Шамшин В.Г. Основы схемотехники (2008), страница 7

Объяснить понятие динамического режима работы.7. Объяснить принцип обеспечения режима работы фиксированным током базы.8. Объяснить принцип обеспечения режима работы фиксированнымпотенциалом базы.9. Объяснить причины нестабильности рабочей точки.10. Объяснить принцип работы схемы термокомпенсации режима.11. Объяснить принцип работы схемы коллекторной термостабилизации режима работы.12. Определить вид обратной связи, используемой в схеме коллекторной стабилизации.13. Объяснить принцип работы схемы эмиттерной термостабилизации.14. Определить вид обратной связи, используемой в схеме эмиттернойстабилизации.15.

Объяснить понятие термостабильной рабочей точки в схемах на полевых транзисторах.444. Типовые каскады усиленияРассматриваемые каскады различаются схемой включения активногоэлемента и предназначены в основном для усиления напряжения с целью повышения уровня сигнала, создаваемого источником управления до значения,необходимого для работы оконечного или предоконечного каскада в заданном режиме. Каскады предварительного усиления, как правило, работаютпри малых уровнях входного сигнала, используя небольшой участок входной(сквозной) характеристики, что позволяет считать их линейными, соответствующим классу "А".4.1. Каскад с общим эмиттеромКак было отмечено выше, усилительный каскад (рис.4.1,а) содержитнелинейный управляющий элемент (транзистор) и линейное сопротивлениеRк, источник питания Ео и вспомогательные элементы, обеспечивающие заданный режим работы (R1, R2) и его термостабилизацию (Rэ, Сэ).

Во входную цепь включается источник сигнала, а в выходную через разделительныйконденсатор Ср, пропускающий только переменную составляющую тока, –нагрузка Rн и Сн.Рис.4.1. Каскад с общим эмиттеромПри анализе работы усилительных каскадов принимается допущение,что управление работой производится синусоидальным сигналом с постоянной амплитудой.Работа каскада происходит следующим образом. Под воздействиемпеременного управляющего сигнала Uвх=Uбэ изменяется (например увеличивается) ток базы и соответственно изменяется (увеличивается) ток коллектора Iк=S×Uбэ , что приводит к изменению (увеличению) падения напряжения нарезисторе Rк. В результате это приводит к изменению (уменьшению) потенциала на коллекторе Uкэ= Ео - Iк×Rк.

Следовательно, при данной схеме включения транзистора фаза выходного сигнала противоположна фазе входного.45Определение основных показателей производится с помощью эквивалентной схемы (рис.4.2) каскада по переменному току. Построение схемыпроизводится с учетом нескольких допущений. Принимается, что внутреннеесопротивление источника питания по переменному току близко к нулю, емкость конденсаторов в цепи эмиттера велика. Последнее позволяет считать,что сопротивление в цепи эмиттера равно нулю Zэ=0. Принцип построенияэквивалентной схемы следующий. Вначале принимается схема замещениятранзистора, например для одной из систем параметров (Y, Н).

Затем к выводам транзистора подсоединяются с учетом принятых допущений все внешние элементы, как и на принципиальной схеме.Рис.4.2.Эквивалентная схема каскада с общим эмиттеромРассмотрение эквивалентной схемы показывает, что наличие в схемеусилителя конденсаторов, сопротивление которых зависит от частоты, и зависимость коэффициента передачи тока транзистора h21от частоты приводитк зависимости коэффициента усиления каскада и фазового сдвига от частотыусиливаемого сигнала. При понижении частоты сигнала сопротивления конденсаторов возрастают, что приводит к росту падения напряжения на разделительном конденсаторе и соответственно к уменьшению уровня усиления.С ростом частоты сигнала сопротивления конденсаторов уменьшаются, и емкость нагрузки шунтирует выход каскада.

Одновременно с ростом частотыуменьшается и коэффициент передачи тока h21 транзистора, что дополнительно приводит к уменьшению коэффициента усиления.В связи с этим в амплитудно-частотной характеристике (рис.4.1, в) условно выделяются три области частот с различной зависимостью коэффициента усиления от частоты: область средних частот, области низких и высокихчастот.4.1.1. Область средних частотПоскольку в реальных схемах Ср>>Сн в области средних частот можносчитать, что сопротивление разделительного конденсатора Ср очень мало, асопротивления емкостей транзистора и нагрузки Сн – велики. Следовательно,в определенной области частот влияние конденсаторов не значительно.

Также, если частота входного сигнала меньше граничной частоты усилениятранзистора fb, то коэффициент передачи транзистора h21 не зависит от частоты. Это позволяет представить каскад отдельной эквивалентной схемой46(рис.4.3) для области средних частот, в которой параметры транзистора постоянны и исключены емкости.Область средних частот – диапазон частот, в пределах которого можно считатьпараметры транзистора и схемы усилителячастотно независимыми.Рис.4.3.Эквивалентная схема каскада области средних частотИз эквивалентной схемы входной цепи каскада определяются ее параметры:- входное сопротивлениеR ×hRвх = б 11 ,(4.1)Rб + h11где Rб =R1 × R 2- эквивалентное сопротивление в цепи базы,R1 + R 2h11=1/g11 - входное сопротивление транзистора;- коэффициент передачи входной цепиК вх =RвхRг + Rвх(4.2)и соответственно значение входного напряженияUвх = Ег× Квх .(4.3)При использовании рассчитанных параметров необходимо иметь в виду, что их значения справедливы для определенного режима работы, так каквеличина входного сопротивления транзистора в схеме с общим эмиттером,равного h11= r'б + rэ·(h21+1), зависит от рабочего тока эмиттерного перехода(rэ = jт / Iэ).47Из эквивалентной схемы выходной цепи каскада определяются:- номинальный коэффициент усиленияКо =U выхR ×RS=» S × к н = S × Rкн ;U вхgi + gk + gнR к + Rн(4.4)- выходное сопротивление каскада1gi=» Rк .1Rк +giRк ×Rвых(4.5)4.1.2.

Область низких частотВ рассматриваемой области частот на значение коэффициента усиления оказывают влияние конденсаторы в цепях связи (разделительные) и в цепи эмиттера. Вследствие возрастания сопротивления на разделительных конденсаторах Xc=1/2pF увеличивается на них падение напряжения, что приводит к уменьшению управляющего и выходного напряжений. Рост сопротивления конденсатора в цепи эмиттера приводит к увеличению полного сопротивления Zэ, что вызывает увеличение влияния отрицательной обратной связи в каскаде.Рис.4.4.

Эквивалентная схема каскада области низких частотТаким образом, в основную эквивалентную схему области низких частот (рис.4.4) вводятся реактивные элементы, определяющие зависимость коэффициента усиления от частоты. При этом общие значения коэффициентаусиления и уровней низкочастотных искажений Мн определяются тремя раздельными коэффициентами, учитывающими соответственно влияние емкостей во входной, выходной цепях и в цепи эмиттера.После несложных преобразований входная или выходная цепи могутбыть сведены к простой электрической схеме (рис.4.5, а).48Рис.4.5.

Работа каскада в области низких частотНа основе данной схемы находится коэффициент усиления К=Uвых/UвхRK& ( jw ) =R+1jwC=jwRCjwt=,1 + jwRC 1 + jwt(4.6)где τ = RC – постоянная времени цепи.Для данной цепи модуль коэффициента усиления и вносимый фазовыйсдвиг определяются формуламиK=wt1иj=arctg,wt1 + (wt ) 21. Соот2ptветствующие амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики приведены на рис.4.5, б.Коэффициент усиления по выходной цепи равена значение нижней граничной частоты пропускания равноКн =fН =КоS × Rк × RнS × Rк × Rн=. (4.7)=111( Rк + Rн ) × (1 +1+Rк + Rн +jw нt нj w н × С р × ( Rк + Rн )jw н × С рВеличина τн= Ср · (Rк + Rн), имеющая размерность времени, носит название постоянной времени каскада области низких частот.

Для каскада промежуточного усиления необходимо иметь в виду, что сопротивлением нагрузки является входное сопротивление последующего каскада. Для этогокаскада постоянная времени соответственно равна τн= Ср · (Rк + Rвх2).49Далее находятся модуль коэффициента усиления и фазовый сдвигКн =Ко1)и, j н = arctg (w нt н1 21+ ()w нt н(4.8)коэффициент частотных искажений для выходной цепи каскадаМн =Ко1 2= 1+ () .Кнw нt н(4.9)В общем виде коэффициент низкочастотных1искажений М н = 1 + ()22p × f н × t нКоэффициент низкочастотных искажений для входной цепи, такжеможет быть рассчитан по формуле 4.9 с учетом, что постоянная временивходной цепи области низких частот равнаτн = Срвх · (Rг + Rвх).(4.10)Как было отмечено выше, в области низких частот дополнительно науровень искажений оказывает влияние емкость конденсатора в цепи эмиттерной стабилизации режима, которая совместно с резистором Rэ образуетZцепь отрицательной обратной связи с коэффициентом передачи b = э .

ВRкнрезультате влияния ООС коэффициент усиления в области низких частотуменьшаетсяК нэ =Ко=1 + b × КоКоZ1 + э × S × RкнRкн= Ко ×1 + jwt э,F + jwt э(4.11)RэRэ=- полное сопротивление в цепи эмиттера;1 + jwC э × Rэ 1 + jwt эF=1+SRэ – глубина обратной связи, образованной эмиттерной цепью.где: Z э =Коэффициент частотных искажений, вносимый эмиттерной цепью, определяется формулойF 2 + (w нt э ) 2SМ нэ =»+1()2 .(4.12)21 + (w нt э )wн × Сэ50Соотношения 4.9 и 4.12 используются для определения емкостей разделительных конденсаторов и конденсатора в цепи эмиттера, которые обеспечат принятый уровень частотных искажений.Общий коэффициент частотных искажений для области низких частотнаходится в виде произведения его составных частей Мн = Мнвых · Мнвх· Мнэ..4.1.3. Область высоких частотВ области высоких частот определяющими факторами на уровень усиления являются зависимость коэффициента передачи тока h21 транзистора отчастоты, наличие емкостей переходов транзистора Скб и Сэб, нагрузки Сн,шунтирующих выход усилителяRк .нZ к .н =.(4.13)1 + jw × Rк .н (С к + С н )Рис.4.6.

Эквивалентная схема каскада области высоких частотВходная и выходная цепи представленной схемы также могут бытьсведены к простой электрической схеме (рис.4.7,а), коэффициент передачикоторой определяется соотношением11jw CK ( jw ) ==11 + j wtR +jw C.Рис.4.7. Работа каскада в области высоких частот51(4.14)Модуль коэффициента усиления и вносимый фазовый сдвиг цепи оп1и j = arctgwt , а значение высшейределяются формулами K =1 + (wt ) 21граничной частоты пропускания равно f в =.2ptСоответствующие амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики приведены на рис.4.7, б.Из эквивалентной схемы (рис.4.6) для выходной цепи каскада находится коэффициент усиления в области высоких частотКв =SS /(1 + jwt )=,Yi + g к + g н + jwC н g i + g к + g н + jwC к × S × rб /(1 + jwt )(4.15)где τ – постоянная времени транзистора.Разделив числитель и знаменатель на сумму активных проводимостей,и пренебрегая ввиду малости внутренней активной проводимостью транзистора, находится значение коэффициента усиления·Kв =КоКо=.1 + t + jw × (C 'к +С н ) × Rкн 1 + jwt в(4.16)В этой формуле τв = τ + (С'к + Сн)·Rкн – постоянная времени каскадаобласти высоких частот, где С'к = Ск ·rб·S = S·τос – приведенная емкость коллекторного перехода.