Рис. 2.12. Схемы усилителей ЗЧ: а - с ОБ; б - с ОК

Рис. 2.13. Схема УЗЧ и его частотная характеристика а - схема усилителя; б - идеальная частотная характеристика усилителя

2.8.4.1. О назначении элементов в схемах уcилителей

 на рис. 2.11, а; рис. 2.12, а, б; рис. 2.13, а

Генератор переменной ЭДС (ГЗЧ) на входе усилителя - напряжение этого генератора надо будет усиливать.

Разделительные конденсаторы Ср1 и Ср2 предотвращают попадание постоянной составляющей на вход усилителя от генератора переменной эдс. Сопротивления этих конденсаторов на самой низкой частоте должно быть минимальным, чтобы не произошло «завала» частотной характеристики на низкой частоте (срезы частот на низкой и на высокой частотах на
рис. 2.13, б).

Ек - напряжение источника питания;

Сб - конденсатор, блокирующий источник питания, предотвращает потери полезного напряжения на внутреннем сопротивлении источника Ек.

Конденсатор Сэ устраняет ООС по переменной составляющей тока, чтобы не происходило уменьшения коэффициента усиления.

Резисторы Rб1, Rб2, Rэ - элементы смещения и температурной стабилизации. Резистор Rк - нагрузка в коллектоной цепи.

2.8.4.2. Автоматическая подача напряжения смещения в цепь
базы и температурная стабилизация положения рабочей точки

Для нормальной работы усилительного каскада (отсутствие нелинейных, частотных искажений, влияние температурного фактора и пр.) необходимо обеспечить требуемый режим при отсутствии входного сигнала, то есть установить определенные токи и напряжения, значения которых зависят от схемного решения усилительного каскада и от выбора рабочей точки на семействе его входных и выходных характеристик.

Рабочая точка на ВАХ задается постоянными составляющими токов и напряжений в режиме покоя. Вопрос задания рабочей точки (РТ) решается двумя способами - она задается либо автономным независимым источником, либо автоматической подачей напряжения смещения в цепь базы. В реальных схемах усилителей отдается предпочтение второму способу, так как первый способ неэкономичен и особенно это заметно в многоступенных усилителях. В схемах рис. 2.11, а, 2.12, а, б, 2.13, а рабочая точка задается автоматической подачей напряжения смещения. В схемах усилителей на рис. 2.11 и 2.12, а рабочая точка задана методом фиксированного тока (через гасящий резистор Rб1), а в схемах на рис. 2.12, б и рис. 2.13, а - методом фиксированного напряжения (с помощью делителя напряжения из резисторов Rб1 и Rб2). При изменении температуры режим транзистора, как было отмечено выше, может измениться. Следовательно, важно не просто задать РТ на ВАХ, но надо еще и обеспечить ей температурную стабильность. Один из способов стабилизации положения РТ на ВАХ предложен в схеме рис. 2.13, а - в цепь эмиттера включен резистор Rэ, на котором формируется напряжение обратной связи. Напряжение на резисторе Rэ в цепи эмиттера (Uэп = IэпRэ) - это напряжение отрицательной обратной связи (ООС); при изменении температуры за счет изменения сквозного тока Iкэо изменяется ток коллектора, следовательно, изменяется и постоянная составляющая тока в цепи эмиттера Iэп, при этом меняется и падение напряжения Uэп на резисторе Rэ. Следовательно, напряжение на базе уменьшается, ток базы уменьшается до заданного значения. Таким образом, напряжение на Rэ изменяется пропорционально току коллектора, следовательно, в схеме усилителя действует ООС по току, которая и обеспечивает температурную стабилизацию РТ.

В параграфе 2.8.6 дана подробная информация об обратных связях в усилителях.

2.8.4.3. Расчет элементов смещения и температурной стабилизации

Сопротивление резистора смещения Rб1 в схеме рис. 2.11, а.

Резистор Rб1 и участок база-эмиттер транзистора образуют делитель напряжения в цепи источника Ек..

                                                                    (2.20)

Когда в схеме усилителя используется кремниевый транзистор, то напряжение, необходимое для отпирания эмиттерного перехода, составляет 0,6-0,9В. Обычное значение Uбэп = 0,7 В. Если пренебречь значением Uбэп, то станет ясно, что к резистору Rб1 прикладывается практически все напряжение источника Ек, следовательно этот резистор имеет боьшое сопротивление и как бы фиксирует ток базы транзистора (поэтому метод назван методом фиксированного тока).

Сопротивление резистора смещения Rб1 в схеме рис. 2.12, а. Методика определения сопротивления Rб1 в схеме усилителя на транзисторе с ОБ точно такая же, как и в схеме рис. 2.11, а.

Сопротивления резисторов смещения Rб1 и Rб2  в схеме рис. 2.13, а.

        Токи, протекающие через Rб1,- это сумма токов делителя и базы покоя

(Iд и Iбп). Эти токи должны быть взаимно независимыми, поэтому ток делителя берется значительно больше, чем ток базы покоя. В мощных каскадах усиления ток делителя берется больше тока базы покоя в 3-5 раз, а в случае маломощного усилителя - в 5-10 раз.

Рис. 2.14. Схема замещения участка входной цепи для определения сопротивления резистора Rб2

Через резистор Rб2 течет ток делителя. Напряжение Uб2 = IдRб2 на сопротивлении резистора Rб2  - это сумма напряжений Uбэп и Uэп. Напряжение смещения Uбэп получается в результате алгебраического сложения постоянных напряжений, которые формируются на резисторах Rб2  и Rэ и которые между собой включены последовательно, но встречно
 (рис. 2.14).

За счет большого тока делителя напряжение на резисторе Rб2 будет практически фиксированным (поэтому такой метод подачи напряжения смещения назван методом фиксированного напряжения).

И окончательно сопротивления резисторов Rб1 и Rб2

                                                              (2.21)

                                                             (2.22)

Сопротивление резистора в цепи эмиттера Rэ (рис. 2.13, а)

                                                              (2.22а)

где Iэп = Iкп + Iбп - постоянная составляющая тока эмиттера.

Если   в   условии   задачи   не   оговорено   значение  Uэп,  то  можно

ориентировочно принять

Сопротивление резистора Rк  в цепи коллектора (рис. 2.13)

                                                             (2.23)

В режиме глубокого насыщения, когда напряжения на транзисторе становится практически равным нулю (Uкэ » 0,05-0,1), ток в цепи коллектора ограничивается только сопротивлением резистора Rк.

2.8.4.4. Анализ усилительных и фазоинвертирующих свойств усилительных каскадов при разных схемах включения транзистора

Обозначим коэффициент усиления по току через КI,, коэффициент усиления по напряжению через КU, коэффициент усиления по мощности через Кр, полезную мощность, выделенную в нагрузке через Рвых.

Определение параметров усиления в усилителях с элементами обратной связи подробно дан в параграфе 2.8.6 «Обратные связи в усилителях».

Из всех схем усилителей только схема на транзисторе с ОЭ инвертирует (изменяет) фазу входного сигнала на выходе на противоположную, поэтому именно эту схему используют в качестве фазоинвертора. В ключевых схемах схема с ОЭ используется для выполнения логической операции логического отрицания (операция «НЕ»).

Анализ входного и выходного сопротивлений усилителей с обратной связью дан очень подробно в разделе 2.8.6, поэтому к этим параметрам мы вернемся в конкретных задачах с учетом частотного диапазона, в котором будет  работать  усилитель.

2.8.5. Графоаналитический расчет усилительных каскадов

Графоаналитический способ расчета позволяет использовать экспериментально определенные характеристики, поэтому ему чаще всего и отдается предпочтенье.

2.8.5.1. Построение нагрузочной характеристики

В  основе  графоаналитического  способа   расчета   усилителя   лежит

построение нагрузочной характеристики по постоянному току на статических вольт-амперных характеристиках транзистора (рис. 2.15, б). Фактически линия нагрузки - это вольтамперная характеристика резистора в цепи коллектора (например, резистор Rк в схеме рис. 2.11, а), или двух резисторов (например, резисторы Rк и Rэ в схеме рис. 2.13, а), то есть линия нагрузки представляет собой вольтамперную характеристику той части схемы усилителя, в состав которой не входит нелинейный активный элемент (транзистор). В основе построения нагрузочной характеристики лежит уравнение транзистора в рабочем режиме:

- для схемы рис. 2.11, а, - для схемы рис. 2.13, а.

В данном случае работаем по схеме рис. 2.11, а. Так как элемент Rк  имеет линейный характер, то и характеристика будет в виде прямой линии. Она может быть построена по двум точкам, при этом достаточно использовать два крайних состояния транзистора:

1-е состояние: транзистор закрыт, его сопротивление равно бесконечности, ток через прибор прекращается и напряжение на нем Uк » Ек - это будет первая точка нагрузочной прямой (точка А); для конкретного транзистора расчетное Uкэ.доп должно быть больше Ек справочного.

2-е состояние: транзистор открыт полностью, то есть его сопротивление падает почти до нуля, падение напряжения на нем близко к нулю, а ток - максимальный и ограничивается лишь элементом Rк. В этом случае ток коллектора называется током насыщения Iкн » Ек/Rк. Следовательно, вторая точка нагрузочной характеристики будет лежать на оси тока (точка В); при выборе конкретного транзистора значение коллекторного тока, полученного при расчете, должно быть меньше справочного значения тока Iк.доп.

Соединив точки "А" и "В" прямой линией, получим нагрузочную характеристику по постоянному току -  линия «АВ».

Все возможные значения токов и напряжений транзистора определяются в точках пересечения его ВАХ с линией нагрузки по постоянному току. Если, например, задан ток Iбп, то падение напряжения на транзисторе Uкэп  и ток Iкп через него в режиме покоя будут определяться положением рабочей точки "РТ". Если входной ток (ток базы) увеличить до значения Iб5 , то новые значения Uкэп и Iкп определяются положением точки "С" и т. д.

Внимание. Построив нагрузочную, убедитесь, что она укладывается в рабочую область ВАХ, для чего рассчитайте характеристику допустимой мощности рассеивания на коллекторном переходе и постройте гиперболу рассеяния . Нагрузочная характеристика должна располагаться ниже гиперболы рассеивания (на рис. 2.15, б. нерабочая область затемнена).

2.8.5.2. Определение протяженности рабочего участка

нагрузочной характеристики

Прежде чем задать положение рабочей точки на нагрузочной характеристике, необходимо определить протяженность рабочего участка нагрузочной.

Рис. 2.15. Выходные характеристики (б) и временные диаграммы усилителя: а  -  выходного тока Ik = f(t); в -  выходного напряжения
Uкэ = f(t);

Конечно, для получения максимальной выходной мощности желательно использование всей нагрузочной характеристики, но в режиме насыщения транзистора в выходном сигнале заметно увеличивается уровень нелинейных искажений, а в режиме отсечки (когда ток базы равен нулю) имеет место неуправляемый ток Iкэо. За счет этих двух режимов протяженность рабочего участка нагрузочной характеристики ограничивается отрезком «CD».

Конечно, для получения максимальной выходной мощности желательно использование всей нагрузочной характеристики, но в режиме насыщения транзистора в выходном сигнале заметно увеличивается уровень нелинейных искажений, а в режиме отсечки (когда ток базы равен нулю) имеет место неуправляемый ток Iкэо. За счет этих двух режимов протяженность рабочего участка нагрузочной характеристики ограничивается отрезком «CD».

2.8.5.3. Положение рабочей точки на ВАХ

На полученном рабочем участке «CD» в режиме покоя задается положение рабочей точки (РТ). Рабочая точка задается в таком месте нагрузочной характеристики, где при подключении генератора переменной ЭДС, изменения тока базы будут приблизительно симметричными относительно ее заданного положения, а мощность, потребляемая при этом усилителем, - минимальной. Следовательно, положение рабочей точки нелинейного активного прибора (транзистора) однозначно определяется управляющим сигналом со стороны входа. Рабочую точку, в общем случае, выбирают исходя из режима, в котором должен работать транзистор: если РТ задана правильно, то при подключении генератора входного сигнала приращения выходного напряжения ±DUвых.мак будут такими, при которых транзистор продолжает работать в активном режиме, мощность, рассеиваемая на нем, не будет превышать допустимую, нелинейные искажения будут минимальными, коэффициент полезного действия (КПД) высоким и будут выполняться условия

;

 ;

,

где Uкэп, Iкп - ток и напряжение коллектора в режиме покоя; Uкэм,
Iкм - амплитудные значения напряжения и тока коллектора; ;  - допустимые значения напряжения на коллекторе и мощности, рассеиваемой на нем (их значения для данного типа транзистора берутся из справочной литературы).

Таким образом, рабочая точка должна располагаться ниже гиперболы рассеяния  и левее вертикали .

2.8.5.4. Построение рабочей характеристики на входных ВАХ

После того как были проделаны все построения на выходных ВАХ транзистора, связанные с построением нагрузочной характеристики и определением положения рабочей точки на ней, необходимо построить рабочую характеристику на входных ВАХ и перенести все точки на нее с выходной нагрузочной. Так как семейство входных ВАХ представляет собой узкий пучок характеристик, то достаточно взять одну из них и использовать ее как рабочую (рис. 2.16).

Примечание. Для расчетов нельзя использовать характеристику, снятую при напряжении на коллекторе равном нулю.

Рабочая точка на входной рабочей характеристике должна строго соответствовать значению тока базы покоя на нагрузочной (в данном случае ток базы покоя Iбп = 200 мкА). Напряжение на коллекторе очень слабо влияет на входные напряжение и ток, поэтому значение Uкэ для положения РТ не критично и может отличаться от Uкэп, установленного на нагрузочной характеристике. Точка D’ на рабочей характеристике лежит на оси напряжения, так как базовый ток отсутствует, но эта точка лежит не в начале координат, потому что в цепи коллектор-эмиттер течет ток неосновных носителей Iкэо, за счет которого и создается падение напряжения на участке база-эмиттер.

По форме переменного напряжения на входе усилителя (рис. 2.16, в) можно судить об уровне нелинейных искажений во входном сигнале: Uбэ - это падение напряжения на входном сопротивлении транзистора, а оно имеет нелинейный характер, то есть сам транзистор может стать причиной дополнительных нелинейных искажений в выходном сигнале.

Заданное положение РТ на ВАХ характеризуется ее параметрами - Iбп, Uбэп, Iкп, Uкэп, Pкп, и эти параметры необходимо обеспечить в реальной схеме, выбрав соответствующие  напряжения источников питания и смещения, а также рассчитать по этим параметрам номиналы режимных резисторов (Rб1,. Rб2, Rэ, Rк) в соответствии с формулами 2.21, 2.22,
2.22, а, 2.23.

2.8.5.5. Параметры усиления

Кроме параметров по постоянной составляющей тока, по временным диаграммам (рис. 2.15, а, в и рис. 2.16, а, в) можно определить параметры усиления - коэффициенты усиления по току, по напряжению, по мощности, полезную мощность, выделенную в нагрузке:

                                                                          (2.24)

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9