Расчёт усилительного каскада с О.Э. Родюков, страница 3

Амплитудно-частотная характеристика усилителяравного отношению коэффициента усиления на средней частоте (fСР ),к коэффициенту усиления на нижней (fН ) или верхней (fВ ) частоте:M=KU СРKU СРили M =.KU НKU ВОбычно допустимые значениякоэффициентов частотных искажений√не превышают величину 2.Частоты меньше fН и выше fВ образуют области частотных искажений и не используются в работе усилителя.Полоса пропускания усилителя Δf , характеризует диапазон частот, на котором коэффициент искажений M не превышает допустимые значения и определяется как разность между верхней и нижнейчастотой усилителя:Δf = fВ − fНВ зависимости от величин fН и fВ усилители делятся на:1. Усилители медленно изменяющихся сигналов (или усилителипостоянного тока, УПТ) – у них нижняя частота АЧХ мала иприближается к 0 (fН → 0) а верхняя частота может достигать103 .

. . 108 Гц2. Усилители низкой частоты (УНЧ) – нижняя частота равна десяткам герц, верхняя достигает сотен килогерц (для усилителейзвуковой частоты (УЗЧ) — fВ = 15 . . . 20кГц)3. Усилители высокой частоты (УВЧ) – диапазон частот начинается от сотен килогерц и простирается до десятков и сотенмегагерц162. Теоретическое введение4. Широкополосные усилители (ШПУ) – усиливают частоты отдесятков герц до сотен мегагерц (в основном применяются вимпульсной технике)5. Узкополосные или избирательные усилители – применяютсядля усиления сигналов в узком диапазоне частот (в идеале усиливается одна частота).Амплитудная характеристикаусилителя (рис.

2.13) характеризуетUВЫХ, ВСзависимость выходного напряженияBот входного на средних частотах.При отсутствии входного сигнала (UВХ = 0) на выходе мы имеемнапряжение UШ , обусловленное внуAтренними шумами усилителя. МиниUШмальное входное напряжение должUВХ, MВно быть не менее чем в 2–3 раUВХminUВХmaxза больше уровня внутренних шумов(UВХmin > 2 . . . 3UШ ). ПрямолинейныйРис. 2.13. Амплитуднаяучасток A–B является рабочим. Учахарактеристика усилителясток B–C обусловлен нелинейностьюусилительных элементов при высоком уровне сигнала.Таким образом, при уровне входного сигнала меньше UВХmin мыне сможем отличить полезный сигнал от помех, а в случае UВХ >UВХmax выходной сигнал будет иметь нелинейные искажения.2.2.2.

Усилительный каскад с ОЭУсилительный каскад с общим эмиттером (рис. 2.14) являетсяодним из самых распостранённых и применяется в каскадах предварительного усиления многокаскадных усилителях.Название схемы "с общим эммитером"означает, что вывод эмиттера является общим для входной и выходной цепи. В этом случае вывод эмиттера называется общим (обозначается ⊥, также используетсятермин „земля“), а все потенциалы измеряются относительно него.Усилительный каскад с общим эмиттером работает следующимобразом:1. При увеличении входного напряжения (UВХ ↑) ширина p − n2.2. Усилительной каскад с общим эмиттером (ОЭ)17перехода между коллектором и базой уменьшается, в результатевозрастает ток в цепи эмиттера (IЭ ↑, см.

рис. 2.3), а выходноесопротивление транзистора (между коллектором и эмиттером)уменьшается (RВыхТр ↓), а следовательно уменьшается и падениенапряжения на выходе транзистора (IЭ ∗ RВыхТр = UВых ↓).2. При уменьшении входного напряжения (UВХ ↓) ширина p − n перехода между коллектором и базой увеличивается, в результатечего ток в цепи эмиттера уменьшается (IЭ ↓, см.

рис. 2.3), а выходное сопротивление транзистора (между коллектором и эмиттером) увеличивается (RВыхТр ↑), а следовательно увеличиваетсяи падение напряжения на выходе транзистора (IЭ ∗ RВыхТр =UВых ↑).Таким образом, мы видим, что усилительный каскад с общим эмиттером сдвигает фазу выходного сигнала, относительно входногона 180о .Характер изменения выходного напряжения, при изменении входного от минимальногодо максимального, определяется статическойнагрузочной характеристикой:EК = UКЭ + RК IКРис. 2.14.

Усилительнойкаскад с общимэмиттеромЭто выражение получено на основе II закона Кирхгофа (рис. 2.14) и из него хорошо видна роль резистораRК −фактически он определяет характер изменения выходного сигнала, при его отсутствие (RК = 0), напряжение на выходе усилителябудет определятся исключительно источником питания:EК = UКЭ .При (RК 6= 0), падение напряжения на RК будет зависеть отвеличины тока коллектора IК , связанного с величиной тока базы коэффициентом β: IК = βIБ . Отсюда следует, что напряжение на выходекаскада будет по форме повторять напряжение на входе.Статическая нагрузочная характеристика определяет закон изменения выходного сигнала и строится на выходной характеристике транзистора.

Эта характеристика является прямой линией, для182. Теоретическое введениепостроения которой достаточно двух точек, например точек её пересечения с осями. Выходная характеристика транзистора показывает зависимость IК от UК , поэтому рассмотрим значения нагрузочнойхарактеристике при IК = 0 (точка „c”) и UK = 0 (точка „d”) (рис. 2.15):UК = EК |IК =0EК IК =RК UK =0Величина э.д.с. источника питания EК выбирается несколько меньше максимально допустимого напряжения на коллекторе, задаваемогов характеристиках транзистора, в пределах EК = (0, 7 .

. . 0, 9)UКmaxХарактер нагрузочной характеристики и коэффициент усиления,при заданной э.д.с. источника питания EК , определяется величинойнагрузочного резистора RК который, обеспечивает необходимый уровень падения напряжения на выходе каскада и ограничивает ток коллектора.Рис. 2.15. НагрузочнаяхарактеристикаРис. 2.16. Нагрузочная характеристика сограничениями (штриховкой выделенаобласть с недопустимыми значениямивыходного сигнала)Положение точек „с” и „d” ограничено сверху максимально допустимыми значениями тока (IКmax ), напряжения (UКЭmax ) и мощности (PКmax ), которые задаются паспортными данными транзистора(рис.

2.16).Нагрузочная характеристика является основой графоаналитического метода расчёта усилительного каскада.2.2. Усилительной каскад с общим эмиттером (ОЭ)192.2.3. Режим работы по постоянному токуРежим работы по постоянному току является важнейшей характеристикой усилительного каскада и характеризует его работу приотсутствии в напряжение на входе усилительного каскада переменнойсоставляющей, которая и является усиливаемой величиной.Режим работы по постоянному току характеризуется положением рабочей точки – точки на нагрузочной характеристике, соответствующей нулевому уровню переменной составляющей входногонапряжения.На рисунке 2.15 мы видим,что нагрузочная линия, как и выходные характеристики транзистора, находятся с одной стороны отоси UКЭ , следовательно на выходеусилительного каскада будет сигнал одной полярности, а составляющие противоположной полярности будут утеряны.Положение рабочей точки определяется величиной и знаком постоянной составляющей входного напряжения напряжения UБЭ0 .Если входное напряжение меняется по закону синуса, то получимследующее выражение:u = UБЭ0 + UБЭm sin ωtРис.

2.17. Режимы работы усилителяа) входной сигнал;б) режим А;в) режим B;г) режим C;В зависимости от положениярабочей точки на нагрузочной характеристике различают 3 классаусилителей:Класс А (рис. 2.17б)– режим, при котором напряжение в выходной цепи изменяется в течении всего периода входного сигнала. Вэтом случае рабочая точка находится посредине участка нагрузочнойхарактеристики, соответствующего линейному участку характеристиктранзистора а входной и выходной сигналы являются пульсирующи-202. Теоретическое введениеми3 .

Отсюда следует, что при нулевом сигнале на входе (напомним,что входным сигналом для нас является переменная составляющая),напряжение на выходе будет равно UКЭ0 . Отсюда следует, что принулевом сигнале на входе, напряжение на выходе будет равно UКЭ0 .Следует обратить внимание на то, что в связи с нелинейностьюхарактеристик транзистора в области низких значений тока коллектора, максимальное амплитудное значение выходного сигнала (UКЭm )будет несколько меньше UКЭ0 .Достоинством класса А являются малые нелинейные искажения,однако КПД каскада η = PP∼0 (P∼ – выходная мощность, P0 – мощность,потребляемая усилителем от источника питания) очень мал – 0, 5.В основном класс А используется в каскадах предварительногоусиления.Класс B – режим, при котором напряжение в выходной цепиизменяется в течении приблизительно половины периода входногосигнала (рис.

2.17в), т.е. входной сигнал является переменным4 ипроисходит потеря половины его периода.При анализе режимов работы усилителей удобно использоватьугол отсечки θ – половина угла, соответствующего участку периода,на котором не происходит изменение выходного сигнала. Для каскада, работающего в идеальном режиме В, величина угла отсечкиравна π/2. В этом случае величина постоянной составляющей равна0, а КПД может достигать величины η = 0, 8.

Нелинейные искаженияимеют сравнительно небольшую величину и в основном сконцентрированы в области нулевого значения входного и выходного сигналов.Это связано с нелинейном характером начальных участков входных ивыходных характеристик транзистора.Класс B получил широкое распространение в двухтактных усилительных каскадах5 , однако идеальный класс В (θ = π/2) применяется редко, наибольшее распространение получил промежуточный3 Пульсирующийсигнал меняется только по величине, знак остаётся постоянным, т.е. этосигнал одной полярности.4 Переменный сигнал меняется как по величине, так и по знаку5 В двухтактном усилительном каскаде имеется два усилительных элемента, каждый изкоторых усиливает напряжение одной из полярностей, они позволяют обеспечить изменениевыходного напряжения в течении всего периода входного.

Недостатком подобных каскадовявляется невозможность найти два абсолютно одинаковых транзистора, что приводит кискажениям в местах соединения разнополярных полупериодов на выходе усилителя2.2. Усилительной каскад с общим эмиттером (ОЭ)21Класс АВ6 , при котором угол отсечки несколько больше π/2, тоесть к входному напряжению прибавляется постоянная составляющая,величина которой составляет 5 . . . 15% от максимального входногонапряжения. Наличие постоянной составляющей такой величины позволят выйти из нелинейного участка в начале входных и выходныххарактеристик транзистора.Класс С – режим, при котором напряжение в выходной цепи изменяется в течении времени значительно меньшего половины периодавходного сигнала (рис.