десятков килогерц до десятков и сотен мегагерц;
Импульсные/широкополосные — для усиления импульсных сигналов, имеющих спектр частот от десятков герц до сотен мегагерц;
Узкополосные/избирательные — для усиления сигналов в узком диапазоне частот.

По способу включения усилительного элемента разделяют: В случае применения биполярного транзистора в качестве усилительного элемента:

С общей базой
С общим эмиттером
С общим коллектором

В случае использовании полевого транзистора:

С общим истоком
С общим стоком
С общей базой

Усилительный каскад с общим эмиттером. Усилительный каскад с ОЭ является одним из наиболее распространенных усилительных каскадов, в котором эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей. Схема усилительного каскада с ОЭ для биполярного транзистора структуры п-р-п.

R_кэ– резистор, включенный в коллекторную цепь транзистора VT, с помощью которого создается выходное напряжение U_вх.
R₆, — резистор, включенный в цепь базы, задает положение рабочей точки биполярного транзистора, обеспечивает требуемую работу транзистора в режиме покоя, т.е. в отсутствие входного сигнала.
С₁— конденсатор, служащий для подключения к входу усилительного каскада источника переменного напряжения U_вх и предохраняющий источник переменного напряжения от постоянной составляющей тока базы, таким образом не нарушая режимов работы источника входного сигнала.
С₂ — конденсатор на выходе усилителя, обеспечивает выделение из напряжения на коллекторе транзистора VT переменной составляющей выходного напряжения U_вых, которое может являться входным напряжением следующего усилительного каскада или же поступать на некоторое нагрузочное устройство сопротивлением R_н.

Для коллекторной цепи усилительного каскада в соответствии со вторым законом Кирхгофа можно записать следующее уравнение электрического состояния: ВАХ коллекторного резистора Rк является линейной, а ВАХ транзистора нелинейна и представляет собой семейство выходных (коллекторных) характеристик эмиттера, включенных по схеме с ОЭ. Расчет нелинейной цепи, т.е. определение I_к,, и U_кдля различных токов базы I_би сопротивлений резистора R_к, можно провести графически. Для этого на семействе выходных характеристик транзистора необходимо провести прямую из точки E_к на оси абсцисс ВАХ резистора Rк, удовлетворяющую уравнению . Точки пересечения нагрузочной прямой с линиями выходных характеристик дают графическое решение уравнения для данного R_б и различных I_б. По этим точкам можно определить ток в коллекторной цепи, напряжения U_кэ и . Сопротивление резистора R_квыбирают исходя из требований усиления входного сигнала. При этом необходимо учитывать, чтобы нагрузочная прямая проходила левее и ниже допустимых значений U_к_max, I_к_max, P_к_max и обеспечивала достаточно протяженный линейный участок переходной характеристики. Эквивалентная схема замещения усилительного каскада с ОЭ и его параметры.Считая , можно записать эти уравнения в виде Решая совместно эти уравнения, получим Знак минус означает, что выходное напряжение находится в противофазе с входным. Получим формулу для коэффициента усиления по напряжению ненагруженного усилительного каскада с общим эмиттером : Так как . Поэтому Входное сопротивление усилительного каскада с ОЭ на низких частотах: Выходное сопротивление усилительного каскада с ОЭ определяется выражением Температурная стабилизация усилительного каскада с ОЭ Существенным недостатком транзисторов является их зависимость от температуры. С повышением температуры за счет возрастания числа неосновных носителей заряда в полупроводнике увеличивается коллекторный ток транзистора. Это приводит к изменению выходных характеристик транзистора. При увеличении коллекторного тока наΔI_k, коллекторное напряжение уменьшается на.Это вызывает смещение рабочей точки транзистора, что может вывести ее за пределы линейного участка характеристик транзистора, и нормальная работа усилителя нарушается. Для уменьшения влияния температуры на работу усилительного каскада с общим выпрямителем, в его эмиттерную цепь включают резистор R_э, шунтированный конденсаторомСэ. В цепь базы для создания начального напряжения включают делитель напряжения. Увеличение тока эмиттера из-за повышения температуры приводит к возрастанию падения напряжения на сопротивлении R_э, что вызывает снижение напряжения, а это вызывает уменьшение тока базы. Ток эмиттера и коллектора сохраняют положение рабочей точки на линейном участке характеристики. Влияние изменения тока коллектора в выходной цепи на входное напряжение транзистора называют отрицательной обратной связью по постоянному току. При отсутствии конденсатора работа усилительного каскада изменяется не только по постоянному току, но и по переменной составляющей. Усилительный каскад с ОК Коллектор транзистора через источник питания соединен непосредственно с общей точкой усилителя, т.к. падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника незначительно. Можно считать, что входное напряжение подается на базу транзистора относительно коллектора через конденсаторС1, а выходное напряжение равно падению напряжения наR_э, которое снимается с эмиттера относительно коллектора. Резистор задает начальный ток смещения цепи базы транзистора, который определяет положение рабочей точки в режиме покоя. При наличииUвхв цепи появляется переменная составляющая, которая создает падение напряжения наR_э() Коэффициент усиления по напряжению усилительного каскада с ОК меньше единицы, поэтому его правильнее называть коэффициентом передачи напряжения. (т.к.Так как входное значение K_uблизко к единице, входное сопротивление эмиттерного повторителя много больше входного сопротивленияh₁₁транзистора и достигает нескольких сотен килоом. Выходное сопротивление эмиттерного повторителя имеет значение порядка десятков ом. Таким образом, эмиттерный повторитель обладает очень большим входным и малым выходным сопротивлением, следовательно, его коэффициент усиления по току может быть очень высоким. Усилительный каскад на полевом транзисторе Усилительные каскады на полевых транзисторах обладают большим входным сопротивлением. В этом каскаде резистор R_c, с помощью которого осуществляется усиление, включен в цепь стока. В цепь истока включен резистор R_и,создающий необходимое падение напряжения в режиме покояU₃₀,являющееся напряжением смещения между затвором и истоком. Резистор в цепи затвора R₃обеспечивает в режиме покоя равенство потенциалов затвора и общей точки усилительного каскада. Следовательно, потенциал затвора ниже потенциала истока на величину падения напряжения на резисторе R_и от постоянной составляющей токаI_и0.Таким образом, потенциал затвора является отрицательным относительно потенциала истока. Входное напряжение подается на резистор R₃через разделительный конденсатор С.При подаче переменного входного напряжения в канале полевого транзистора появляются переменные составляющие тока истокаi_ии тока стокаi_с, причемi_иi_с. За счет падения напряжения на резисторе R_иот переменной составляющей тока i_и,переменная составляющая напряжения между затвором и истоком, усиливаемая полевым транзистором, может быть значительно меньше входного напряжения: Это явление, называемое отрицательной обратной связью, приводит к уменьшению коэффициента усиления усилительного каскада. Для его устранения параллельно резистору R_ивключают конденсатор С_и, сопротивление которого на самой низкой частоте усиливаемого напряжения должно быть во много раз меньше сопротивления резистора R_н.При этом условии падение напряжения от тока истокаi_ина цепочке R_и—С_и, называемой звеном автоматического смещения, очень небольшое, так что по переменной составляющей тока исток можно считать соединенным с общей точкой усилительного каскада. Выходное напряжение снимается через конденсатор связи С_с между стоком и общей точкой каскада, т. е. оно равно переменной составляющей напряжения между стоком и истоком. Обратные связи в усилителях Обратной связью в усилителях называют подачу части (или всего) выходного сигнала усилителя на его вход. Обратные связи в усилителях обычно создают специально. Однако иногда они возникают самопроизвольно. Самопроизвольные обратные связи называют паразитными. Если при наличии обратной связи входное напряжение u_вх складывается с напряжением обратной связи u_ос,в результате чего на усилитель подается увеличенное напряжение u_1,то такую обратную связь называют положительной. Если после введения обратной связи напряжения u₁на входе иu_выхна выходе усилителя уменьшаются, что вызывается вычитанием напряжения обратной связи из входного напряженияu_вх, то такую обратную связь называют отрицательной. Все обратные связи делятся на обратные связи по напряжению и по току.В обратной связи по напряжениюu_oc=βu_вых, где β — коэффициент передачи четырехполюсника обратной связи. В обратной связи по токуu_ос = R_осi_вых, гдеR_ос— взаимное сопротивление выходной цепи и цепи обратной связи. Кроме того, все обратные связи подразделяют на последовательные, при которых цепи обратной связи включают последовательно с входными цепями усилителя, и параллельные, когда цепи обратной связи включают параллельно входным цепям усилителя. Влияние отрицательной обратной связи на коэффициент усиления. Для усилителя без обратной связи Вывод: введение отрицательной обратной связи уменьшает коэффициент усиления усилителя в 1+βК раз. Введение положительной обратной связи повышает коэффициент усиления усилителя. Однако положительная обратная связь в электронных усилителях практически не применяется, так как при этом, как будет показано далее, стабильность коэффициента усиления значительно ухудшается. Несмотря на снижение коэффициента усиления, отрицательную обратную связь в усилителях применяют очень часто. В результате введения отрицательной обратной связи существенно улучшаются свойства усилителя: а) повышается стабильность коэффициента усиления усилителя при изменениях параметров транзисторов; б) снижается уровень нелинейных искажений; в) увеличивается входное и уменьшается выходное сопротивления усилителя, и т. д. Для оценки стабильности коэффициента усиления усилителя с обратной связью следует определить его относительное изменение: Вывод: всякое изменение коэффициента усиления ослабляется действием отрицательной обратной связи в 1+βК раз. Если значение βК много больше единицы, что представляет собой глубокую отрицательную обратную связь, то В случае положительной обратной связи стабильность коэффициента усиления ухудшается: Введение последовательной обратной связи по напряжению увеличивает входное сопротивление. Схема усилителя с параллельной обратной связью: При глубокой отрицательной обратной связи Виды паразитных обратных связей: 1) паразитная связь между каскадами через цепи питания; 2) емкостная (электростатическая) связь, обусловленная паразитными емкостями между выходом и входом усилителя; 3) магнитная связь, появляющаяся при близком расположении входных и выходных трансформаторов усилителя. Усилители постоянного тока Устройства, предназначенные для усиления сигнала очень низких частот (порядка долей Гц), имеющие амплитудно-частотную характеристику до самых низких частот называются усилителями постоянного тока (УПТ). Требования к характеристикам УПТ:

в отсутствие входного сигнала должен отсутствовать выходной сигнал;
при изменении знака входного сигнала должен изменять знак и выходной сигнал;
напряжение на нагрузочном устройстве должно быть пропорционально входному напряжению.

Наилучшим образом данным требованиям удовлетворяют УПТ, построенные на дифференциальных балансных каскадах. Они так же обеспечивают эффективную борьбу с так называемым дрейфом нуля УПТ. Построены по принципу четырехплечевого моста. Уравнение баланса моста: При изменении Ек баланс не нарушается и в нагрузочном резисторе R_нток равен нулю. С другой стороны, при пропорциональном изменении сопротивлений резисторов R₁, R₂или R₃, R_4,баланс моста тоже не нарушается. Если заменить резисторы R₂, R₃транзисторами, то получим дифференциальную схему, очень часто применяемую в УПТ. Вдифференциальном усилителе сопротивления резисторов R₂, R₃в коллекторных цепях транзисторов выбирают равными, режимы обоих транзисторов устанавливают одинаковыми. В таких усилителях подбирают пары транзисторов со строго идентичными характеристиками. На стабильность электрических режимов существенное влияние оказывает сопротивление резистора R₁, который стабилизирует ток транзисторов. Чтобы можно было использовать резистор с большим сопротивлением R_l, увеличивают напряжение источника питания Ек до значения Е₂Е₁, а в интегральных микросхемах часто вместо резистора R₁применяют стабилизатор постоянного тока, который выполняют на 2—4 транзисторах. Переменный резистор R_пслужит для балансировки каскада (для установки нуля). Это необходимо в связи с тем, что не удается подобрать два абсолютно идентичных транзистора и резисторы с равными сопротивлениямиR₂, R₃. При изменении положения движка потенциометра R_пизменяются сопротивления резисторов, включенных в коллекторные цепи транзисторов, и, следовательно, потенциалы на коллекторах. Перемещением движка потенциометраR_пдобиваются нулевого тока в нагрузочном резисторе R_нв отсутствие входного сигнала. При изменении э. д. с. источника коллекторного питания Е₁или смещения Е₂изменяются токи обоих транзисторов и потенциалы их коллекторов. Если транзисторы идентичны и сопротивления резисторов R₂, R₃в точности равны, то тока в резисторе R_Hза счет изменения э. д. с. E_l, Е₂не будет. Если транзисторы не совсем идентичны, то появится ток в нагрузочном резисторе, однако он будет значительно меньше, чем в обычном, небалансном УПТ. Аналогично изменения характеристик транзисторов вследствие изменения температуры окружающей среды практически не будут вызывать тока в нагрузочном резисторе. В то же время при подаче входного напряжения на базу транзистора Т₁изменятся его коллекторный ток и напряжение на его коллекторе, что вызовет появление напряжения на нагрузочном резисторе R_н. При тщательном подборе транзисторов и резисторов, при стабилизации напряжений источников питания дрейф удается снизить до 1—20 мкВ/°С или при работе в температурном диапазоне от —50 до +50°С составит 0,1—2 мВ, т. е. в сравнении с небалансным УПТ он может быть уменьшен в 20—100 раз. По таким же схемам можно выполнять усилители на полевых транзисторах. Аналогичные балансные схемы могут быть построены на основе эмиттерных и истоковых повторителей. Операционные усилители Операционный усилитель – дифференциальный усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления, предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми величинами при работе в схемах с отрицательной обратной связью. ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов. Схема и условное графическое обозначение интегральной микросхемы К140УД8: Первый каскад на полевых транзисторах VТ₁VТ₁₁иVT₂,VT₉, с каналом р-типа является симметричным дифференциальным каскадом с нагрузочными транзисторамиVТ₃,VT₁₀. ТранзисторыVТ₄,VТ₅образуют стабилизатор тока в истоковой цепи первого каскада. Второй каскад — несимметричный дифференциальный каскад на двух эмиттерных повторителях — выполнен на транзисторах VT₇,VТ₁₂. Связь между первым и вторым каскадами непосредственная. На составном транзистореVТ₁₅, выполнен усилитель напряжения, нагрузкой которого служит полевой транзисторVT₁₇. На выходе микросхем применен бестрансформаторный усилитель мощности на составных транзисторахVТ₂₀,VТ₂₂иVТ₂₃,VТ₂₄. Микросхема К140УД8 имеет два входа (4— неинвертирующий, 3 — инвертирующий) и один выход (вывод 7), общий вывод 1 и выводы подсоединения питающих напряжений: 8 — для +E₁и5— для —Е₂. Выводы 2и 6используют для балансировки микросхемы с помощью переменного резистора сопротивлением 10 кОм. УПТ с преобразованием напряжения Способ снижения дрейфа основан на двойном преобразовании усиливаемого напряжения. Структурная схема: Модулятор предназначен для преобразования медленно изменяющегося входного напряжения в переменное напряжение, амплитуда которого пропорциональна входному напряжению, причем при изменении знака входного напряжения изменяется фаза переменного напряжения. Uвх преобразуется с частотой от 50 Гц до 20 МГц. Существует много различных схем модуляторов. Наиболее распространенными из них являются:

модулятор с вибропреобразователем;
модулятор на транзисторах.

Модулятор с вибропреобразователем представляет собой маломощный электромагнитный контактор, периодически (с частотой тока, питающего катушку электромагнита) подключающий входное напряжение то к верхней, то к нижней (по схеме) половине первичной обмотки трансформатора. При этом ток в первичной обмотке изменяет направление. Во вторичной обмотке трансформатора возникает переменное напряжение. Обычно применяется повышающий трансформатор с коэффициентом трансформации до 10, поэтому амплитуда напряжения в несколько раз больше входного напряжения. Достоинство вибропреобразователя — небольшой дрейф, который определяется в основном термо-э. д. с. контактной пары и может быть снижен до 0,01—0,1 мкВ/ч (0,1— 0,5 мкВ/сут). Входное сопротивление равно 1—10 кОм. Д – демодулятор – предназначен для преобразования переменного напряжения на входе, медленно изменяющегося постоянного напряжения на выходе. Преимущества: — низкий дрейф нуля; Недостатки: — плохая АЧХ в области высоких частот. Модулятор, стоящий на входе усилителя, хорошо преобразует постоянные и медленно изменяющиеся напряжения. При увеличении частоты входного напряжения работа модулятора ухудшается. В то же время на выходе демодулятора применяется сглаживающий фильтр. При частоте сигнала, приближающейся к частоте опорного напряжения u_оп, фильтр не может отделить сигнал от опорного напряжения. Для расширения диапазона частот применяют высокочастотные преобразователи, которые позволяют повысить частоту f_опдо 0,5— 10 МГц. Комбинированные усилители сочетают в себе преимущества усилителей без преобразователя напряжения и с ним. Структурная схема комбинированного УПТ: Комбинированный усилитель имеет дрейф на уровне УПТ с преобразованием спектра сигнала, а амплитудно-частотную характеристику не хуже, чем усилитель без преобразования спектра сигнала. Некоторая неравномерность амплитудно-частотной характеристики в области средних частот легко выравнивается за счет отрицательной обратной связи. (КД140УД13). Операционные усилителиявляются основой большого класса усилителей со специальными частотными характеристиками. Это достигается применением различных цепей обратной связи. В операционных усилителях обратная связь отрицательная, если она подается с выхода усилителя на инвертирующий вход. Действительно, при этом напряжение U_oc, находящееся в фазе сU_вых, будет в противофазе с входным напряжением на инвертирующем входе. И наоборот, обратная связь является положительной, если она подается на неинвертирующий вход. При последовательной обратной связи входной сигналu_вхи сигнал обратной связи подаются на разные входы микросхемы, при параллельной — на один.

2. Назначение элементов и принцип работы усилительного каскада по схеме с оэ

Существует множество вариантов выполнения схемы усилительного каскада на транзисторе ОЭ. Это обусловлено главным образом особенностями задания режима покоя каскада. Особенности усилительных каскадов и рассмотрим на примере схемы рисунок 2, получившей наибольшее применение при реализации каскада на дискретных компонентах.

Основными элементами схемы являются источник питания , управляемый элемент — транзистор и резистор . Эти элементы образуют главную цепь усилительного каскада, в которой за счет протекания управляемого по цепи базы коллекторного тока создается усиленное переменное напряжение на выходе схемы. Остальные элементы каскада выполняют вспомогательную роль. Конденсаторы , являются разделительными. Конденсатор исключает шунтирование входной цепи каскада цепью источника входного сигнала по постоянному току, что позволяет, во-первых, исключить протекание постоянного тока через источник входного сигнала по цепи → → и, во-вторых, обеспечить независимость от внутреннего сопротивления этого источника напряжения на базе в режиме покоя. Функция конденсатора сводится к пропусканию в цепь нагрузки переменной составляющей напряжения и задержанию постоянной составляющей.

Резисторы и используются для задания режима покоя каскада. Поскольку биполярный транзистор управляется током, ток покоя управляемого элемента (в данном случае ток ) создается заданием соответствующей величины тока базы покоя . Резистор предназначен для создания цепи протекания тока . Совместно с резистор обеспечивает исходное напряжение на базе относительно зажима ”+” источника питания.

Резистор является элементом отрицательной обратной связи, предназначенным для стабилизации режима покоя каскада при изменении температуры. Температурная зависимость параметров режима покоя обусловливается зависимостью коллекторного тока покоя от температуры. Основными причинами такой зависимости являются изменения от температуры начального тока коллектора , напряжения и коэффициента . Температурная нестабильность указанных параметров приводит к прямой зависимости тока от температуры. При отсутствии мер по стабилизации тока , его температурные изменения вызывают изменение режима покоя каскада, что может привести, как будет показано далее, к режиму работы каскада в нелинейной области характеристик транзистора и искажению формы кривой выходного сигнала. Вероятность появления искажений повышается с увеличением амплитуды выходного сигнала.

Проявление отрицательной обратной связи и ее стабилизирующего действия на ток нетрудно показать непосредственно на схеме рис. 2. Предположим, что под влиянием температуры ток увеличился. Это отражается на увеличении тока , повышении напряжения и соответственно снижении напряжения . Ток базы уменьшается, вызывая уменьшение тока , чем создается препятствие наметившемуся увеличению тока . Иными словами, стабилизирующее действие отрицательной обратной связи, создаваемой резистором , проявляется в том, что температурные изменения параметров режима покоя передаются цепью обратной связи в противофазе на вход каскада, препятствуя тем самым изменению тока , а, следовательно, и напряжения .

Конденсатор шунтирует резистор по переменному току, исключая тем самым проявление отрицательной обратной связи в каскаде по переменным составляющим. Отсутствие конденсатора привело бы к уменьшению коэффициентов усиления схемы.

Название схемы «с общим эмиттером» означает, что вывод эмиттера транзистора по переменному току является общим для входной и выходной цепи каскада.

Принцип действия каскада ОЭ заключается в следующем. При наличии постоянных составляющих токов и напряжений в схеме подача на вход каскада переменного напряжения приводит к появлению переменной составляющей тока базы транзистора, а, следовательно, переменной составляющей тока в выходной цепи каскада (в коллекторном токе транзистора). За счет падения напряжения на резисторе создается переменная составляющая напряжения на коллекторе, которая через конденсатор передается на выход каскада — в цепь нагрузки.

Рассмотрим основные положения, на которых базируется расчет элементов схемы каскада, предназначенных для обеспечения требуемых параметров режима покоя (расчет по постоянному току).

Анализ каскада по постоянному току проводят графоаналитическим методом, основанным на использовании графических построений и расчетных соотношений. Графические построения проводятся с помощью выходных (коллекторных) характеристик транзистора (рис. 3, а). Удобство метода заключается в наглядности нахождения связи параметров режима покоя каскада и амплитудными значениями его переменных составляющих (выходного напряжения и тока ), являющимися исходными при расчете каскада.

На выходных характеристиках рис. 3, а проводят так называемую линию нагрузки каскада по постоянному току , представляющую собой геометрические места точек, координаты и которых соответствуют возможным значениям точки (режима) покоя каскада.

В связи с этим построение линии нагрузки каскада по постоянному току удобно провести по двум точкам, характеризующим режим холостого хода (точка ) и режим покоя (точка ) выходной цепи каскада (рис. 3, а). Для точки ”а” , и для точки ”” , , где выбирают из условия работы транзистора в режиме отсечки напряжение на коллекторе, соответствующее области нелинейных начальных участков выходных характеристик транзистора. Определив координаты точки находим значение тока базы , соответствующего режиму покоя, и определяем координаты точки на входной характеристике (рис. 3, б).

При определении переменных составляющих выходного напряжения каскада и коллекторного тока транзистора используют линию нагрузки каскада по переменному току. При этом необходимо учесть, что по переменному току сопротивление в цепи эмиттера транзистора равно нулю, так как резистор шунтируется конденсатором , а к коллекторной цепи подключается нагрузка, поскольку сопротивление конденсатора по переменному току мало. Если к тому же учесть, что сопротивление источника питания по переменному току также близко к нулю, то окажется, что задача определения этих показателей решается при расчете усилительного каскада по переменному току. Метод расчета основан на замене транзистора и всего каскада его схемой замещения по переменному току. Схема замещения каскада ОЭ приведена на рис. 4, где транзистор представлен его схемой замещения в физических параметрах.

Сопротивление каскада по переменному току определяется сопротивлениями резисторов и , включенных параллельно, т. е. ║. Сопротивление нагрузки каскада по постоянному току больше, чем по переменному току ║.

Поскольку при наличии входного сигнала напряжение и ток транзистора представляют собой суммы постоянных и переменных составляющих, линия нагрузки по переменному току проходит через точку покоя (рис. 3, а). Наклон линии нагрузки по переменному току будет больше, чем по постоянному току. Линию нагрузки по переменному току строят по отношению приращений напряжения к току: .

2. Назначение элементов и принцип работы усилительного каскада по схеме с ОЭ

Основными элементами схемы являются источник питания , управляемый элемент — транзистор и резистор . Эти элементы образуют главную цепь усилительного каскада, в которой за счет протекания управляемого по цепи базы коллекторного тока создается усиленное переменное напряжение на выходе схемы. Остальные элементы каскада выполняют вспомогательную роль. Конденсаторы , являются разделительными. Конденсатор исключает шунтирование входной цепи каскада цепью источника входного сигнала по постоянному току, что позволяет, во-первых, исключить протекание постоянного тока через источник входного сигнала по цепи > > и, во-вторых, обеспечить независимость от внутреннего сопротивления этого источника напряжения на базе в режиме покоя. Функция конденсатора сводится к пропусканию в цепь нагрузки переменной составляющей напряжения и задержанию постоянной составляющей.

Какие элементы образуют усилительный каскад

Министерство образования Российской Федерации

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
им. А.Н. Туполева

Кафедра теоретической радиотехники и электроники

ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА
с RC – СВЯЗЯМИ (EWB)

Методические указания к лабораторной работе № 407
по курсу “Электротехника и электроника

Автор — составитель Погодин Д.В.

Исследование усилительного каскада
с RC – связями (EWB)

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: состоит в изучении принципа работы усилительного каскада на биполярном транзисторе с RC связями и исследовании влияния элементов принципиальной схемы на его частотные и временные характеристики.

1. Основные понятия и расчетные соотношения

При решении многих технических задач возникает необходимость в усилении слабых электрических сигналов. Это осуществляется электронными усилителями. Усилителем электрических сигналов называют устройство, в котором сравнительно маломощный электрический сигнал управляет передачей гораздо большей энергией от источника питания в нагрузку. Структурная схема усилителя приведена на рис.1.1. К входу усилителя (зажимы 1 1 -1) подключен источник сигнала с действующим значением ЭДС E r и внутренним сопротивлением R r . Он создает на выходе усилителя напряжение U вых . К выходу усилителя (зажимы 2 1 -2) подключена нагрузка с сопротивлением R н .
Усилитель, управляемый входным сигналом, преобразует энергию источника питания и создает в выходной цепи на нагрузке усиленный сигнал U вых , что отражено на схеме наличием источника напряжения K u U вх с выходным сопротивлением R вых (где K u =U вых /U вх – коэффициент усиления по напряжению).

1.1.Схема усилителя и назначение ее элементов

Усилитель представляет собой многокаскадное устройство, состоящее из ряда последовательно соединенных простейших каскадов. Схема одного из усилительных каскадов выполненного на биполярном транзисторе с RC связями приведена на рис.1.2. Такой усилитель обычно предназначен для предварительного усиления непрерывных или импульсных сигналов по напряжению, а резистивно-емкостная (RC) связь между усилителем и источником сигнала и нагрузкой является наиболее распространенной.

Основными элементами каскада являются: источник питания (E К ), биполярный транзистор n-p-n типа (VT1) и резистор коллекторной цепи R К . Эти элементы образуют главную усилительную цепь, в которой за счет протекания управляемого током базы I б коллекторного тока I к = B . I б , на коллекторе транзистора создается усиленное переменное напряжение U кэ =E к -I к R к , которое, далее, через разделительный конденсатор C р2 передается на нагрузочное сопротивление R н . Резисторы R 1 , R 2 , R э играют вспомогательную роль — обеспечивают необходимый режим транзистора по постоянному току (режим покоя или рабочую точку транзистора). Кроме того, за счет включения в эмиттерную цепь резистора R э , в схеме возникает отрицательная обратная связь по постоянному и переменному току. Она осуществляет температурную стабилизацию рабочей точки транзистора. Полярность напряжения источника питания E к положительна. Это обеспечивает для транзистора n-p-n типа смещение коллекторного перехода в обратном, а эмиттерного перехода в прямом направлении, т.е. активный (усилительный) режим работы транзистора. Конденсаторы C p1 и C p2 называются разделительными. Они обеспечивают изоляцию (разделение) источника сигнала и нагрузки от каскада по постоянному току и соединение (связь) их по переменной составляющей между собой. Для устранения отрицательной обратной связи по переменной составляющей, которая возникает из-за эмиттерного резистора R э его шунтируют конденсатором C э , сопротивление X cэ которого на низшей частоте усиливаемого сигнала должно быть на порядок меньше R э (R э >>X c э ). Это ослабляет (устраняет) отрицательную обратную связь в каскаде по переменному току и устраняет влияние R э на коэффициент усиления по переменной составляющей. Кроме перечисленных элементов принципиальной схемы, при усилении импульсных или высокочастотных сигналов, необходимо учитывать паразитную емкость C о = C кэ +C м +С сл.каскада , состоящую из 3-х составляющих : C кэ – емкость коллектор-эмиттер транзистора; С м – емкость монтажа; С сл.каскада – емкость следующего каскада, или прибора подключаемого в усилителю, например, осциллографа, которая включена параллельно нагрузке.

Идеальный усилитель должен увеличивать входной сигнал в заданное число раз (K u ) без изменения формы сигнала. В реальных усилителях этого не происходит. Всегда есть отличия, которые и составляют искажения создаваемые усилителем. Искажения бывают двух видов: линейные и нелинейные.

Анализ и расчет параметров усилительного каскада в режиме усиления малых сигналов целесообразно проводить, представив его эквивалентной схемой (рис.1.3) по переменному току в которой транзистор изображается схемой замещения в системе h — параметров: h 11 , 1/h 22 — входное и выходное сопротивление транзистора, h 21 = b – коэффициент передачи тока базы. Эквивалентная схема получается из принципиальной, если считать, что по переменному сигналу внутреннее сопротивление источника питания Е к и сопротивление эмиттерной цепи равны нулю (X Сф =1/ w С Ф ® 0, Xс э =1/ w C э ® 0), что всегда выполняется при правильном выборе С э и С ф в рабочем диапазоне частот.

1.2 Усилитель с RC — связью в режиме усиления непрерывных сигналов

При усилении непрерывных сигналов характеристики усилителя рассматривают в предположении, что входной сигнал — гармонический. Одной из основных характеристик усилителя, характеризующей его способность усиливать различные гармонические составляющие является комплексный коэффициент усиления K(j w ). Он представляет собой зависимость от частоты отношения комплексных амплитуд выходного ( ) и входного ( ) напряжений

К (j w ) = / = К( w )e j j ( w ) ,

где K( w ) = | K(j w )|-модуль комплексной функции или амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) коэффициента усиления — зависимость отношения амплитуд выходного и входного сигналов ( U mвых /U m вх ) от частоты j ( w ) – фазово-частотная характеристика (ФЧХ) – зависимость фазового сдвига между выходным и входным сигналами от частоты ( j ( w ) = j вых – j вх ).

На рис.1.4 и 1.5 приведены АЧХ и ФЧХ для идеального и реального усилителя. Для идеального усилителя АЧХ не зависит от частоты (K ( w ) = ). Для реального усилителя АЧХ ( K ( w ) ) непостоянна, т.е., зависит от частоты. Уменьшение коэффициента усиления в области НЧ и ВЧ представляют собой линейные частотные искажения, создаваемые усилителем. Они оцениваются коэффициентом частотных искажений М= / K ( w гр) .

Весь диапазон частот разбивают на 3 участка: область средних частот , где коэффициент усиления K u = практически не зависит от частоты — это область рабочих частот, область низких частот ¦ < ¦ н гр , где K u £ / и область высоких частот ¦ >¦ в гр , где K u < / . Частоты ¦ н.гр и ¦ в.гр , являющиеся границами рабочего диапазона, называют граничными частотами в области нижних ( ¦ н гр ) и области верхних ( ¦ в.гр ) частот.

1.2.1. Область средних частот

= U вых /U вх =- h 21 R н.экв /(R г + R вх.ус ) ,

где h 21 коэффициент усиления тока базы для транзистора, включенного по схеме с ОЭ; R вх.ус = R 1 //R 2 //h 11 — входное сопротивление усилителя (т.к. обычно R 1 и R 2 > h 11 , то R вх.ус = h 11 ); R н.экв = ( 1 /h 22 )//R к //R н -эквивалентное сопротивлению нагрузки транзисторного каскада; R г — выходное сопротивление источника сигнала.

Коэффициент усиления действительное число. Величина его зависит от выбора транзистора ( h 11 ,h 21 ) и резисторов R н.экв , R вх.ус. , R г . Знак (-) говорит о том, что происходит инвертирование выходного сигнала (сдвиг по фазе на 180 ) относительно сигнала на входе.

1.2.2 Область низких частот

Здесь необходимо учитывать разделительные конденсаторы С р1 и С р2 т.к. на низких частотах их сопротивления становятся соизмеримыми с R вх.ус и R н.экв , а паразитной емкостью С o можно пренебречь, т.к. Х с0 >>R н (рис.1.7). На низких частотах часть усиливаемого входного сигнала U вх падает на разделительных конденсаторах (С р1 и С р2 ), причем с уменьшением частоты оно возрастает, выходное напряжение уменьшается а, следовательно, это приводит к уменьшению коэффициента усиления по сравнению с его значением в диапазоне средних частот.

Коэффициент усиления в области низких частот имеет вид

где t н1 = С р1 R вх.ус — постоянная времени в области НЧ, определяемая С р1 ; t н2 =С р2 R н — постоянная времени в области НЧ, определяемая С р2 ; t н = t н1 t н2 /( t н1 + t н2 ) — эквивалентная постоянная времени каскада в области НЧ, определяемая разделительными конденсаторами С р1 и С р2 .

Нормированная АЧХ в области НЧ определяется выражением:

Отсюда следует, что нижняя граничная частота определяется из выражения w н =1/ t н .

Для уменьшения неравномерности АЧХ в области НЧ (расширения полоса пропускания), т.е. уменьшения w н , необходимо увеличивать t н . Это достигается путем увеличения значений С р1 и С р2 , а также увеличением значений и .

1.2.3 Область верхних частот

где t в = t b + t 0 ; t b = b 0 /(2 p ¦ a ) — постоянная времени транзистора по схеме с ОЭ, ¦ a — верхняя граничная частота транзистора по схеме с ОБ; t 0 =С 0 R н.экв — постоянная времени области высоких частот, определяемая С о .

Отсюда нормированная АЧХ для области ВЧ имеет вид

а верхняя граница частота w в =1 / t в .

Для уменьшения неравномерности АЧХ в области ВЧ (расширения полоса пропускания) необходимо уменьшить t в . Однако, значительно уменьшить t в рациональным выбором элементов схемы невозможно т.к. t в определяется и параметрами транзистора. Поэтому для расширения диапазона усиливаемых частот в области ВЧ необходимо выбирать транзистор с малой t b .

1.3 Усилитель с RC — связью в импульсном режиме

При усилении импульсных сигналов искажения создаваемые усилителем оцениваются по параметрам ее переходной характеристики. Под переходной характеристикой h(t ) понимают отклик (выходной сигнал) при подаче на вход скачка (перепада) напряжения =Е 0 . 1( t) , где Е 0 — амплитуда перепада; 1( t) -единичная функция.

На рис.1.9 приведены переходные характеристики (ПХ): а) идеального усилителя h(t)= 1(t) ; в) реального h(t)= ( e -t/ t н — e -t / t в ) , где t н и t в постоянные времени транзисторного каскада в области низких и верхних частот, причем t н >> t в . Отличие между идеальной и реальной ПХ наблюдаются в области малых времен , когда t < t в , т.е. t ® 0 и в области больших времен , когда t ³ т.е. t ® ¥ .

Этому выражению соответствует эквивалентная схема на рис.1.8. Искажения состоят в затягивании фронта перепада напряжения и объясняются конечным значением . Они связанным с тем, что напряжение на емкости C 0 мгновенно измениться не может. Чем меньше , тем лучше воспроизводится фронт перепада напряжения. Искажения в области малых времен оценивают длительностью переднего фронта t ф — время в течение которого выходное напряжение изменяется от 0.1U 0 до 0.9U o т.е. t ф = t 2 — t 1 (рис.1.10). Это время связано с а, следовательно, с верхней граничной частотой ¦ в АЧХ, соотношением t ф =2,2 t в =0,35 / ¦ в . Таким образом, чем меньше , тем шире полоса пропускания усилителя и тем меньше искажение фронта импульса.

Для больших времен ( t >> t в ) ПХ можно записать : h(t)= e -t/ t н » 1- t/ t н .

Этому выражению соответствует эквивалентная схема для области низких частот (рис.1.7). Искажения входного сигнала связаны в невозможностью передачи через разделительные конденсаторы и постоянной составляющей входного сигнала и состоят в спаде плоской части перепада напряжения. Чем больше , тем меньше нижняя граничная частота, тем меньше скорость спада, т.е. искажения.

Постоянные времени и экспериментально могут быть определены по ПХ, согласно рис.1.9, рис.1.10, рис.1.11.

При передаче через усилитель прямоугольного импульса (рис.1.12) длительностью T u , в области больших времен, вместо плоской вершины, образуется спадающая часть импульса — спад плоской вершины. Его величина определяется выражением:

D U вых = U вых.мах — U вых ( t= Т и )

Относительный спад вершины импульса D = D U вых /U o в момент его окончания оценивается выражением: D =[1 — h(T и )] = T и / .

Воспользовавшись этой формулой можно найти емкость разделительного конденсатора, соответствующую заданной величине спада C р = T и / (R н × D ).

Искажения прямоугольного импульса в области малых времен состоят в затягивании переднего фронта импульса. Они определяются и оцениваются (рис.1.12) .

1.4. Работа усилительного каскада в режиме большого сигнала

При большом входом сигнала, когда ( U m .вых » Е к /2 ) т.е. когда эти величины соизмеримы, форма выходного сигнала отличается от входного. Эти отличия обусловлены нелинейностью ВАХ транзистора и называются нелинейными искажениями усилителя.

Диапазон изменения выходного сигнала, усиливаемого без искажений можно оценить по амплитудной характеристике (АХ). АХ представляет собой зависимость амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного (U m.вых =f(U m.вх ) ) (рис.1.13).

Для идеального усилителя АХ-прямая (прямая А на рис.1.13). Для реального усилителя она нелинейна. Линейный участок АХ (0- n ) позволяет определить входной максимальный сигнал U вх.мах , а также и выходной максимальный сигнал U вых.мах , при котором нелинейные искажения незначительны. По АХ, в линейной ее части, можно определить коэффициент усиления усилителя (рис.3.1) К u = D U m .вых / D U m .вх .

2. Задания на теоретические расчеты

Схема усилительного каскада приведена на рис.3.1. Параметры элементов следующие: R 1 =39 к, R 2 =10к, R к =2к, R э =1к, R н1 =2к, R н2 =2к, C =10мкФ, C =1мкФ , С =2мкФ ; С э =10мкФ, С 0 =22нФ, h 11 =1 к, h 21 =40, h 22 =1,5 . 10 -4 См, Сф=20 мкФ.

2.1. Рассчитать коэффициент усиления усилителя (рис.2) для области средних частот (), для следующих случаев :

а) R н = R н1 , С р2 = C ; б ) R н = R н1 // R н 2 , С р2 = C ; в) R н = ¥ , С р2 = C .

2.2. Рассчитать значения граничных частот ¦ н гр и ¦ в гр для вариантов а, б, в задания 2.1. Построить схематично АЧХ коэффициентов усиления для этих случаев на одном графике и сделать выводы о влиянии:

а) R н и R к на значение ¦ н гр ; б) R н и R к на значение ¦ в гр . ;

в) C р на значение ¦ н гр и ¦ в гр ; г) C 0 на значение ¦ н гр и ¦ в гр .

2.3. Рассчитать значения постоянных времени ( t н ) и ( t в ) для вариантов а, б, в, задания1 и построить схематично переходные характеристики для этих случаев :

а) для области малых времен;

б) для области больших времен;

и сделать вывод о влиянии C 0 , С р , R к , R н на переходную характеристику.

2.4. Нарисовать временную диаграмму отклика усилителя на прямоугольный импульс, если t ф =0,2 t и , D = 20 %. Определить t н и t в .

2.5. Нарисовать графики поясняющие появление нелинейных искажений в усилителях.

2.6. Показать, что эмиттерное сопротивление R э , создающее отрицательную обратную связь, практически не влияет на коэффициент усиления в рабочем диапазоне частот , если f н.гр =100 Гц.

3. Задания на экспериментальные исследования и методические указания к ним

Схема исследуемого усилителя приведена на рис. 3.1.

Параметры элементов следующие: R 1 =39 к, R 2 =10к, R к =2к, R э =1к, R н1 =2к, R н2 =2к, C =10мкФ, C =1мкФ , С =2мкФ ; С э =10мкФ, С 0 =22нФ, h 11 =1 к, h 21 =40, h 22 =1,5 . 10 -4 См, Сф=20 мкФ.

3.1 Исследовать влияние элементов схемы на амплитудную характеристику (АХ) усилительного каскада

АХ снимают в диапазоне рабочих частот, где влиянием С р и С 0 пренебрегают.

3.1.1. С нять осциллограммы выходного сигнала усилителя при U вх =10мВ и 120мВ, собрав схему приведенную на рис.3.1.

С выхода генератора гармонических колебании на вход “ Вход усилителя “ подать сигнал величиной 10 мВ (120мВ) с частотой 1000Гц. Величину сигнала контролировать вольтметром или осциллографом. Вход осциллографа подключить к выходу усилителя и добиться на экране осциллографа устойчивого изображения сигнала с помощью синхронизации.

Зарисовать в отчет выходной сигнал и рассчитать коэффициент усиления (К 0 = U m вых |/U m вх ) для обоих случаев. Обратить внимание на искажения при большом входном сигнале. За амплитуду принимать половину размаха сигнала.

3.1.2. Снять амплитудную характеристику усилителя при R н = ¥ .

Измерения проводить в диапазоне изменения входного сигнала 0-120мВ с шагом 20мВ на частоте 1000Гц. Величину входного и выходного напряжений измерять вольтметром или осциллографом.

Результаты измерений записать в табл.1.

U m .вых | R н=2кОм

3.1.3. П овторить задание 3.1.2 при R н = R н1 =2кОм .

3.1.4. По результатам измерений построить АХ на одном графике. Указать линейные участки АХ. Рассчитать коэффициенты усиления и сравнить с расчетом в домашнем задании.

ЗАДАНИЕ 4.2 Исследовать влияние элементов схемы на амплитудно-частотную (АЧХ) и фазовочастотную (ФЧХ) характеристику коэффициента усиления усилительного каскада

3.2.1. Снять АЧХ усилительного каскада при R н = R н1 ; C р2 = C р2.

Схема измерений АЧХ аналогична схеме измерений АХ.

Изменяя частоту гармонического сигнала на входе усилителя в диапазоне 10Гц — 100кГц и поддерживая его амплитуду равной 10мВ измерять амплитуду выходное напряжение. Результаты измерений заносить в табл.2 и рассчитать коэффициент усиления К u = U m. вых /U m .вх , при U m. вх = 10мВ.

Какие элементы образуют усилительный каскад

Усилительные каскады.

2. Назначение элементов и принцип работы усилительного каскада по схеме с оэ

2. Назначение элементов и принцип работы усилительного каскада по схеме с ОЭ

Какие элементы образуют усилительный каскад

1. Основные понятия и расчетные соотношения

2. Задания на теоретические расчеты

3. Задания на экспериментальные исследования и методические указания к ним

Добавить комментарий Отменить ответ