62616 (Методы анализа транзисторных усилительных каскадов)

Академия России

Кафедра Физики

Реферат на тему:

МЕТОДЫ АНАЛИЗА ТРАНЗИСТОРНЫХ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ

Орел 2009

Содержание

Вступление

1. Постановка задачи

2. Анализ статического режима работы

3. Анализ динамического режима работы

Библиографический список

Вступление

Усиление электрических сигналов является фундаментальным и исключительно важным свойством аппаратурных средств обработки сигналов, которое очень широко используется для совершенствования технических показателей самых различных радиотехнических устройств. Усилители находят самое широкое применение и как самостоятельные устройства, и как составные части более сложных устройств. Кроме аппаратуры связи их используют в бытовой электронике, звуковом кино, радиолокации, медицине, технике измерений, автоматике и т.д. На основе усилительных каскадов строится большинство аналоговых электронных устройств посредством добавления тех или иных обратных связей. Особое значение усилительные устройства имеют в радиоприемных трактах, поскольку на входы радиоприемников поступают сигналы очень малой мощности, а оконечные устройства требуют мощности, на несколько порядков большей.

1. Постановка задачи

Эффект увеличения мощности полезного сигнала при сравнительно точном сохранении его формы (и спектрального состава соответственно) называют усилением, а устройство, реализующее этот эффект, усилительным. Принцип электронного усиления заключается в том, что с помощью активного электронного прибора (усилительного элемента УЭ) энергия постоянного источника напряжения преобразуется в энергию полезного электрического колебания по закону изменения входного сигнала. Для управления процессом преобразования энергии на вход усилительного элемента подают малую мощность Р_ВХ. Таким образом, при усилении источник сигнала малой мощности Р_ВХ управляет работой усилительного элемента по преобразованию большой мощности источника питания Р₀ в мощность выходного колебания Р_ВЫХ, выделяемого в нагрузке усилительного устройства. Безусловно, Р_ВЫХ < Р₀, но в оконечных каскадах усилителей эти мощности близки по величине, и отношение Р_ВЫХ/Р₀ определяет коэффициент полезного действия усилителя .

Поскольку в данной лекции речь пойдет о различных методах анализа усилительных каскадов, необходимо разобраться с основными понятиями. Анализ (от греч. analysis - разложение, расчленение) - метод научного исследования, состоящий в мысленном разложении сложного объекта на более простые составные части с целью оценки эффективности и качества функционирования этого объекта.

В данном случае речь идет об оценке качества работы типовых усилительных каскадов с транзистором в роли активного электронного прибора (усилительного элемента) и гармоническим сигналом на выходе. Так как основное предназначение усилителя - это получение на выходе сигнала большей мощности, чем на входе, то оценка качества усилительного каскада будет заключаться в решении следующих задач:

1. Во-первых, это традиционная задача анализа электрических цепей - определить реакцию цепи на заданное воздействие. Поскольку в качестве воздействия используется моногармонический сигнал

(6.52)

то в случае идеальной работы усилительного каскада на выходе также должен быть моногармонический сигнал

(6.53)

где k - коэффициент пропорциональности, определяющий степень усиления (чаще всего k > 1).

В реальных схемах усилительных каскадов выходной сигнал, как правило, отличается по форме от входного. Происходит это из-за нелинейности характеристик усилительного элемента (УЭ), а проявляется в зависимости усилительных свойств транзистора от амплитуды воздействия.

Таким образом, форма выходного сигнала будет отличаться от гармонической и спектр его обогатится соответственно новыми спектральными составляющими, которых не было во входном сигнале. Такие искажения, как нам уже известно, носят название нелинейных и оцениваются с помощью коэффициента гармоник К_Г. Кроме нелинейных усилительный каскад вносит так называемые линейные (т.е. не связанные с искажением формы и обогащением спектра) или частотные искажения. Суть их заключается в том, что из-за наличия реактивностей в схеме усилительного каскада (в основном, это емкости разделительных и блокировочных конденсаторов, а также различные паразитные емкости и индуктивности) коэффициент пропорциональности k в выражении (6.53) является частотно-зависимым, т.е. имеет комплексный характер. В результате амплитуда и начальная фаза выходного сигнала не являются постоянными величинами, как во входном сигнале, а изменяются в зависимости от частоты воздействия.

2. Таким образом, вторая задача анализа - оценить величину искажений (линейных и нелинейных), которые усилительный каскад вносит в усиливаемый сигнал.

Для того чтобы решить эти две задачи, надо вычислить основные параметры и характеристики усилительного каскада, позволяющие оценить в количественной форме степень усиления и искажений гармонического входного сигнала. Кроме того, необходимо вычислить те параметры и характеристики усилительного каскада, которые определяют влияние данного усилителя на предшествующие и последующие каскады, а также дают возможность оценить степень зависимости данного усилительного устройства от аналогичных влияний (это в основном входное и выходное сопротивления усилителя).

3. Таким образом, третья задача анализа - определить основные характеристики (передаточную, импульсную, переходную, амплитудную) и параметры (входное и выходное сопротивления, коэффициент усиления, коэффициенты линейных и нелинейных искажений) усилительного каскада.

Рассмотренные задачи анализа относятся к так называемому динамическому режиму работы усилительного каскада (ДРРУ), т.е. режиму, когда на вход подается гармонический сигнал, требующий усиления. Таких режимов может быть несколько, в зависимости от того, какую долю периода усиливаемого колебания ток протекает через усилительный элемент: режимы А, В, С, Д, АВ и др. Работа усилительного каскада может быть:

без отсечки выходного тока УЭ (режим А);

с отсечкой = 90 (режим В);

< 90 (режим С);

> 90 (режим АВ);

ключевой режим (Д) и т.д.

Чтобы обеспечить работу усилительного каскада в том или ином динамическом режиме, надо правильно выбрать положение исходной рабочей точки (РТ) на статических вольт-амперных характеристиках УЭ, необходимо обеспечить стабильность этой РТ, малую зависимость положения РТ от свойств конкретного УЭ и условий его работы.

Таким образом, прежде чем приступать к анализу динамического режима работы усилителя, необходимо оценить качество статического режима, т.е. режима работы при отсутствии входного сигнала, когда все токи в схеме усилительного каскада определяются действием постоянных источников напряжения. В процессе анализа статического режима необходимо определить положение исходной РТ, оценить стабильность этого положения при различных возмущающих факторах, вычислить значения постоянных токов и напряжений в схеме.

В основе анализа статического и динамического режимов работы транзисторного усилительного каскада лежат методы последовательного упрощения схемы усилителя схемами замещения и использование теории активных линейных четырехполюсников. Транзистор как усилительный элемент может рассматриваться как зависимый источник сигнального напряжения или тока (управляемый генератор сигнального напряжения или тока) или как нелинейное сопротивление постоянному току, мгновенное значение которого изменяется по закону входного гармонического колебания.

Наиболее распространенной схемой усилительного каскада, увеличивающего напряжение входного сигнала, является усилитель, выполненный по схеме с общим эмиттером, типовая схема которого показана на рисунке 6.10.

Рис.6.10. Усилитель с общим эмиттером

Характеристика схемы: транзисторный резистивный усилитель напряжения с общим эмиттером, автоматическим напряжением смещения, последовательным коллекторным питанием и резистивно-ёмкостной связью с последующим каскадом.

Назначение элементов:

транзистор VT n-p-n типа - усилительный элемент. Преобразует энергию источника постоянного напряжения Е_К в энергию колебаний в нагрузке по закону изменения входного гармонического колебания;

резистор R_К - сопротивление нагрузки усилительного элемента. На нем выделяется усиленное напряжение сигнала;

С_Р - разделительный конденсатор (десятые доли мкФ). Обеспечивает разделение цепей данного и последующего каскадов по постоянному току;

R_Ф, С_Ф - фильтр низкой частоты (сотни ом, десятки микрофарад). Устраняет протекание переменной составляющей через источник постоянного напряжения Е_К, исключая бесполезные потери на его внутреннем сопротивлении, а также минимизирует паразитную связь между различными каскадами через общий источник Е_К на частоте усиливаемого сигнала;

R_Б1, R_Б2 - базовый делитель (от единиц до десятков килоом), обеспечивает фиксированное напряжение смещения базы;

R_Э, С_Э - цепь автоматического базового смещения (сотни ом, десятки микрофарад). Совместно с базовым делителем резистор R_Э реализует схему эмиттерно-базовой стабилизации тока коллектора;

Е_К - источник питания. Обеспечивает необходимые постоянные напряжения на переходах транзистора для обеспечения активного режима его работы;

R_H, C_H - эквивалентная нагрузка.

2. Анализ статического режима работы

Статический режим работы характеризуется отсутствием на входе усилителя гармонического сигнала ( ). Через транзистор и другие элементы схемы протекают постоянные токи, обусловленные действием Е_К. Если учесть то обстоятельство, что сопротивление конденсатора для постоянного тока бесконечно велико, то все емкости в схеме на рисунке 6.10 можно заменить разрывом цепи. Тогда эквивалентная схема усилительного каскада для статического режима примет вид, как на рисунке 6.11.

Рис.6.11. Эквивалентная схема усилителя в статическом режиме

Выбранный режим работы обеспечивают включенные в схему резисторы, для правильного выбора которых необходимо знать цепи протекания постоянного тока в схеме.

Цепь тока базы: + Е_К R_Ф R_Б1 база-эмиттер - Е_К + Е_К.

Цепь делителя: + Е_К R_Ф R_Б1 R_Б2 - Е_К + Е_К.

Цепь тока коллектора: + Е_К R_Ф R_К коллектор-база-эмиттер R_Э - Е_К + Е_К.

В этой схеме базовый вывод транзистора питается от низкоомной цепи R_Б1, R_Б2 (базовый делитель), которая задает постоянное напряжение на базе В. Для стабилизации режима работы ток делителя I_Д необходимо выбирать в 3 - 10 раз больше тока базы:

(6.54)

Поскольку величина R_Ф выбирается таким образом, чтобы U_Rф 0,1Е_К, неравенство (6.54) можно переписать в виде

(6.55)

Для стабилизации режима работы необходимо также выбирать сопротивление в коллекторной цепи транзистора по условию

. (6.56)

Для кремниевых транзисторов малой и средней мощности, если постоянный ток коллектора колеблется в пределах = (0,5 - 50) мА, напряжение U_БЭ 0,6 В.

При этом постоянный ток эмиттера необходимо выбирать больше амплитуды переменного тока в нагрузке I_mН:

(6.57)

Выполнив эти условия, нестабильность напряжения U_БЭ или тока I_Б будет практически не оказывать влияния на основные характеристики усилительного каскада, а коэффициент усиления постоянного напряжения K_UП не превысит