Ю.И. Воронцов, И.А. Биленко - Методическая разработка по радиофизике (1119794), страница 9
Текст из файла (страница 9)
5.2.I2U10+u1I20+i2U10I20u2EU21U20U2Рис. 5.2: Семейство вольт-амперных характеристик полевого транзистора, пентода.Приборы, управляемые током, — биполярные транзисторы. В этом случае в качестве независимых переменных принимаются входной ток I1 и выходное напряжение U2 .Соответственно,57U1 = U1 (I1 , U2 ) —входная характеристика,I2 = I2 (I1 , U2 ) —выходная характеристика.Семейство выходных характеристик I2 = I2 (U2 |I1 ) при включении транзистора по схеме с общим эмиттером (ОЭ) изображено на рис.5.3. Здесь параметром является входнойток I1 .I2I10+i1I20+i1I10I20u2EU21U20U2Рис. 5.3: Семейство выходных вольт-амперных характеристик биполярного транзисторав схеме с ОЭПринцип действия электронного усилителя.Простейший электронный усилитель состоит из последовательно включенных сопротивления R, активного элемента (Т) и источника постоянного напряжения E (рис.5.4).
Активный элемент в этой схеме играет роль сопротивления, величина которого зависит отвходного сигнала. (В качестве источника сигнала изображен генератор напряжения e(t) свнутренним сопротивлением Rg .)В схеме рис.5.4 ток I2 и напряжение U2 связаны уравнением КирхгофаI2 =E − U2.R(5.1)С другой стороны, если активным элементом является полевой триод, то ток считаетсяфункцией напряжений:I2 = I2 (U1 , U2 ),а в случае биполярного транзистораI2 = I2 (I1 , U2 ).58I2I1U2TRERgU1E(t)Рис.
5.4: Схема усилителя5.1Расчет усилителя на полевом триоде.1. Расчет выходной цепи усилителя.Уравнение (5.1) применительно к полевому транзистору имеет видI2 (U1 , U2 ) =E − U2.R(5.2)Левая часть уравнения представляет семейство выходных характеристик прибора, правая— уравнение прямой (нагрузочной прямой). Графическое решение уравнения (5.2) представлено на рис.5.2. Решением является точка пересечения нагрузочной прямой с выходной характеристикой, соответствующей выбранному значению напряжения U1 .
Например,при U1 = U10 решением будет точка 0 с координатами U20 , I20 . При входном напряженииU1 = U10 + u1 решением будет точка 1 с координатами U21 = U20 + u2 , I21 = I20 + i2 .В линейном приближении∂I2∂I2u2 +u1 .i2 =∂U2∂U1Используем обозначения, принятые при описании приборов как четырехполюсников:∂I2y21 = ∂U— крутизна характеристики анодно-сеточной (у ламп), исток-затворной (у по1левых транзисторов) (другое обозначение — S.);∂I2y22 = ∂U— выходная проводимость прибора. (Другое обозначение 1/Ri , Ri — выходное2сопротивление прибора.)В новых обозначенияхi2 = y22 u2 + y21 u1 .(5.3)ПосколькуE = U20 + I20 R = U20 + u2 + (I20 + i2 )R,тоu2 = −i2 R.(5.4)Из (5.3), (5.4) получимu2 = −u1y21 RR= −µu1.1 + y22 RR + Ri59(5.5)Здесь µ = y21 /y22 = SRi — статический коэффициент усиления напряжения (коэффициентусиления при R/Ri 1).
Реальный коэффициент усиления напряжения u1K0 ≡u2R= −µ.u1R + Ri(5.6)Обычно в реальных схемах Ri R, поэтому можно считатьK0 = −SR.(5.7)2. Расчет входной цепи усилителя.Напряжение u1 — это напряжение между входным и общим электродом активного элемента. Оно отличается от эдс e(t) генератора сигнала. Рассмотрим схему рис.5.4, на которойгенератор сигнала представлен в виде эдс e(t) и сопротивления Rg . В этой схемеe(t) = i1 Rg + u1 .(5.8)Ток i1 в линейном приближении равенi1 = y11 u1 + y12 u2 .(5.9)Здесь использованы обозначения:y11 = ∂I1 /∂U1 — входная проводимость триода при постоянном значении U2 ,y12 = ∂I1 /∂U2 — проводимость обратной связи при постоянном значении I1 . Проводимостьобратной связи y12 обычно настолько мала, что ей можно пренебречь. В этом приближенииu1 =e(t).1 + y11 Rg(5.10)Следовательно, коэффициент усиления эдс генератора меньше коэффициента усилениянапряжения u1 :1u2.(5.11)= K0Ke ≡e1 + y11 RgОднако в усилителях напряжения на полевом транзисторе входное сопротивление обычномного больше сопротивления генератора сигнала, т.е.
y11 Rg 1. Соответственно, Ke ' K0 .Принципиальное замечание.Формулы в представленном выше виде справедливы только в том случае, если параметрысхемы не зависят от частоты. В общем случае, в формулах следует заменить функциивремени u1 (t), u2 (t), e(t) соответствующими комплексными амплитудами, а числовые коэффициенты yij комплексными функциями частоты.Эквивалентные схемы усилителя на полевом триоде.Уравнения (5.5) и (5.10) описывают изменение напряжений в реальной схеме усилителя.Но точно такими же уравнениями описывается схема рис.5.5.
Левая часть схемы соответствует входной цепи усилителя, правая часть — выходной.Автоматическое смещение рабочей точки.Рабочей точкой триода называют точку (U20 , I20 ). Заданной рабочей точке должно соответствовать напряжение батареи E и напряжение U10 между затвором и истоком. Создать60i1i2RiRg-µu1u1 y11Ru2e(t)Рис. 5.5: Эквивалентная схема, соответствующая уравнениям (5.5), и (5.9)нужное напряжение U10 можно различными путями. Обычно это делается с помощью сопротивления, включенного последовательно с истоком (сопротивление Rсм на рис.5.6).Для замыкания цепи между затвором и истоком по постоянному току включают сопротивление R1 .ERI2U2U1uURR1I2Рис. 5.6: Усилитель на полевом транзистореТок затвора I10 обычно настолько мал, что I10 R1 U10 . В этом приближении приотсутствии сигнала потенциал затвора можно считать равным нулю, а потенциал истокаравен I20 Rсм .
Разность потенциалов затвора и истока U10 = −I20 Rсм . Соответственно,сопротивление должно быть равно Rсм = |U10 |/I20 .Сопротивление Rсм не только обеспечивает нужное значение напряжения смещенияU10 , но и уменьшает коэффициент усиления входного напряжения uвх . В схеме рис.5.6:uвх = u1 + i2 Rсм .Учитывая соотношения i2 = −u2 /R и u2 = K0 u1 , i2 Rсм u2 , uвых ' u2 , получимKβ ≡uвыхK0K0==,uвх1 − βK01 + β|K0 |61(5.12)гдеRсмi2 Rсм=i2 RR— коэффициент обратной связи, т.е. доля выходного напряжения u2 , передаваемого навход. Влияние Rсм на усиление переменного напряжения можно устранить, включив параллельно Rсм конденсатор Cф f (рис.5.7).
Тогда коэффициент обратной связи на частотеβ=ERI2C1uR1RC2CuРис. 5.7: Усилитель c частотной коррекциейсигнала ω будет пропорционален импедансу Rсм Cф -цепочкиZ̃(ω) =|Z̃(ω)|Rсм1. Соответственно, |β(ω)| =<.1 + iωCф RсмRωCф RВлиянием обратной связи можно пренебречь, еслиK0 1.ωRсм Cф5.2(5.13)Усилитель низкой (звуковой) частоты (УНЧ).Классификация усилителей.По своим функциональным возможностям усилители делятся на усилители напряжения,усилители тока, усилители мощности. По рабочему диапазону частот — на усилители постоянного тока (УПТ) (диапазон частот от нуля), усилители низких (звуковых частот)(УНЧ), радио и телевизионных сигналов (усилители высоких частот) (УВЧ), широкополосные импульсные, узкополосные резонансные. Типичная амплитудно-частотная характеристика УНЧ изображена на рис.5.8.
Нижняя частота обычно равна несколькимдесяткам Гц, верхняя, в зависимости от качества звуковоспроизведения, от 10 кГц до 40кГц.5.2.1УНЧ на полевом триоде.Принципиальная схема УНЧ на полевом триоде изображена на рис.5.7. Верхнюю частотуусилителя ωв изменяют с помощью емкости C2 , включенной параллельно триоду, нижнюю62KK0K02ωωωРис. 5.8: Типичная АЧХ усилителячастоту ωн можно задать с помощью емкости C1 , включенной последовательно во входнуюцепь усилителя. Соответствующая эквивалентная схема усилителя изображена на рис.5.9.Сопротивление Rвх — полное сопротивление справа от емкости C1 . Обычно y11 R1 1 иC1uRi-µu1u1 RC2R u2Рис.
5.9: Эквивалентная схема усилителя с коррекциейможно считать Rвх ' R1 .Коэффициент передачи усилителя в частотном представленииK̃e (ω) =Ũ2 (ω)= K̃1 (ω)K̃2 (ω),Ẽ(ω)где Ẽ(ω) — комплексная амплитуда эдс генератора,K̃1 (ω) =Ũ1 (ω),Ẽ(ω)K̃2 (ω) =Ũ2 (ω).Ũ1 (ω)С помощью правой части эквивалентной схемы рис.5.9 найдемK̃2 = K01,1 + iωC2 R||гдеR|| =RRiR + Ri63— полное сопротивление параллельное емкости C2 . Функция K̃2 (ω) подобна коэффициентупередачи интегрирующей RC - цепочки с верхней частотой1.R|| C2ω2 =(5.14)С помощью входной части эквивалентной схемы усилителя рис.5.9 получимK̃1 (ω) =iωC1Rвх.Rвх + Rg 1 + i(Rвх + Rg )C1Эта функция подобна коэффициенту передачи дифференцирующей RC- цепочки с нижней частотойω1 = 1/(Rвх + Rg )C1 .K̃1 на частотах ω ω1 не зависит от частоты.
K̃2 не зависит от частоты на частотахω ω2 . Поскольку ω1 ω2 , то нижняя частота ωн общего коэффициента передачи K̃eбудет равна ω1 , а верхняя ωв = ω2 . Следовательно,ωн =1,(Rвх + Rg )C1ωв =1.R|| C2Обычно в схемах УНЧ Rg Rвх , R|| ' R. Соответственно,ωн =1Rвх C1,ωв =1.RC2Имеет место замечательное соотношениеK0 ωв = S/C2 ,справедливое для любых резистивно-емкостных (без индуктивностей) схем усилителей.Из этого соотношения следует, что при заданной емкости C2 увеличение верхней частотыусиления возможно только за счет уменьшения коэффициента усиления. Минимальноезначение емкости C2 равно внутренней емкости Cис между истоком и стоком транзистора.У современных полевых триодов значения S/Cис лежат в диапазоне ??.5.3Расчет усилителя на биполярном транзистореВ случае биполярного транзистора принимаетсяU1 = U1 (I1 , U2 ),I2 = I2 (I1 , U2 ).Соответственно, уравнение (5.1) записывается в видеE − U2.(5.15)RГрафическое решение уравнения представлено на рис.5.3.
Изменение выходного тока i2 =I20 − I21 при изменении тока I1 и напряжения U2 в линейном приближении равноI2 (I1 , U2 ) =i2 = h21 i1 + h22 u2 ,64(5.16)гдеh21 =h22 =∂I2∂I1∂I2∂U2— статический коэффициент передачи тока.— выходная проводимость при i1 = 0.Изменение входного напряжения в линейном приближенииu1 = h11 i1 + h12 u2 ,(5.17)где1h11 = ∂U— входное сопротивление при u2 = 0.∂I1∂U1h12 = ∂U2 — коэффициент внутренней обратной связи по напряжению при i1 = 0.Соответствующая уравнениям (5.16), (5.17) эквивалентная схема транзистора изображенаi2i1h12u2u1h22h11h21i1 u2Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
