1629216643-4191d351b78f7037da79c6d0fc355cfb (845978), страница 3
Текст из файла (страница 3)
В первом приближении можно считать, что время нарастания фронта обратнопропорционально верхней граничной частоте, а спад пропорционален нижней граничной частоте. В частности, УПТ, у которых16f н = 0 , передают плоскую часть вершины импульса без искажений, т.е. без спада.Для идеального усилителя коэффициент усиления K u долженбыть постоянным на средних частотах.Фазочастотные искажения отсутствуют, если постоянен временной сдвиг t0 между гармониками входного и выходного сигналов (рис.
1.11,а). Поэтому идеальная ФЧХ линейна (рис. 1.11,б).а)б)Рис. 1.11Нелинейные искажения характеризуют следующим образом.Амплитудная характеристика — зависимость выходного напряжения (тока) от входного напряжения (тока), измеренная на одной из средних частот (рис. 1.12,а). Максимальный сигнал, передаваемый без существенных искажений U вх. макс или U вых. макс определяет так называемый динамический диапазон усилителя. Нарис. 1.12,б показана стокозатворная характеристика МОП транзистора (с индуцированным каналом n типа) и искажения сигналапри разных уровнях входного напряжения переменного тока на затворе.
В первом случае (1) сигнал прикладывается в линейной области — форма выходного сигнала повторяет форму входного. Вовтором случае (2) — сигнал большой величины, транзистор попадает в осечку. В результате происходит искажение формы выходного сигнала.17а)б)Рис. 1.12Количественной мерой нелинейных искажений является коэффициент нелинейных искажений∞∑K н. и =n=2∞P1∞∑ U n2Pn=n=2U1∑ I n2=n=2I1,где индексами отмечены токи, напряжения, мощности соответствующих гармоник выходного сигнала.В результате нелинейных искажений появляются дополнительные гармоники и изменяются соотношения между амплитудамигармоник.Минимум нелинейных искажений является свойством линейныхусилителей.Нагрузочная характеристика усилителя — это зависимостьвыходного напряжения усилителя от тока нагрузки. По отношениюк нагрузке усилитель можно представить в виде источникаЭДС U хх (напряжение холостого хода) с выходным сопротивлением Rвых (рис.
1.13,а). Легко видеть, что U н = U хх − I н Rвых(рис. 1.13,б). Причиной уменьшения выходного напряжения является падение напряжения на выходном сопротивлении усилителя.18ΔU н. В идеальномΔ Iнслучае наклон равен нулю. Поэтому желательно, чтобы усилительимел минимальное выходное сопротивление. При усилении тока,наоборот, требуется усилитель с максимально высоким выходнымсопротивлением.Наклон этой характеристики равен Rвых = −а)б)Рис. 1.13Легко также показать, что при усилении напряжения входноесопротивление усилителя должно быть максимальным, а при усилении тока — минимальным.1.3.
Режимы усилительного каскадаВ усилительном каскаде рабочую точку выбирают на основаниистатических характеристик транзисторов. Положение рабочей точки (совокупность напряжений и токов в отсутствие входных сигналов) устанавливается соответствующим выбором напряжений источников питания и сопротивлений резисторов в цепях питанияусилительных элементов.
Рассмотрим подробнее режим по постоянному току на примере каскада ОЭ (см. рис. 1.3).Резисторы R1 и R2, а также Rэ задают начальный ток в транзисторе. Резистор Rк предназначен для преобразования коллекторного тока в напряжение на выходе схемы. Конденсаторы С1 и С2осуществляют гальваническую развязку цепей источника сигналаот усилителя и усилителя от нагрузки, т.е. они не пропускают сиг19налы с частотой f > f н . Конденсатор Cэ шунтирует резистор Rэпо переменному току. Таким образом, для среднечастотных сигналов эмиттерный электрод транзистора «соединен» накоротко с земляной шиной и является общим.
Отсюда и название схемы — ОЭ.Выбор режима диктуется той задачей, которая решается усилителем. Рабочая точка должна удовлетворять условиям: U кэ << U кэ доп , U кэ I к < Pк доп . Токи I э , I к и напряжение U кэ в линейном усилителе должны быть такими, чтобы обеспечивался максимальный динамический диапазон, а параметры β N и верхняя граничная частота f α были также максимальными.Рассчитаем режим по постоянному току.Iэ =U б = U ипUэ, U э = U б − U бэ ,RэR2− I б R1 || R2 + I ко R1 || R2 .R1 + R2Наиболее существенно первое слагаемое, поэтому ток эмиттераопределяется в основном так:Iэ ≈U ипR2.⋅Rэ R1 + R2Напряжение U кэ определяется из соотношения U кэ = U ип − I к Rк −− I э Rэ . Учитывая, что I к = α N I э + I ко , где α N = 0,98 ÷ 0,99 , аI ко < 1 мкА , получаем:U кэ ≈ U ип − ( Rк + Rэ ) I к .В плоскости ВАХ транзистора это будет выглядеть так, как показано на рис.
1.14. Зная U ип , Rк , Rэ , и рассчитав I к , можно найтирабочую точку. Когда на вход схемы подается сигнал, то при заданном напряжении на коллекторе его ток увеличится на величинутока нагрузки. Приращения напряжения на эмиттере не будет, таккак резистор Rэ шунтирован конденсатором Cэ . В результатесвязь между током коллектора I к и напряжением U кэ будет харак20теризоваться динамической нагрузкой (отмеченной пунктиром) вотличие от статической нагрузочной прямой (сплошная линия).Рис. 1.14Нестабильность рабочей точки усилительного каскада определяется следующими факторами:• изменением обратного тока коллекторного p–n перехода I ко на8–12 %/°C;• изменением статического коэффициента передачи тока базы β N ;• изменением напряжения на эмиттерном переходе U бэ , на2–3 мВ/°С.С уменьшением сопротивления базового делителя R1 || R2 влияние I ко и β N уменьшается.
Такое же действие оказывает увеличение сопротивления Rэ . Влияние напряжения U бэ уменьшается приувеличении напряжения питания U ип и сопротивления резистора Rэ .Стабилизировать положение рабочей точки можно, используятермокомпенсацию с помощью дополнительного транзистора Т2,как это показано на рис. 1.15. Принцип термокомпенсации заключается в том, что с увеличением температуры увеличиваются I ко ,β N и уменьшается U бэ . Транзистор Т2 используется как диод.21С увеличением температуры его сопротивление rтр уменьшается, поэтому уменьшается общее сопротивление делителя в цепи базы:R1 || ( Rд + rтр ) . Следовательно, падение напряжения на этом делителе оттоков I б и I ко останется при соответствующих условиях неизменным.Уменьшение U бэ Т1 должно приводить к увеличению тока эмиттера I э .Рис. 1.15Но уменьшение потенциала на базеU б компенсирует это увеличение.В интегральных схемах можно очень хорошо согласовать характеристики транзисторов Т1 и Т2.
Например, для типичного транзистора интегральной схемы с ΔU бэ ≈ ± 1 мВ , β = 100 ток I к с точностью до 5 % может поддерживаться в широком диапазоне температур и значений тока.Стабилизация режима каскада по схеме, показанной нарис. 1.15, и ее модификации очень широко используются в интегральных схемах.1.4. Каскады в области средних частотКаскад с общим эмиттером (ОЭ). Выходной сигнал являетсясуммой сигналов, образуемых источниками питания схемы и входным сигналом напряжения переменного тока.
Для ЛИС можнопользоваться принципом суперпозиции. Напряжения и токи, определяемые источниками питания уже рассчитаны. Поэтому в дальнейшем будет рассматриваться эквивалентная схема каскада ОЭдля области средних частот (рис. 1.16). Малосигнальная эквивалентная схема транзистора обведена пунктиром. Это так называемая Т-образная эквивалентная схема транзистора. Ее следует отличать от схемы четырехполюсника, характеризуемого, например,h параметрами.
На средних частотах, представляющих рабочийдиапазон частот, емкостные сопротивления конденсаторов С1, С2 иС3 можно считать пренебрежимо малыми, а транзистор — без22инерционнным. В данной схеме Rб = R1 || R2 , кроме того, здесь отражено то, что для сигнала переменного тока шина питания и земляная шина «эквипотенциальны». Поэтому можно положитьU ип = 0 и выходное сопротивление источника питания Rвых. пит == 0 . По этой причине R1 , R2 и Rк , Rн параллельны между собой.Рис.
1.16Эквивалентная схема рис. 1.16 позволяет рассчитать все параметры каскада ОЭ для средних частот. Для этого необходимо воспользоваться одним из методов расчета, излагаемых в теории электрических цепей. Следует иметь в виду, что генератор тока β iб является зависимым от тока базы iб .
Их взаимное направление показано на рисунке и им необходимо руководствоваться при расчетах.Рассмотрим параметры каскада ОЭ в области средних частот.UUВходное сопротивление Rвх = б = б , где напряжение на базеiвхiбU б ≅ iб rб + iб rэ + β iб rэ γ ∗к , γ ∗к ≅rк∗— коэффициент токорасrк∗ + Rкнrк— выходное сопро1+ βтивление транзистора в каскаде ОЭ.
Таким образом,пределения в коллекторной цепи; rк∗ =Rвх = rб + rэ (1 + β γ ∗к ) .23Для каскада в целом необходимо учитывать шунтирующее действие делителя в цепи базыRвх. каск = Rвх || Rб = Rвх || R1 || R2 .Для типовых транзисторов в каскаде ОЭ Rвх = 500 ÷ 1000 Ом .UКоэффициент усиления по напряжению Ku = н , где U н =UгRбUг⋅= − β iб γ ∗к Rкн ; iб =, Rбг = Rг || Rб . Итак,Rб + Rг Rбг + RвхК u = β γ ∗кRбRкн⋅.Rб + Rг Rбг + RвхКаскад ОЭ изменяет фазу усиливаемого сигнала на 180°. В частномслучае, когда Rб >> Rг ,Кu =β γ ∗к Rкн,Rг + Rвхт.е.
К u = f ( Rг , Rкн ) зависит от Rг и Rкн . Для оценки К u можнотакже пользоваться следующим приближенным соотношениемR25 мВКu ≈ кн , где rэ =.rэIэКоэффициент усиления поIтоку К i = н . Представим исIгточник сигнала в виде генератора тока, как показано нарис. 1.17. Пренебрежем сопроРис. 1.17тивлением базового делителя,считая Rб >> Rг , Rвх . ТогдаI н = β I б γ ∗кгде I б = I гRг.Rг + Rвх24Rк,Rк + RнВ результате получимК i = β γ ∗кRкRг.⋅Rк + Rн Rг + RвхДва последних сомножителя определяют потери во входной Rг ивыходной Rк цепях усилителя. Если Rн = 0 , то γ ∗к = 1 и весь токпротекает по нагрузке. Если Rг = ∞ , то весь входной ток «попадает» в транзистор.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
