Расчёт усилительного каскада с О.Э. Родюков, страница 4

2.17г), т.е. 0 < θ < π/2. Этот класс характеризуется высоким КПД и сильными нелинейными искажениями. Своеприменение он нашел в избирательных усилителях и автогенераторах,для работы которых достаточно наличия нулевой гармоники.Помимо аналоговых классов усилителей, имеется импульсныйКласс D, который характеризуется наличием только двух уровнейвыходного напряжения – максимальное и нулевое, то есть транзисторработает в ключевом режиме – либо полностью открыт, либо полностью закрыт. Подобные усилители широко применяются в импульснойтехнике, отличаются очень высоким КПД и малыми нелинейными искажениям. Сигналы, которые усиливаются ими, используют широтноимпульсную модуляцию (ШИМ), при которой информация кодируетсядлительностью импульса.В нашей работе мы рассматриваемусилительный каскад класса ”A”.

Егоособенностью является то, что рабочаяточка выбирается между точками ”с” и”d” нагрузочной характеристики так, чтобы входной и выходной сигнал всегда находились на линейных участках характеристик транзистора. На рис. 2.18 показано положение рабочей точки на выходнойхарактеристике транзистора. Здесь точка”A” соответствует рабочей точке, точка Рис. 2.18. Рабочая точка навыходных характеристиках”a” – минимальному, а точка ”b” – мактранзисторасимальному уровню выходного сигнала.Точки ”a” и ”b” выбираются таким образом, чтобы они находились на линейных6 Напрактике часто режим АВ обозначается как режим В, что не всегда особооговаривается222. Теоретическое введениеучастках как входных, так и выходных характеристик транзистора.Рабочая точка выбирается на середине отрезка ab.Положение рабочей точки, а следовательно и класс усилителя,определяется величиной и знаком постоянного напряжения UБЭ0 , создаваемого на входе усилителя делителем напряжения R1 R2 (рис.

2.19).Значения сопротивлений резисторов R1 и R2 определяются следующими выражениями:R1 =EК − UБЭ0IД + IБ0R2 =UБЭ0IД + IБ0Здесь UБЭ0 и IБ0 соответствуют положению рабочей точки навходной характеристики и определяются с помощью графических навходных характеристиках транзистора, IД – ток делителя, протекающий через резисторы R1 R2 . Для повышения стабильности напряжениясмещения желательно чтобы величина IД была достаточно высокой,однако в целях экономии энергии источника питания EК , значение IДвыбирается в пределах:IД = (2 .

. . 5)IБ0При расчёте резисторов R1 и R2 мыпредполагаем, что постоянная составляющая входного сигнала равна нулю, однако, в реальных схемах это предположениезачастую не верно, поэтому, для удаления постоянной составляющей во входномсигнале на входе схемы ставится разделительный конденсатор CР1 , а для удаления постоянной составляющей, созданнойделителем R1 R2 — конденсатор CР1 наРис. 2.19. Усилительнойвыходе.каскад с ОЭ и делителемнапряжения R1 R2Помимо подавления постоянной составляющей, разделительные конденсаторы оказывают воздействие и на переменную.

Можно выделить двавоздействия: подавление переменной составляющей на нижних частотах и смещение фазы выходного сигнала. Подавление переменного2.2. Усилительной каскад с общим эмиттером (ОЭ)23сигнала на нижних частотах связано с характером емкостного сопротивления XC = 1/ωC, где ω = 2πf – круговая частота, в результатекоэффициент усиления на частотах от 0 до fН оказывается мал и приf → 0 также стремится к нулю. Этим объясняется провал АЧХ нанижних частотах у усилителей, в которых используются конденсаторы. В рассматриваемой схеме воздействие конденсаторов на разностьфаз между напряжением и током, в связи с малыми значениямиемкостей конденсаторов, достаточно мало и мы им пренебрежём.Ёмкость конденсатора Cр1 рассчитывается исходя из того, чтоего емкостное сопротивление на нижней частоте должно быть многоменьше входного сопротивления каскада:12πfН CР1 RВхКВ обычных расчётах достаточно чтобы XCР1 не превышало 10% отвходного сопротивления:12πfН CР1ОтсюдаCР1 ≥≤ 0, 1RВхК10,2πfН RВхКили, для Cр1 , выраженного в микрофарадах:CР1 ≥101062πfН RВхКВходное сопротивление каскада RВхК , равно сумме сопротивленийбазы и входного сопротивления транзистора:RВхК =RБ RВхТ,RБ + RВхТа сопротивление базы — сумме сопротивлений R1 R2 делителя, такжевключённых параллельно:RБ =R1 R2.R 1 + R2Величина RБ , во избежании шунтирующего действия по отношениюк входному сопротивлению транзистора, должна быть в пределах242.

Теоретическое введениеRБ = R1 k R2 = (2 . . . 5)RВхТ .Аналогично рассчитывается ёмкость разделительного конденсатора на выходе каскада, только расчёт ведётся с учётом не входногосопротивления каскада, а сопротивления нагрузки:CР2 ≥101062πfН RН2.2.4. Термостабилизация усилительного каскадаВажной особенностью полупроводников является весьма высокая зависимость концентрации зарядов от температуры, что приводитк изменению токов базы и коллектора, а также коэффициента усиления. В результате происходит изменение токов и напряжений вусилителе, в частности напряжение UБЭ изменяется на 2 .

. . 2, 5мВ на1 градус, а IКБ удваивается при изменении температуры на 5 . . . 7◦для кремниевых и 8 . . . 10◦ для германиевых транзисторов [4]. Подобные изменения приводят к смещению рабочей точки, изменениюкоэффициента усиления и появлению нелинейных искажений.Для компенсации воздействиятемпературы в схему усилительныхкаскадов вводят цепи термостабилизации, принцип действия которых основан на механизме обратных связей.Обратная связь (ОС) - воздействие выходной цепи на входную, когда часть выходного сигнала подаётсяна вход.Различают положительную обратную связь (ПОС), когда выходнойРис.

2.20. Термостабилизациясигнал складывается с входным (фаусилительного каскада с ОЭзы сигналов совпадают) и отрицательную обратную связь (ООС), когда выходной сигнал вычитаетсяиз входного (сигналы находятся в противофазе).В усилителях широко применяются ООС с целью увеличениястабильности работы усилителя, уменьшения нелинейных искажений,однако следует учитывать, что ООС снижает коэффициент усилениякаскада. ПОС применяются, в основном, в генераторах, в усилителях2.2. Усилительной каскад с общим эмиттером (ОЭ)25они приводят к самовозбуждению – неконтролируемому росту коэффициента усиления.

В усилительных каскадах ПОС обычно являются паразитными – самопроизвольно возникающие ОС, являющиесяошибками проектирования.В усилительных каскадах с общим эмиттером часто термостабилизация осуществляется путем создания ООС на базе резистора RЭ(рис. 2.20).При отсутствии входного сигнала (режим по постоянному току), напряжение между базой и эмиттером определяется по II законуКирхгофа:UБЭ0 = U20 − UЭ0где U20 = I20 R2 , UЭ0 = IЭ0 RЭ — падение напряжения на резисторах R2и RЭ соответственно.При повышении температуры, возрастаюттоки базы и коллектора, что приводит к увеличению UБЭ и, как следствие, смещению рабочейточки и увеличению коэффициента усиления.В результате увеличения IЭ возрастает величина падения напряжения UЭ0 = IЭ0 RЭ а разность UБЭ0 = U20 − UЭ0 уменьшается (рис. 2.21),в результате чего рабочая точка смещается висходное положение.Рис.

2.21. ПринциптермостабилизацииПри снижении температуры происходитусилительногообратный процесс: токи базы и коллекторакаскада с ОЭуменьшаются, что приводит к уменьшению UБЭ .В результате уменьшения IЭ уменьшается иUЭ0 = IЭ0 RЭ , а разность UБЭ0 = U20 − UЭ0 увеличивается, в результатечего рабочая точка смещается в исходное положение.Помимо стабилизации рабочей точки, RЭ оказывают достаточносерьёзное воздействие на работу усилительного каскада.Во первых, резистор RЭ находится в цепи коллектор–эммитер, иучаствует в формировании нагрузочной характеристики:EК = UКЭ0 + IR0 (RК + RЭ ).Во вторых, на нём происходит падение переменной составляющей выходного напряжения (которая и является полезным выходнымсигналом) что приводит к уменьшению коэффициента усиления.262.

Теоретическое введениеТаким образом, при выборе величины сопротивления RЭ , необходимо учитывать два взаимоисключающих момента:1. Термостабилизация осуществляется тем лучше, чем выше глубина обратной связи (т.е., чем выше ток делителя IД и вышесопротивление RЭ );2. Чем выше величина сопротивления RЭ , тем больше на нём происходит падение напряжения и тем ниже КПД каскада.Для уменьшения воздействия на нагрузочную характеристику RЭвыбирается равным (1 . .

. 2)В, что для биполярных транзисторов соответствует (10 . . . 30%) от EК :RЭ IЭ = (0, 1 . . . 0, 3)EК ,что равносильно выборуRЭ = (0, 05 . . . 0, 15)RКв согласованном режиме работы транзистора.Для уменьшения воздействия RЭ на выходной сигнал параллельноему ставится шунтирующий конденсатор CЭ .Для того, чтобы конденсатор CЭ осуществлял шунтирование резистора RЭ , необходимо, чтобы емкостное сопротивление XCЭ конденсатора было значительно ниже RЭ на всём диапазоне частот, накоторых работает усилительный каскад.

Как нам известно из курсаэлектротехники, величина емкостного сопротивления обратно пропорциональна частоте и с ростом частоты уменьшается. Следовательно,при определении величины ёмкости CЭ нам необходимо ориентироваться на наименьшую частоту, которой является нижняя граничнаячастота fН . Обычно достаточно, чтобы сопротивление XCЭ для fНбыло в (5 . . . 10) раз меньше RЭ :RЭ = (5 . . .

10)XCЭОтсюда CЭ , в микрофарадах, равно:CЭ =107, мкФ(1 . . . 2)2πfН RЭ2.2. Усилительной каскад с общим эмиттером (ОЭ)272.2.5. Графоаналитический метод расчёта усилительногокаскадаПри расчёте графоаналитическим способом часть характеристикнаходится аналитическим методом, путём вычисления по известныхформулам, а другая на основе графических построений.Для расчёта усилителя графоаналитическим методом берутся выходные характеристики транзистора и входная характеристика дляUКЭ = 5В (рис.

2.22, обратите внимание – входная характеристикаповёрнута на 90◦ против часовой стрелки).На выходных характеристиках отмечаются недопустимые участки, ограниченные максимальными током (IКmax ), напряжением (UКЭmax )и мощностью (PКmax ), а затем строится нагрузочная линия cd, на которой выбираются точки a и b, посередине между которыми находитсярабочая точка A. Участок нагрузочной линии cd между точками a иb не должен пересекать ограничительные линии максимальных значений, кроме того, отрезок ab должен находится на линейных участкахвыходных характеристик.Рис.

2.22. Графоаналитический метод расчёта282. Теоретическое введениеНа входной характеристике отмечаются точки, соответствующиетокам базы, для которых построены выходные характеристика (IБ0 , IБ1 ,. . . , IБn ).Затем строится переходная характеристика IК (IБ ), для построения которой берутся значения токов базы, для которых построенывыходные характеристики, а токи коллектора определяются в точкахпересечения нагрузочной характеристики с входной характеристикой,построенной для соответствующего тока базы.В ряде случаев диапазон токов базы, для которых строилисьвыходные характеристики, не соответствует диапазону токов базывходной: максимальный ток базы, для которого построена выходнаяРис. 2.23.

Коррекция входных зависимостей.2.2. Усилительной каскад с общим эмиттером (ОЭ)29зависимость IК (UКЭ ) может находиться на узком начальном участке входной характеристики, либо выходить далеко за её пределы. Впервом случае нужный участок входной характеристики строится вбо́льшем масштабе (обычно этот участок имеет нелинейный характер,но в данном случае мы пренебрежём возникающими искажениями), аво втором, входная характеристика экстраполируется прямой линиейдо необходимых значений (рис.