Бутенко Д.В., Черкасова Г.С. Исследование усилителей, генераторов и преобразователей сигналов (2014) (1186344), страница 3
Текст из файла (страница 3)
4, а). Источник входного сигнала и нагрузкаподключены соответственно к входу и выходу каскада через разделительные конденсаторы Ср1 и Ср2, поэтому данный каскад представляет собой простейший усилитель переменного напряжения. Режим покоя транзистора определяется элементами R1, R2, RКи RЭ, причем за счет отрицательной обратной связи (ООС) через резистор RЭ осуществляется стабилизация режима покоя. Для того, чтобы по переменному току в диапазонерабочих частот ООС не было, резистор RЭ шунтируется конденсатором СЭ.Рис. 4. Каскад с ОЭ: принципиальная (а) и полная эквивалентная (б) схемы.На рис. 4, б показана полная эквивалентная схема каскада ОЭ по переменномутоку. Т.
к. маломощные усилительные каскады обычно работают в режиме малого сигнала (т. е. в квазилинейном режиме), то основой эквивалентной схемы каскада являетсяТ-образная физическая эквивалентная схема биполярного транзистора. Согласно общейметодике анализа транзисторных усилительных каскадов, полная эквивалентная схемакаскада может быть существенно упрощена для каждой из областей СЧ, НЧ и ВЧ. Приэтом на основе эквивалентной схемы на СЧ могут быть получены выражения для коэффициента усиления, входного и выходного сопротивлений, а на основе эквивалентных схем на НЧ и ВЧ могут быть получены выражения, связывающие граничные частоты каскада с элементами схемы.ОглавлениеД.В.Бутенко, Г.С.Черкасова. Исследование усилителей, генераторов и преобразователей сигналов13На рис.
5 показана эквивалентная схема каскада в области СЧ, при анализе которой получаем формулы для коэффициентов усиления:U ВЫХh R 21Э КН ,U ВХrВХгде RКН = RК || RН – эквивалентное сопротивление нагрузки, rВХ≈rб+rЭ(1+h21Э) –KU входное сопротивление каскада (без учета делителя напряжения в базовой цепи транзистора, т.е. когда выполняется условие rвх<< R1 || R2);KU CKB U ВЫХh R 21Э КН .EГRГ rВХВ случае, когда RГ<< rвх и h21Э>>1имеем KU= KU СКВ ≈ - RКН / rЭ.Рис. 5. Эквивалентная схема каскада с ОЭ в области СЧ.Напомним, что дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода транзистора rЭ=mφT/IЭ0, где IЭ0 – ток покоя в эмиттерной цепи транзистора.
Таким образом,коэффициент усиления определяется как нагрузкой транзистора, так и его режимом попостоянному току.На рис. 6, а показано, как в данном каскаде может быть организована отрицательная обратная связь по переменному току через резистор RОС. Сигналом ООС будетпадение напряжения UООС на резисторе RОС, создаваемое переменной составляющейэмиттерного тока, тогда UБЭ = UВХ - UООС.Как известно, при введении ООС коэффициент усиления усилителя уменьшается, а входное сопротивление увеличивается:K UOOC KUООС K U , rВХ rВХ (1 K OOC K U ) rВХ ,1 K U K OOCгде KOOC=RОС/RКН. С помощью эквивалентной схемы каскада с эмиттерной ООС по переменному току (рис. 6, б) можно прийти к аналогичным выводам:ООСrВХ rБ (rЭ R ОС )(1 h21Э ) rВХ ,ОглавлениеД.В.Бутенко, Г.С.Черкасова.
Исследование усилителей, генераторов и преобразователей сигналов14K UOOC h21Э RKHRKH KU .ООСrЭ ROCrВХРис. 6. Каскад с ОЭ и эмиттерной ООС по переменному току: принципиальная схема (а)и эквивалентная схема для области СЧ (б).При проведении данной работы снимаются амплитудные характеристики (АХ)для режима холостого хода (RН стремится к бесконечности или по крайней мере RНдолжно быть много больше rВЫХ ≈ RК); для режима работы на нагрузку; при введенииООС (рис. 7). Коэффициент усиления оказывается максимальным при работе в режимехолостого хода, при подключении нагрузки он уменьшается в зависимости от соотношения сопротивления нагрузки и выходного сопротивления. Протяженность линейногоучастка АХ при этом существенно не изменяется.Рис.
7. Амплитудные характеристики каскада с ОЭОглавлениеД.В.Бутенко, Г.С.Черкасова. Исследование усилителей, генераторов и преобразователей сигналов15При введении ООС существенно снижается коэффициент усиления (угол наклона линейной части АХ к оси абсцисс становится еще меньше), однако при этом увеличивается протяженность линейного участка АХ.
Последнее означает, что ООС существенно снижает нелинейные искажения.Как уже отмечалось, диапазон рабочих частот рассматриваемого каскада ограничен снизу. Причины этого можно определить с помощью эквивалентной схемы каскада для диапазона НЧ (рис. 8):1) входная цепь каскада, образованная элементами RГ, CР1, RБ = R1 || R2 и rВХ,представляет собой ФВЧ с частотой среза fН1=1/(2πСР1(RГ + (RБ || rВХ)); т. к. обычноRБ>> rВХ и RГ<<(RБ || rВХ), то fН1≈1/2πСР1rВХ=1/2πτВХ; τВХ= τН1=rВХСР1 - постоянная времени входной цепи в области НЧ;2) выходная цепь каскада, образованная элементами RГ, CР2, RН, также представляет собой ФВЧ, частота среза которого fН2=1/(2πСР2(RК || RН)) = 1/2πτВЫХ; где τВЫХ==τН2=(RК || RН)СР2 - постоянная времени выходной цепи в области НЧ;3) в области НЧ за счет роста реактивного сопротивления конденсатора CЭ появляется ООС по переменному току, глубина которой увеличивается с уменьшениемчастоты.
Поэтому цепь ООС в области НЧ представляет собой ФНЧ с частотой срезаfЭ=1/2πСЭ(RЭ || rВЫХ ОЭ), где rВЫХ ОЭ = rЭ + (rБ + RГ)/h21Э. Т. к. h21Э>>1, то rЭ >> (rБ +RГ)/h21Э; кроме того, как правило RЭ >> rЭ; таким образом, fЭ≈1/2πrЭСЭ. Действие ФНЧв цепи ООС усилителя эквивалентно действию ФВЧ с такой же частотой среза, включенного последовательно с усилителем, т. е. fЭ= fН3≈1/2πrЭСЭ=1/2πτЭ, где τЭ=τН3≈ rЭСЭ.Рис. 8.
Эквивалентная схема каскада с ОЭ для области НЧМожно показать, что с учетом вышеизложенного нижняя граничная частотаусилителя может быть определена следующим образом:fН f Н21 f Н2 2 f Н2 3 1,2 НОглавлениеД.В.Бутенко, Г.С.Черкасова. Исследование усилителей, генераторов и преобразователей сигналов161где Н 12Н112Н21 Н2 3- постоянная времени каскада в области нижних частот.Очень часто одна из величин τНi оказывается значительно (в несколько раз)меньше остальных. В этом случае τН ≈ τНmin, и fН ≈ 1/2πτНmin.
Очевидно, для уменьшенияfН следует увеличить емкость или сопротивление в одной из трех вышеуказанных цепей с наименьшей постоянной времени в области НЧ, при этом более предпочтительным оказывается изменение емкости.Для нахождения верхней граничной частоты каскада fВ можно воспользоватьсяэквивалентной схемой каскада для верхних частот (рис. 9,а). Учитывая, чтоrЭ<<RК<RН, эквивалентная схема для области ВЧ может быть существенно упрощена(рис.9,б). Анализ схемы показывает, что уменьшение коэффициента усиления в областиВЧ объясняется следующими причинами:1) выходная цепь каскада представляет собой ФНЧ с частотой срезаfВ = fВ.ВЫХ = 1/(2πСЭКВRЭКВ) = 1/2πτВ.ВЫХ,где СЭКВ = СН + С*К = СН + СКБ(1+ h21Э), RЭКВ= r*К || RК || RН ≈ RК || RН; τВ1=τВ.ВЫХ==СЭКВRЭКВ - постоянная времени выходной цепи в области ВЧ;2) усилительные свойства биполярного транзистора ослабляются с ростом частоты; для учета этого вводится fβ - предельная частота коэффициента передачи тока всхеме ОЭ: кроме того, может быть определена постоянная времени транзистора в схемеОЭ τβ=1/2πfβ.Рис.
9. Эквивалентная схема каскада с ОЭ для области ВЧ (а); упрощенный вариант (б).Таким образом, постоянная времени каскада в области ВЧ может быть определена как В В2 ВЫХ 2 , а верхняя граничная частота каскада fВ=1/2πτВ. Очевидно,ОглавлениеД.В.Бутенко, Г.С.Черкасова. Исследование усилителей, генераторов и преобразователей сигналов17что для увеличения fВ нужно использовать более высокочастотный транзистор и снижать емкость нагрузки.Расширения диапазона рабочих частот усилительного каскада можно добитьсяпутем введения ООС.
Можно показать, что граничные частоты усилителя с ООС определяются следующим образом:f ВООС f В (1 KK ООС ) f В ,f НООС f Н (1 KK ООС ) f Н .Следует учесть, что при введении ООС граничные частоты заметно изменяютсятолько тогда, когда ООС охватывает весь каскад в целом или те элементы каскада, которые в наибольшей степени влияют на граничные частоты. Например, эмиттернаяООС не охватывает входную и выходную цепи каскада, постоянные времени которыхмогут быть значительно меньше, чем постоянная времени эмиттерной цепи. В этомслучае при введении ООС величина fН изменится незначительно.Кроме того, расширить диапазон рабочих частот каскада можно с помощью цепей коррекции.
Введение НЧ-коррекции приводит к уменьшению fН, введение ВЧкоррекции – к увеличению fВ.Рис.10. Схема каскада с ОЭ с НЧ-коррекцией (а) и ВЧ-коррекцией частото-зависимой ООС (б).Один из вариантов схемы каскада с НЧ-коррекцией показан на рис 10, а. В коллекторную цепь вводится звено RФ-СФ, причем по переменному току конденсатор СФвключен параллельно резистору RФ. На средних и высоких частотах реактивное сопро-ОглавлениеД.В.Бутенко, Г.С.Черкасова. Исследование усилителей, генераторов и преобразователей сигналов18тивление конденсатора СФ близко к 0 и сопротивление нагрузки транзистора равно RК ||RН. С уменьшением частоты за счет увеличения сопротивления конденсатора СФ растетсопротивление цепи RФ-СФ, включенной последовательно с RК, что приводит к ростуобщего сопротивления коллекторной нагрузки и повышению коэффициента усиления,которое компенсирует падение коэффициента усиления из-за наличия разделительныхконденсаторов и конденсатора СЭ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
