ФОЭ Ч2 Транзисторные усилители

Содержание
13 TOC \o "1-3" \h \z \u 14
13 LINK \l "_Toc363039821" 14Содержание 13 PAGEREF _Toc363039821 \h 14341515
13 LINK \l "_Toc363039822" 142 Транзисторные усилители 13 PAGEREF _Toc363039822 \h 14351515
13 LINK \l "_Toc363039823" 142.1 Общие сведения 13 PAGEREF _Toc363039823 \h 14351515
13 LINK \l "_Toc363039824" 142.1.1 Классификация транзисторных усилителей. 13 PAGEREF _Toc363039824 \h 14351515
13 LINK \l "_Toc363039825" 142.1.2 Усилительного каскада с общим эмиттером и фиксированным током базы 13 PAGEREF _Toc363039825 \h 14361515
13 LINK \l "_Toc363039826" 142.1.2 Усилительный каскад постоянного тока 13 PAGEREF _Toc363039826 \h 14381515
13 LINK \l "_Toc363039827" 14с фиксированным током эмиттера 13 PAGEREF _Toc363039827 \h 14381515
13 LINK \l "_Toc363039828" 142.2 Усилительный каскад переменного тока 13 PAGEREF _Toc363039828 \h 14401515
13 LINK \l "_Toc363039829" 14с фиксированным током эмиттера 13 PAGEREF _Toc363039829 \h 14401515
13 LINK \l "_Toc363039830" 142.2.1 Принципиальная схема усилительного каскада 13 PAGEREF _Toc363039830 \h 14401515
13 LINK \l "_Toc363039831" 142.2.2 Начальный режим (режим по постоянному току) 13 PAGEREF _Toc363039831 \h 14411515
13 LINK \l "_Toc363039832" 142.2.3 Порядок расчета начального режима 13 PAGEREF _Toc363039832 \h 14421515
13 LINK \l "_Toc363039833" 142.2.4 Режим усиления переменного сигнала 13 PAGEREF _Toc363039833 \h 14421515
13 LINK \l "_Toc363039834" 142.3 Каскады с общим коллектором 13 PAGEREF _Toc363039834 \h 14461515
13 LINK \l "_Toc363039835" 142.3.1 Однотакный каскад с общим коллектором 13 PAGEREF _Toc363039835 \h 14461515
13 LINK \l "_Toc363039836" 142.3.2 Двухтактный эмиттерный повторитель 13 PAGEREF _Toc363039836 \h 14471515
13 LINK \l "_Toc363039837" 142.4 Усилители с трансформаторной связью 13 PAGEREF _Toc363039837 \h 14491515
13 LINK \l "_Toc363039838" 142.4.1 Однотактный усилитель с трансформаторной связью 13 PAGEREF _Toc363039838 \h 14491515
13 LINK \l "_Toc363039839" 142.4.2 Двухтактный каскад с трансформаторной связью 13 PAGEREF _Toc363039839 \h 14501515
13 LINK \l "_Toc363039840" 142.5 Нелинейные искажения в усилительных каскадах 13 PAGEREF _Toc363039840 \h 14511515
13 LINK \l "_Toc363039841" 142.5.1 Нелинейные искажения, обусловленные нелинейностью входной характеристики транзистора 13 PAGEREF _Toc363039841 \h 14511515
13 LINK \l "_Toc363039842" 142.5.2 Нелинейные искажения, обусловленные нелинейной зависимостью тока коллектора от тока базы 13 PAGEREF _Toc363039842 \h 14521515
13 LINK \l "_Toc363039843" 142.6 Усилитель с модуляцией – демодуляцией 13 PAGEREF _Toc363039843 \h 14531515
13 LINK \l "_Toc363039844" 142.7 Обратные связи в усилителях 13 PAGEREF _Toc363039844 \h 14541515
13 LINK \l "_Toc363039845" 142.7.1 Общие сведения об обратной связи 13 PAGEREF _Toc363039845 \h 14541515
13 LINK \l "_Toc363039846" 142.7.2 Влияние ОС на нестабильность коэффициента усиления 13 PAGEREF _Toc363039846 \h 14561515
13 LINK \l "_Toc363039847" 142.7.3 Усилитель переменного тока с параллельной ОС по напряжению 13 PAGEREF _Toc363039847 \h 14561515
13 LINK \l "_Toc363039848" 142.7.4 Усилитель переменного тока с четным числом каскадов и последовательной ОС по напряжению 13 PAGEREF _Toc363039848 \h 14571515
13 LINK \l "_Toc363039849" 142.8. Импульсный усилитель 13 PAGEREF _Toc363039849 \h 14581515
13 LINK \l "_Toc363039850" 142.8.1 Параметры импульса 13 PAGEREF _Toc363039850 \h 14581515
13 LINK \l "_Toc363039851" 142.8.2 Транзисторный ключ 13 PAGEREF _Toc363039851 \h 14591515
13 LINK \l "_Toc363039852" 142.8.3 Быстродействие транзисторного ключа 13 PAGEREF _Toc363039852 \h 14601515
15 2 Транзисторные усилители

2.1 Общие сведения

Усилителем называется устройство, мощность выходного сигнала которого больше мощности входного сигнала. При этом входной сигнал управляет потоком мощности источника питания, направляемого на выход усилителя.

Рис. 2.1 Усилитель, как устройство, управляющее потоком энергии

2.1.1 Классификация транзисторных усилителей.

По виду усиливаемого сигнала
В зависимости от соотношения выходного сопротивления усилителя RВЫХ и сопротивления нагрузки RН усилители подразделяют на:
Усилители напряжения, когда RВЫХ << RH. Основным параметром усилителя является коэффициент усиления по напряжению 13 EMBED Equation.3 1415.
Усилители тока, когда RВЫХ >> RH. Основным параметром усилителя является коэффициент усиления по току 13 EMBED Equation.3 1415.
Усилители мощности, когда RВЫХ = RH. Основным параметром усилителя является коэффициент усиления по мощности 13 EMBED Equation.3 1415.

По виду частотных характеристик:
Усилители постоянного тока (УПТ), когда зависимость коэффициента усиления от частоты сигнала соответствует кривой 1 на рис. 2.2.
Усилители переменного тока, когда зависимость коэффициента усиления от частоты сигнала соответствует кривой 2 на рис. 2.2.


Рис. 2.2 Частотные характеристики усилителей

Рабочий частотный диапазон ограничен нижней круговой частотой 13 EMBED Equation.3 1415, для усилителей переменного тока, и верхней круговой частотой 13 EMBED Equation.3 1415, который оценивается по уровню 13 EMBED Equation.3 1415 от рабочего значения коэффициента.
Усилители постоянного тока усиливают сигнала с нулевой частотой, то есть, по частотным свойствам, обладают преимуществами перед усилителями переменного тока. Однако для усилителей постоянного тока характерен дрейф выходного напряжения, что делает невозможным усиление слабых сигналов.
Дрейфом называется появление на выходе усилителя сигнала не связанного с входным сигналом. Обычно оценивают дрейф напряжения, приведенный к входу усилителя
13 EMBED Equation.3 1415,
Где 13 EMBED Equation.3 1415 - дрейф выходного напряжения.
Напряжение дрейфа это медленно меняющееся напряжение, в усилителях переменного тока оно оказывается вне рабочего частотного диапазона. Для усилителя постоянного тока дрейф напряжения приведенный ко входу определяем минимальный входной сигнал, который еще можно отличить от дрейфа.

По виду усиливаемых сигналов различают:
Аналоговые усилители, в которых выходной сигнал пропорционален входному сигналу и может меняться непрерывно.
Импульсные усилители, входной и выходной сигналы которого имеют два фиксированных уровня – высокий и низкий.
По виду связи между каскадами усилителя:
С непосредственной связью, когда сигнал передается полностью с постоянной составляющей;
С RC связью, когда передается только переменная составляющая сигнала, а постоянная составляющая остается на емкостях;
С трансформаторной связью, когда передается только переменная составляющая сигнала, а постоянная составляющая трансформаторами не пропускается.

2.1.2 Усилительного каскада с общим эмиттером и фиксированным током базы

Усилительным каскадом называется схема, содержащая минимальное количество активных элементов (транзисторов) и обеспечивающая усиление сигнала.
Токи и напряжения транзистора однополярны, поэтому для усиления разнополярного сигнала создается начальный режим или режим покоя.
Начальным режимом называют токи и напряжения усилительного каскада при нулевом входном сигнале. Начальный режим позволяет изменять токи и напряжения под воздействием входного сигнала в обоих направлениях. Начальные токи и напряжения должны отсутствовать в выходном сигнале, что создает дополнительные проблемы в усилителях постоянного тока.
Начальный режим усилительного каскада с фиксированным током базы

Рис. 2.1 Усилительный каскад постоянного тока с фиксированным током базы

При нулевом входном сигнале ток базы покоя определяется в основном сопротивлением R2
13 EMBED Equation.3 1415. (2.1)
Напряжение коллектора покоя (относительно общей точки) равно
13 EMBED Equation.3 1415. (2.2)
В выражении (2.2) нестабильным является коэффициент усиления транзистора по току 13 EMBED Equation.3 1415, который при изменении температуры может измениться на сотни процентов. Напряжение смещения UСМ должно скомпенсировать напряжения UК.П, а не скомпенсированная часть напряжения будет являться дрейфом.
Из-за большого напряжения дрейфа схема практически не работоспособна в качестве усилителя постоянного тока. На переменном токе напряжения дрейфа остается на разделительном конденсаторе и усилитель используется при малых входных напряжениях, когда смещение начального напряжения коллектора не приводит к насыщению выходного сигнала.


Рис. 2.2 Усилительный каскад переменного тока с фиксированным током базы

Коэффициент усиления по напряжению

Для усилительного каскада переменного тока получим схему замещения, используя метод суперпозиции (наложения сигналов от разных источников). Для переменного напряжения примем линейную схему замещения транзистора. На рабочей частоте сопротивление емкостей пренебрежимо мало, а источник питания заменим внутренним (нулевым) сопротивлением. Окончательно схема замещения примет вид


Рис. 2.3 Схема замещения каскада переменного тока

Найдем упрощенное выражении для коэффициента усиления по току, учтя что rВХ << R1, RK >> RH и RH 13 EMBED Equation.3 1415RK. Тогда ток базы равен 13 EMBED Equation.3 1415, ток коллектора равен 13 EMBED Equation.3 1415. Напряжение нагрузки равно
13 EMBED Equation.3 1415, отсюда коэффициент усиления по напряжению равен
13 EMBED Equation.3 1415. (2.3)
Коэффициент усиления каскада достаточно большой, так как 13 EMBED Equation.3 1415, а RH сравнимо по величине с R1.

2.1.2 Усилительный каскад постоянного тока
с фиксированным током эмиттера

Начальный режим усилительного каскада с фиксированным током эмиттера

Рис. 2.4 Усилительный каскад постоянного тока
с фиксированным током эмиттера

Делитель на резисторах R1, R2 выбирается так, чтобы начальный входной ток базы мало сказывался на начальное напряжение базы, тогда напряжение покоя базы равно 13 EMBED Equation.3 1415.
Эмиттерный ток транзистора равен 13 EMBED Equation.3 1415.
Напряжение покоя коллектора с учетом того, что 13 EMBED Equation.3 1415 и 13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415. (2.4)
Режим покоя в рассмотренной схеме достаточно стабилен.

Коэффициент усиления по напряжению

Для усилительного каскада переменного тока получим схему замещения, используя метод суперпозиции (наложения сигналов от разных источников). Для переменного напряжения примем линейную схему замещения транзистора.

Рис. 2.5 Схема замещения каскада постоянного тока
с фиксированным током эмиттера

Грубо оценим величину коэффициента усиления по напряжению, пренебрегая малыми сопротивлениями rБ и rЭ. Ток эмиттера равен 13 EMBED Equation.3 1415. Напряжение нагрузки 13 EMBED Equation.3 1415.
Коэффициент усиления по напряжению равен
13 EMBED Equation.3 1415. (2.5)
Сопротивление RЭ примерно равно 0,2RH, соответственно коэффициент усиления по напряжению очень мал и каскад как усилитель постоянного тока не работоспособен. Стабильность начального режима и снижение коэффициента усиления происходит за счет отрицательной обратной связи, которую создает эмиттерный резистор RЭ. В каскаде переменного тока обратная связь по полезному сигналу отключается путем шунтирования эмиттерного резистора большой емкостью.

2.2 Усилительный каскад переменного тока
с фиксированным током эмиттера
2.2.1 Принципиальная схема усилительного каскада
Принципиальная схема усилительного каскада переменного тока с общим эмиттером и высокой стабильностью начального режима приведена на рис.2.6.

13 EMBED PBrush 1415
Рис. 2.6 Принципиальная схема усилительного каскада переменного тока с фиксированным током эмиттера

Каскад питается от источника постоянного напряжения ЕП. Основным усилительным (активным) элементом каскада является транзистор VT1. Его начальный режим определяется резисторами R1, R2 и RЭ.
Режимом покоя, начальным режимом или режимом по постоянному току называют состояние каскада, характеризующееся значениями токов и напряжений, при нулевом входном сигнале. В усилителе переменного тока не нулевой начальный режим необходим, чтобы переменный сигнал, накладываясь на начальный режим, не изменял знака токов и напряжений в биполярном транзисторе, который является однополярным устройством.
Усиливаемым сигналом является входное переменное напряжение UВХ, источник (генератор) входного сигнала обычно обладает внутренним сопротивлением, которое обозначено на рис.2.1 как RГ. Нагрузка каскада, которая не входит в усилительный каскад, но оказывает влияние на его работу, условно обозначена в виде резистора RH.
Конденсаторы С1, С2 обеспечивают прохождение через каскад только переменного сигнала. При этом источник сигнала и нагрузка не влияют на начальный режим каскада (режим по постоянному току). Конденсатор СЭ шунтирует, по переменному сигналу, резистор RЭ, исключая возникновения за счет RЭ отрицательной обратной связи, которая могла бы уменьшить коэффициент усиления каскада. Для получения аналитических зависимостей, описывающих работу каскада, транзистор заменяют линейной схемой замещения. Схема замещения справедлива для области, в которой параметры схемы замещения изменяются незначительно. Преимуществом линейной схемы замещения является возможность применения принципа наложения сигналов, что позволяет рассматривать независимо постоянные и переменные составляющие сигналов.

2.2.2 Начальный режим (режим по постоянному току)
Для постоянного напряжения емкости являются бесконечно большими сопротивлениями, то есть разрывами цепи. Схему замещения коллекторной цепи транзистора достаточно представить в виде источника тока, управляемого базовым током, который зашунтирован внутренним коллекторным сопротивлением rК. Далее внутренние сопротивления транзистора будем обозначать строчными буквами. Эмиттерным сопротивлением и обратным коллекторным током транзистора можно пренебречь в виду их малости, а в базовой цепи учесть полное падение напряжения на переходе база- эмиттер UБЭ. Схема замещения каскада для начального режима приведена на рис.2.7.

___________________________________
Рис.2.7 Схема замещения каскада для начального режима (режима по постоянному току)
_________________________________________________________________


Делитель из резисторов R1, R2 задает напряжение на базе транзистора, он должен быть достаточно низкоомным, чтобы базовый ток транзистора мало сказывался на напряжении этого делителя. С другой стороны, делитель не должен сильно шунтировать вход транзистора, то есть должен быть достаточно высокоомным. Реально выбирается некоторый компромисс.
Коэффициент деления 13 EMBED Equation.3 1415 и выходное сопротивление R1,2 делителя на резисторах соответственно равны
13 EMBED Equation.3 1415, 13 EMBED Equation.3 1415. (2.6)
Напряжение на эмиттерном сопротивлении, согласно схеме замещения для режима покоя рис.2.3, определяется выражением

13 EMBED Equation.3 1415, (2.7)
где индексом = обозначена постоянная составляющая.

Постоянная составляющая коллекторного тока равна
13 EMBED Equation.3 1415, (2.8)
где 13 EMBED Equation.3 1415 - коэффициент передачи коллекторного тока.
Постоянная составляющая коллекторного напряжения равна
13 EMBED Equation.3 1415. (2.9)

2.2.3 Порядок расчета начального режима
Из условия получения максимального к.п.д. выбирается коллекторное сопротивление 13 EMBED Equation.3 1415, где RН считается известным.
Напряжение эмиттера выбирается в диапазоне 13 EMBED Equation.3 1415.
Из условия получения максимальной амплитуды переменного сигнала выбирается коллекторное напряжение 13 EMBED Equation.3 1415,
где UКЭнас – напряжение коллектор-эмиттер полностью открытого (насыщенного) транзистора. 13 EMBED Equation.3 1415.
Определяем из выражения (2.4) коллекторный ток 13 EMBED Equation.3 1415.
Определяем из выражения (2.3) эмиттерное сопротивление 13 EMBED Equation.3 1415.
Определяем базовый ток транзистора 13 EMBED Equation.3 1415, где 13 EMBED Equation.3 1415- коэффициент передачи (усиления) транзистора по току в схеме с общим эмиттером.
Задаемся выходным сопротивлением делителя напряжения 13 EMBED Equation.3 1415, где rВХ – входное дифференциальное сопротивление транзистора.
Определяем коэффициент передачи делителя
13 EMBED Equation.3 1415.
Определяем сопротивления делителя 13 EMBED Equation.3 1415, 13 EMBED Equation.3 1415.
Расчет емкостей С1, С2, СЭ производится из условий прохождения сигнала переменного тока, которые рассмотрены далее
13 EMBED Equation.3 1415, 13 EMBED Equation.3 1415, 13 EMBED Equation.3 1415.

2.2.4 Режим усиления переменного сигнала
Область средних частот. Областью средних частот (СЧ) считается частотный диапазон нормальный работы каскада, когда сопротивления проходных конденсаторов С1, С2 и конденсатора СЭ пренебрежимо малы, а инерционность транзистора еще не сказывается на работу каскада. Схема замещения строится для усиливаемого сигнала переменного тока, при этом источники других сигналов заменяются их внутренними сопротивлениями. Источник питания, обладающий нулевым внутренним сопротивлением, заменяется закороткой. При малой амплитуде переменного сигнала параметры транзистора изменяются не существенно и его можно заменить линейной схемой замещения. Схема замещения каскада для области средних частот приведена на рис.2.8.

13 EMBED PBrush 1415

Рис.2.8 Схема замещения каскада с ОЭ для области средних частот:
13 EMBED Equation.3 1415– входное сопротивление транзистора;
rБ , rЭ – базовое и эмиттерное сопротивления схемы замещения;
13 EMBED Equation.3 1415- эквивалентное сопротивление делителя.
Из рис.2.8 видно, что благодаря нулевому сопротивлению емкости СЭ в области средних частот эмиттер является общей точкой для входного UВХ и выходного UН сигналов. Это свойство и определило название каскада.
Анализ схемы замещения ведется как анализ обычной линейной электрической цепи. Для входного тока транзистора справедливо отношение
13 EMBED Equation.3 1415. (2.10)
Ток источника тока 13 EMBED Equation.3 1415 распределяется между тремя, включенными параллельно, сопротивлениями rK, RK, RH. Выходной ток каскада (ток нагрузки) равен
13 EMBED Equation.3 1415, (2.11)
где сопротивлением rK обычно можно пренебречь, так как оно много больше остальных, включенных параллельно ему, сопротивлений.
Коэффициент усиления каскада по току в области средних частот, с учетом (2.5), (2.6), равен
13 EMBED Equation.3 1415. (2.12)
Коэффициент усиления каскада по напряжению в области СЧ
13 EMBED Equation.3 1415, (2.13)
где 13 EMBED Equation.3 1415. (2.14)
Выходное сопротивление каскада – это сопротивление относительно точек, к которым подключена нагрузка (без учета самой нагрузки). Так как источник тока обладает бесконечным внутренним сопротивлением, то согласно рис.2.8. оно равно
13 EMBED Equation.3 1415. (2.15)
Коэффициенты усиления кI, кU и сопротивления RВХ, RВЫХ являются основными параметрами, описывающими усилительные свойства каскада.

Область низких частот. В области низких частот (НЧ) необходимо учитывать сопротивление конденсаторов С1, С2. Конденсатор СЭ выбирается с большим запасом и его сопротивление начинает сказываться только на сверхнизких частотах. Для области НЧ схема замещения приведена на рис.2.9.




Рис.2.9 Схема замещения каскада для низких частот


Рассмотрим входные цепи и оценим ослабление сигнала, связанное с сопротивлением конденсатора С1. Сопротивление ХС1 включено последовательно с входным сопротивлением RВХ, при этом к RВХ приложена часть входного напряжения
13 EMBED Equation.3 1415, (2.16)
где 13 EMBED Equation.3 1415 - постоянная времени входной цепи каскада.
Из выражения (2.16) следует, что коэффициент ослабления напряжения входной цепью равен
13 EMBED Equation.3 1415. (2.17)

В выходной цепи ток 13 EMBED Equation.3 1415распределяется следующим образом
13 EMBED Equation.3 1415.

Коэффициент ослабления выходной цепи в области НЧ равен
13 EMBED Equation.3 1415, (2.18)
где 13 EMBED Equation.3 1415 - постоянная времени выходной цепи.

Область высоких частот. В области высоких частот (ВЧ) начинает сказываться инерционность транзистора, которая проявляется в уменьшении коэффициента усиления по току и влиянии емкостей переходов транзистора. Снижение коэффициента усиления по току с ростом частоты описывается уравнением
13 EMBED Equation.3 1415, (2.19)
где 13 EMBED Equation.3 1415, предельная постоянная времени,
13 EMBED Equation.3 1415– предельная частота усиления транзистора,
fГР – частота, на которой коэффициент усиления снижается до единицы.
Из емкостей транзистора практическое влияние оказывает только емкость коллекторного перехода СК, которая включена параллельно сопротивлению rK и соответственно RK и RH. Без учета rK результирующее сопротивление равно
13 EMBED Equation.3 1415, (2.20)
где 13 EMBED Equation.3 1415 - постоянная времени коллекторной цепи.
Эти два фактора учитывают общей эквивалентной постоянной времени
13 EMBED Equation.3 1415, а коэффициент ослабления, обусловленный коллекторной емкостью и снижением коэффициента передачи по току, равен
13 EMBED Equation.3 1415. (2.21)

Комплексный коэффициент усиления каскада. Для всего частотного диапазона коэффициент усиления каскада должен рассматриваться как комплексная величина. С учетом всех коэффициентов ослабления комплексный коэффициент усиления по напряжению равен
13 EMBED Equation.3 1415. (2.22)
Так как входной ток каскада не ослабляется, то в комплексном коэффициенте усиления по току не учитывается коэффициент ослабления к1
13 EMBED Equation.3 1415. (2.23)
Зависимость модуля коэффициента усиления от частоты называется амплитудной частотной характеристикой 13 EMBE
·D Equation.3 1415. Для удобства просмотра всей частотной характеристики ее строят в функции десятичного логарифма частоты, и называют логарифмической амплитудной частотной характеристикой (ЛАЧХ)
13 EMBED Equation.3 1415. (2.24)
Полосой пропускания усилителя называют диапазон частот, в котором коэффициент усиления уменьшается не более чем 13 EMBED Equation.3 1415раз (по ЛАЧХ на -3 децибела). Граница по минимальной частоте называют нижней частотой пропускания 13 EMBED Equation.3 1415, по максимальной частоте - верхней частотой пропускания 13 EMBED Equation.3 1415. Для коэффициента усиления по напряжению, при условии 13 EMBED Equation.3 1415, нижняя частота примерно равна 13 EMBED Equation.3 1415, отсюда значения емкостей
13 EMBED Equation.3 1415, 13 EMBED Equation.3 1415. (2.25)

___________________________________
Рис.2.10 Примерный вид ЛАЧХ для каскада с общим эмиттером
___________________________________



2.3 Каскады с общим коллектором
2.3.1 Однотакный каскад с общим коллектором


а) б)
Рис. 2.11 Каскад с общим коллектором а) и его схема замещения б)

Каскад и общим коллектором является типичным усилителем тока с коэффициентом усиления по напряжению практически равным единице. При наличии смещения UСМ1, необходимого для усиления разнополярного напряжения, в нагрузке так же присутствует начальный режим.
Коэффициент усиления по току
13 EMBED Equation.3 1415. (2.26)
Входное сопротивление каскада
13 EMBED Equation.3 1415. (2.27)
Выходное сопротивление
13 EMBED Equation.3 1415. (2.28)
Коэффициент усиления по напряжению
13 EMBED Equation.3 1415. (2.29)
Каскад обладает большим коэффициентом по току, большим входным и малым выходным сопротивлениями. Коэффициент усиления по напряжению близок к единице, поэтому каскад еще называют эмиттерным повторителем.
Применяется эмиттерный повторитель для согласования маломощных источников сигналов с большим выходным сопротивлением с устройствами, имеющими малое входное сопротивление.
Каскад может использоваться в качестве усилителя мощности в оконечных каскадах усилителей.

2.3.2 Двухтактный эмиттерный повторитель

Создать усилитель, в котором и положительный и отрицательный ток создается транзистором, удается в двухтактных схемах, которые строятся на двух транзисторах. Эффективны является применение комплементарной пары транзисторов, то есть транзисторов с идентичными параметрами, но с разным типом проводимости.


а) б)
Рис. 2.12 двухтактный эмиттерный повторитель постоянного тока: а) – принципиальная схема; б) – временные диаграммы

На постоянном токе целесообразно иметь двухполярное напряжения питания +Еп и –Еп, а нагрузку подключать к общей точке. В схеме рис. 2.12, а транзистор VT3 является предыдущим каскадом, диод VD1 обеспечивает начальное смещение напряжения баз транзисторов, переводя транзисторы в активную область работы. На рис. 2.13, а показаны совмещенные входные характеристики транзисторов без смещения (кривая 1) и со смещением (кривая 2).
На рис. 2.13, б показано, как искажается выходное напряжение при отсутствии смещения напряжения баз транзисторов. Кривая 1 соответствует входному сигналу, а кривая 2 выходному напряжению.
Коэффициент усиления по напряжению примерно равен единице, а коэффициент усиления по току равен
13 EMBED Equation.3 1415. (2.30)

а) б)
Рис. 2.13, а) - Совмещенные входные характеристики транзисторов без смещения (кривая 1) и со смещением (кривая 2); б) – временные диаграмма напряжений при отсутствии смещения.


а) б)
Рис. 2.14 двухтактный эмиттерный повторитель переменного тока:
а) – принципиальная схема; б) – временные диаграммы

Двухтактный эмиттерный повторитель переменного тока может быть реализован по схеме рис. 2.12, а, но, если усилитель питается однополярным напряжением, применяется схема рис. 2.14, а.
Начальный режим задается так, чтобы напряжение эмиттеров транзисторов VT1, VT2 равнялось половине напряжения питания. Напряжения начального режима остается на разделительном конденсаторе С1, а к нагрузке прикладывается только переменная составляющая. Конденсатор может быть электролитическим, что снижает его габариты.
В современных устройствах переменного тока предпочитают использовать схему рис. 2.12, а, так как эта схема имеет более широкий частотный диапазон в сторону низких частот. Положительным является отсутствие разделительного конденсатора достаточно больших габаритов и стоимости.
Двухтактные эмиттерные повторители применяются в качестве усилителей мощности.

2.4 Усилители с трансформаторной связью
2.4.1 Однотактный усилитель с трансформаторной связью

Применение трансформаторной связи позволяет лучше согласовать усилительные каскады между собой, в результате увеличивается коэффициент усиления по мощности. Однако маломощные трансформаторы являются технологически сложными и дорогими устройствами, поэтому трансформаторные каскады применяются сравнительно редко.


Рис. 2.15 Однотактный трансформаторный каскад

Начальный режим (постоянный ток коллектора) задается резисторами R1, R2, RЭ, аналогично каскаду переменного тока с общим эмиттером. Емкость С1 шунтирует резистор RЭ для переменного тока. Трансформаторы будем считать идеальными с коэффициентами трансформации по напряжению 13 EMBED Equation.3 1415.
Оценим коэффициент усиления по току.
Переменная составляющая тока базы равна 13 EMBED Equation.3 1415.
Переменная составляющая тока коллектора равна 13 EMBED Equation.3 1415.
Ток нагрузки равен 13 EMBED Equation.3 1415.
Коэффициент усиления по току
13 EMBED Equation.3 1415. (2.31)
Коэффициенты трансформации n1, n2 обычно меньше единицы, соответственно коэффициент усиления по току больше 13 EMBED Equation.3 1415.
Входное сопротивление каскада равно входному сопротивлению транзистора, приведенному к первичной обмотке трансформатора Т1
13 EMBED Equation.3 1415. (2.32)
Коэффициент усиления по напряжению
13 EMBED Equation.3 1415. (2.33)
Коэффициент усиления по мощности
13 EMBED Equation.3 1415. (2.34)
Если 13 EMBED Equation.3 1415 то коэффициент усиления по мощности больше 13 EMBED Equation.3 1415, то есть больше, чем теоретически можно получить в каскаде с RC связями.

2.4.2 Двухтактный каскад с трансформаторной связью

Теоретический максимальный коэффициент полезного действия однотактного каскада не превышает 20%. В двухтактном каскаде максимальный коэффициент полезного действия теоретически равен 75%.


Рис. 2.16 Двухтактный трансформаторный каскад

Временные диаграммы токов и напряжений двухтактного трансформаторного каскада приведены на рис. 2.17.

Рис. 2.17 Временные диаграммы двухтактного трансформаторного каскада

Транзисторы работают в классе ВС, то есть в исходном состоянии транзисторы полностью закрыты и требуется некоторое напряжения на базе, чтобы перевести их на границу активной области.
Входной трансформатор Т1 формирует два противофазный напряжения на базах транзисторов. Транзисторы работают по очереди, каждый в своем такте. Коллекторные токи суммируются так же в противофазе, что обеспечивает восстановление исходной формы сигнала.
Нелинейные искажения обусловлены нелинейностью входных характеристик транзисторов, что ведет к появлению горизонтальных участков в токе нагрузки. В реальных схемах создается дополнительное начальное смещение, которое переводит работу транзисторов в класс В.
Каскад используется как усилитель мощности. Недостатком каскада, кроме нелинейных искажений, является необходимость обеспечивать полную идентичность транзисторов VT1 и VT2.

2.5 Нелинейные искажения в усилительных каскадах
2.5.1 Нелинейные искажения, обусловленные нелинейностью входной характеристики транзистора

При достаточно больших сигналах (обычно в усилителях мощности) начинают сказываться нелинейности транзистора. На рис. 2.18 показано, как нелинейность входной характеристики транзистора приводит к появлению нелинейных искажений базового тока транзистора


Рис. 2.18 Искажение базового тока входной характеристикой транзистора

13 EMBED Equation.3 1415 и 13 EMBED Equation.3 1415 - начальные значения напряжения и тока базы. При синусоидальном входном напряжении, входная характеристика сжимает нижнюю полуволну и растягивает верхнюю полуволну. Для снижения этого эффекта на входе усилителя включают активное сопротивлении, которое делает входную характеристику каскада более линейной, но ведет к снижению коэффициента усиления по напряжению.
2.5.2 Нелинейные искажения, обусловленные нелинейной зависимостью тока коллектора от тока базы

С увеличением тока коллектора коэффициент усиления транзистора по току падает, то есть зависимость тока коллектора от тока базы нелинейная. Влияние этой нелинейности на ток коллектора показано на рис. 2.19.


Рис. 2.19 Искажение коллекторного тока нелинейной зависимостью тока коллектора от тока базы

Данная нелинейность приводит к сжатию верней полуволны коллекторного тока и растяжению нижней полуволны. Снизить искажения можно введением отрицательной обратной связи по напряжения, что ведет к снижению коэффициента усиления каскада по напряжению.


2.6 Усилитель с модуляцией – демодуляцией

Снизить дрейф напряжения в усилителе постоянного тока можно, используя для усиления усилитель переменного тока. Усилитель переменного тока не пропускает постоянную составляющую сигнала и напряжение дрейфа, которое является медленно меняющимся напряжением.
Постоянное входное напряжение предварительно преобразуется в переменное с помощью модулятора М, усиливается усилителем переменного тока У и демодулятором ДМ преобразуется в постоянное напряжение. Функциональная схема такого М-ДМ усилителя приведена на рис. 2.20, а, а принципиальная схеме, реализованная на реле, приведена на рис. 2.20, б.

а) б)
Рис. 2.20 а) – функциональная схема, б) – реализация М-ДМ усилителя

На рис. 2.21 показаны временные диаграммы работы М-ДМ усилителя
.


Рис. 2.21 Временные диаграммы работы М-ДМ усилителя

Модулятор и демодулятор синхронно, по сигналу тактового генератора, изменяют знак сигнала. В результате двойной инверсии знак выходного напряжения сохраняется. Плюсом помечены такты, в которых знак сигнала не меняется, минусом помечены такты, в которых изменяется знак сигнала.
В релейной реализации все контакты переключаются синхронно, в зависимости от напряжения на катушке реле. Релейные модуляторы - демодуляторы применялись с частотами модуляции до 400 Гц. Из-за низкой надежности релейные модуляторы – демодуляторы в настоящее время не применяются.
Недостатком М-ДМ усилителей является ограниченный верхний частотный диапазон, так как гарантируется нормальное усиление сигналов, частота которых не менее чем на порядок ниже частоты модуляции.

2.7 Обратные связи в усилителях
2.7.1 Общие сведения об обратной связи

Обратной связью (ОС) называется передача части выходного сигнала устройства на его вход и алгебраическое суммирование его с входным сигналом.
Если сигнал обратной связи пропорционален напряжению на выходе устройства, то имеем обратную связь по напряжению:
13 EMBED Equation.3 1415 или 13 EMBED Equation.3 1415. (2.35)
Если сигнал обратной связи пропорционален току на выходе устройства, то имеем обратную связь по току:
13 EMBED Equation.3 1415 или 13 EMBED Equation.3 1415. (2.36)
Где 13 EMBED Equation.3 1415 - комплексный коэффициент передачи обратной связи.
По способу суммирования сигналов различают:
схемы с последовательной обратной связью (последовательное суммирование напряжений);
схемы с параллельной обратной связью (параллельное суммирование токов).
Получим основные соотношения для последовательной обратно связи по напряжению. Функциональная схема реализации такой обратной связи приведена на рис. 2.22.


Рис. 2.22 Реализация последовательной обратно связи по напряжению

Усилитель с комплексным коэффициентом усиления по напряжению 13 EMBED Equation.3 1415 охвачен обратной связью с комплексным коэффициентом передачи 13 EMBED Equation.3 1415.
13 EMBED Equation.3 1415, выделим 13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415, отсюда
13 EMBED Equation.3 1415. (2.37)
Уравнение (2.37) называют уравнением замыкания системы обратной связью. Это уравнение является очень важным при оценке устойчивости устройств.
Определим как изменится входное сопротивление 13 EMBED Equation.3 1415 при охвате усилителя обратной связью
13 EMBED Equation.3 1415.
13 EMBED Equation.3 1415. (2.38)
Довольно часто коэффициенты являются действительными значениями 13 EMBED Equation.3 1415 и 13 EMBED Equation.3 1415. При этом обратная связь может быть отрицательной (ООС) или положительной (ПОС).
Отрицательная обратная связь имеет место, если 13 EMBED Equation.3 1415. Это возможно, если 13 EMBED Equation.3 1415 и 13 EMBED Equation.3 1415 или 13 EMBED Equation.3 1415 и 13 EMBED Equation.3 1415, при этом
13 EMBED Equation.3 1415, (2.39)
13 EMBED Equation.3 1415. (2.40)
Положительная обратная связь имеет место, если 13 EMBED Equation.3 1415. Это возможно, если 13 EMBED Equation.3 1415 и 13 EMBED Equation.3 1415 или 13 EMBED Equation.3 1415 и 13 EMBED Equation.3 1415, при этом
13 EMBED Equation.3 1415, (2.41)
13 EMBED Equation.3 1415. (2.42)
При 13 EMBED Equation.3 1415 устройство с обратной связью становиться неустойчивым (возникают автоколебания).
При параллельной обратной связи по току уравнение замыкания аналогично выражению (2.37)
13 EMBED Equation.3 1415. (2.43)

2.7.2 Влияние ОС на нестабильность коэффициента усиления

Нестабильностью коэффициента усиления называют отношение максимального возможного отклонения коэффициента от номинального значения к номинальному значению
13 EMBED Equation.3 1415.
Оценим влияние обратной связи на нестабильность коэффициента. Считаем все коэффициенты действительными
13 EMBED Equation.3 1415. 13 EMBED Equation.3 1415.
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415. (2.44)
Из уравнения (2.44) следует, что положительная обратная связь увеличивает, а отрицательная обратная связь уменьшает нестабильность. Так как коэффициенты транзисторного усилителя очень нестабильны, из-за нестабильности параметров транзистора, то отрицательная обратная связь широко используется в транзисторных усилителях для снижения общей нестабильности коэффициентов.

2.7.3 Усилитель переменного тока с параллельной ОС по напряжению

При нечетном числе инверсных каскадов усилитель мощет быть охвачен отрицательной обратной связью с выхода последнего каскада на вход первого каскада. Упрощенная принципиальная схема такого усилителя приведена на рис. 2.23, а.


а) б)
Рис. 2.23 Усилитель переменного тока с параллельной ОС по напряжению:
а) – принципиальная схема; б) – схема замещения для расчета коэффициента

В нашем случае сопротивление обратной связи ROC преобразует выходное напряжение в ток, и суммируются токи, то есть применить формулу (2.37) нельзя. Проанализируем усилитель, используя схему замещения рис. 2.23, б.
Входное сопротивление усилителя практически равно входному сопротивлению транзистора VT1. Выполняется соотношение 13 EMBED Equation.3 1415 и 13 EMBED Equation.3 1415. Благодаря большому коэффициенту усиления усилителя по току, его входной ток много меньше входного тока и тока обратной связи, тогда
13 EMBED Equation.3 1415, отсюда
13 EMBED Equation.3 1415. (2.45)
Коэффициент усиления усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, не зависит от коэффициента собственно усилителя, а определяется внешними сопротивлениями.
2.7.4 Усилитель переменного тока с четным числом каскадов и последовательной ОС по напряжению

При четном числе инверсных каскадов в усилителе, обратная связь с выхода последнего каскада подается на эмиттер первого каскада, чтобы обратная связь была отрицательной. Упрощенная принципиальная схема такого усилителя приведена на рис. 2.24, а.


а) б)
Рис. 2.24 Усилитель переменного тока с последовательной ОС по напряжению: а) – принципиальная схема; б) – схема замещения

Падение напряжения база-эмиттер транзистора VT1 изменяется незначительно, поэтому можно считать, что входной сигнал приложен к резистору RЭ. Выходное напряжение распределяется между резисторами ROC и RЭ.
13 EMBED Equation.3 1415, тогда 13 EMBED Equation.3 1415. (2.46)
И для этого варианта результирующий коэффициент определяется сопротивлениями.
Формулы (2.45) и (2.46) приближенные, они справедливы при бесконечном исходном коэффициенте усиления усилителя. Определим относительную ошибку, связанную с конечным исходным усилением усилителя.
13 EMBED Equation.3 1415. (2.47)
Учтем, что 13 EMBED Equation.3 1415, тогда
13 EMBED Equation.3 1415. (2.48)

Пример. Усилитель обладает исходным коэффициентом усиления 1000, нестабильность коэффициента 30%. После замыкания отрицательной обратной связи коэффициент КОС = 50. 13 EMBED Equation.3 1415
Ошибка в определении результирующего коэффициента
13 EMBED Equation.3 1415
Относительная нестабильность при наличии отрицательной ОС 13 EMBED Equation.3 1415.
Относительная нестабильность существенно снизилась.

2.8. Импульсный усилитель
2.8.1 Параметры импульса

Импульсные схемы оперируют сигналами двух уровней: высоким и низким. На рис. 2.25 Условно показан положительный импульс.

Рис. 5.25 Параметры импульса

Импульс характеризуют следующими параметрами:
13 EMBED Equation.3 1415 - длительность переднего фронта по уровню 0.1 – 0.9;
13 EMBED Equation.3 1415 - длительность заднего фронта по уровню 0.1 – 0.9;
13 EMBED Equation.3 1415 - активная длительность импульса по уровню 0.5.

Периодическую последовательность импульсов характеризуют:
Т – периодом следования импульсов;
13 EMBED Equation.3 1415 – частота следования импульсов;
13 EMBED Equation.3 1415 – длительность импульса;
13 EMBED Equation.3 1415 – относительная длительность импульса;
13 EMBED Equation.3 1415 – скважность следования импульсов.


Рис. 5.26 Параметры последовательности импульсов

2.8.2 Транзисторный ключ

Импульсный усилитель на транзисторе (транзисторный ключ) является усилителем постоянного тока, собранного по схеме с общим эмиттером. Ключ работает при дискретных значениях входного сигнала: единичном, при котором 13 EMBED Equation.3 1415, и нулевом, при котором 13 EMBED Equation.3 1415. Схема транзисторного ключа со смещением приведена на рис. 5.27.


Рис. 5.27 Принципиальная схема транзисторного ключа

Закрытое состояние транзистора (режим отсечки).
Для надежного запирания транзистора необходимо сделать нулевым ток база-эмиттер транзистора. Для этого необходимо создать путь для обратного коллекторного тока транзистора IKO и входного тока при нулевом входном сигнале 13 EMBED Equation.3 1415. Сопротивление смещения должно быть не более чем
13 EMBED Equation.3 1415. (2.49)
Открытое состояние транзистора (режим насыщения)
Для надежного отпирания транзистора необходимо создать базовый ток обеспечивающий, с некоторым запасом, ток коллектора насыщения
13 EMBED Equation.3 1415, (2.50)
где 13 EMBED Equation.3 1415.
Коэффициент запаса (коэффициент насыщения) обычно выбирается в диапазоне 13 EMBED Equation.3 1415. Тогда
13 EMBED Equation.3 1415, отсюда
13 EMBED Equation.3 1415. (2.51)
2.8.3 Быстродействие транзисторного ключа

В переходном режиме, когда транзистор находится в активной области, ток коллектора определяется не током, а зарядом базы Q
13 EMBED Equation.3 1415. (2.52)
где 13 EMBED Equation.3 1415 - время жизни основных носителей заряда в базе, для схемы с ОЭ, 13 EMBED Equation.3 1415 - граничная частота усиления для схемы с ОЭ.
Для заряда базы справедливо следующее дифференциальное уравнение
13 EMBED Equation.3 1415. (2.53)
Если заряд базы изменяется от QНАЧ до 13 EMBED Equation.3 1415то решение уравнения (2.53) имеет следующий вид
13 EMBED Equation.3 1415. (2.54)
Если нас интересует время достижения зарядом величины QКОН, то
13 EMBED Equation.3 1415, отсюда
13 EMBED Equation.3 1415. (2.55)
Процесс включения транзистора.
Время процесса включения будем рассчитывать, считая IБ.НАЧ = 0, 13 EMBED Equation.3 1415, 13 EMBED Equation.3 1415. Тогда время включения (переднего фронта) согласно уравнению (2.55) равно
13 EMBED Equation.3 1415, или 13 EMBED Equation.3 1415. (2.56)
Процесс выключения транзистора.
Время выключения транзистора состоит из двух этапов:
Время рассасывания 13 EMBED Equation.3 1415 – время выхода транзистора из зоны насыщения на границу активной зоны;
Время спада 13 EMBED Equation.3 1415 – время формирования заднего фронта.

Время рассасывания избыточного заряда базы.
Учтем, что 13 EMBED Equation.3 1415, 13 EMBED Equation.3 1415, 13 EMBED Equation.3 1415, тогда
13 EMBED Equation.3 1415. (2.57)
Здесь 13 EMBED Equation.3 1415 - постоянная времени для насыщенного транзистора 13 EMBED Equation.3 1415.
Время формирования спада (заднего фронта).
Учтем, что 13 EMBED Equation.3 1415, 13 EMBED Equation.3 1415, 13 EMBED Equation.3 1415, тогда
13 EMBED Equation.3 1415. (2.58)
Временные диаграммы переходных процессов при подаче на вход транзисторного ключа импульса с нулевыми фронтами приведены на рис. 2.28.


Рис. 2.28 Временные диаграммы транзисторного ключа

По уровню 0.5 передний фронт выходного импульса задерживается на время 13 EMBED Equation.3 1415, а задний фронт на время 13 EMBED Equation.3 1415. Обычно учитывают среднее время задержки (распространения) импульса
13 EMBED Equation.3 1415. (2.59)









13PAGE 15


13PAGE 143415




13 EMBED PBrush 1415

13 EMBED PBrush 1415

13 EMBED PBrush 1415




Root EntryEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation Native

Приложенные файлы

  • doc 83167
    Размер файла: 706 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий