Низкочастотного малого сигнала

Работа ПТ с p-n затвором в режиме усиления

1.5.1. Общие сведения об усилителях электрических сигналов

Усилением называется процесс увеличения мощности (напряжения, тока) входного сигнала в заданное число раз без искажений его формы в некоторой полосе частот. Устройство, осуществляющее такое преобразование, называют усилителем.

По характеру изменения усиливаемого сигнала во времени усилители делят на усилители медленно изменяющихся сигналов, которые называют усилителями постоянного тока, и усилители переменного тока, подразделяемые на усилители низкой частоты, высокой частоты, широкополосные, избирательные, универсальные многофункциональные и пр. В зависимости от характера нагрузки и назначения различают усилители напряжения, тока и мощности. Такое различие условно, так как в любом случае, в конечном счёте, усиливается мощность сигнала за счет энергии источника питания усилителя. В зависимости от типа использованных в усилителе активных элементов различают усилители ламповые, полупроводниковые, магнитные, оптоэлектронные, диэлектрические. Структура усилителя и его амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), т.е. зависимость коэффициента преобразования от частоты сигнала синусоидальной формы, приведена на рис. 7.

Коэффициентом преобразования или коэффициентом передачи называют отношение величин выходного сигнала к входному. Размерность и общепринятые обозначения коэффициента преобразования зависят от значений и величин входного и выходного сигналов, например S = I_вых / U_вх – коэффициент преобразования напряжения в ток; W = P_вых / I_вх - коэффициент преобразования тока в мощность. В тех случаях, когда входное и выходное значения сигнала являются однородными, коэффициент преобразования называют коэффициентом усиления.

а)

а)

б)

Рис. 7. Структура (а) и частотная характеристика (б)

усилителя электрических сигналов

Различают коэффициент усиления по напряжению

K_u = |dU_вых / dU_вх|, (10)

и аналогично коэффициент усиления по току K_i = |dI_вых / dI_вх|; коэффициент усиления по мощности K_p = P_вых / P_вх. В ряде случаев коэффициенты усиления выражают в логарифмических единицах – децибелах (дБ)

K_u = 20 lg |dU_вых / dU_вх|;

K_i = 20 lg |dI_вых / dI_вх|; (11)

K_p = 10 lg dP_вых / dP_вх.

Логарифмические единицы удобны тем, что если известны коэффициенты усиления отдельных каскадов или узлов усилителя и общий коэффициент усиления равен произведению этих коэффициентов, то его логарифм находят как алгебраическую сумму логарифмических коэффициентов усиления отдельных каскадов.

Коэффициенты усиления по напряжению и току, как правило, величины комплексные, характеризуемые как модулем, так и фазой, зависящими от частоты сигнала (f). Входное и выходное сопротивления усилителя в общем случае также являются величинами комплексными из-за наличия реактивных элементов во входной и выходной цепях. Рабочий диапазон частот (полоса пропускания) – полоса частот от низшей рабочей частоты f_н до высшей рабочей частоты f_в, в пределах которой коэффициент усиления не выходит за пределы заданных допусков. Это касается как модуля, так и фазы коэффициента усиления. Если к усилителю не предъявляются какие-либо специальные требования, то рабочий диапазон частот определяют на уровне 3 дБ. Это диапазон от низшей частоты f_н, на которой коэффициент усиления уменьшается относительно своего значения на средней частоте на 3 дБ (в 1,41 раза), до высшей f_в, на которой коэффициент усиления также уменьшается на 3 дБ (рис. 7б).

Отношение наибольшего допустимого значения выходного напряжения к его наименьшему значению (напряжению собственных шумов) называют динамическим диапазоном усилителя

D = U_{вх max} / U_{вх min}; D(дБ) = 20 lg (U_{вх max} / U_{вх min}). (12)

Ограничение значений коэффициента D связано с тем, что максимально допустимое выходное напряжение усилителя ограничено искажениями сигнала на выходе. Как правило, это случается, когда размах выходного напряжения становится близким к напряжению источника питания. Минимально допустимое напряжение ограничено обычно уровнем собственных шумов усилителя, на фоне которых полезный сигнал не удается выделить.

Важным параметром усилителя является его номинальная выходная мощность, т.е. мощность на выходе усилителя при работе на расчетную нагрузку при заданном значении нелинейных искажений.

Коэффициент полезного действия представляет собой отношение номинальной выходной мощности, отдаваемой усилителем в нагрузку, к общей мощности, потребляемой от источника питания: h = P_вых / P₀. Он характеризует энергетические показатели усилителя.

1.5.2. Усилитель низкочастотного малого сигнала

на полевом транзисторе p-n затвором

Упрощенная схема усилительного каскада на полевом транзисторе с управляющим p-n переходом, включённого по схеме с общим истоком показана на рис. 8 (более точная схема приведена на рис.12). В цепь затвора подается постоянное запирающее напряжение U_ЗИ и переменное напряжение усиливаемого сигнала U_ВХ.На выходе каскада действует напряжение, складывающееся из постоянной и переменной составляющих напряжения.

На рис. 9 показано семейство стоковых характеристик транзистора и проведена нагрузочная прямая в соответствии с уравнением I_C = (Е_C - U_СИ)/R_C (при Е_C=10 В, R_C= 4 кОм). Рабочая точка А соответствует напряжениям U_ЗИ0 = -1 В, U_СИ0 = 5 В и току I_C0 =1,25 мА. Если на вход подать гармонический сигнал низкой частоты с амплитудой U_BXm, то напряжение U_СИ и ток I_C, изначально определяемые координатами (U_ЗИ0, I_C0), будут изменяться таким образом, что соответствующая им точка с координатами (U_СИ, I_C) начнет двигаться вдоль нагрузочной линии в пределах отрезка ВС. Крайние положения В и Сопределяются пересечением нагрузочной линии с характеристиками, соответствующими напряжениям U'_ЗИ = U_ЗИ= + U_ВХmи U"_ЗИ = U_ЗИ= - U_BХm,где U_ЗИ= = -1В и U_BXm = 0,5 В. Точки Ви Сопределяют амплитуды переменных составляющих тока стока I_СТ и выходного напряжения U_ВЫХm.

На рис. 10 показано семейство сток-затворных характеристик и соответствующие положения рабочих точек.

Рис. 8. Упрощенная схема усилителя

на полевом транзисторе с p-n затвором

Во многих практически важных случаях переменная составляющая токов и напряжений, действующих на электродах электронного прибора, существенно меньше соответствующих постоянных составляющих, что позволяет рассматривать транзистор, как линейный элемент электрической цепи, который может быть представлен эквивалентной схемой замещения. На рис. 11 повторена упрощённая схема усилительного каскада, приведённая на рис.8, но сам полевой транзистор представлен своей эквивалентной схемой, ограниченной пунктирным контуром.

Рис. 9. К пояснению эффекта усиления малого сигнала

в схемах на полевых транзисторах с p-n затвором

Рис. 10. Семейство сток - затворных характеристик

полевого транзистора (U´_ЗИ = -1В)

Использование такой схемы позволяет получить простое выражение для коэффициента усиления каскада по напряжению в случае низкочастотного сигнала, когда можно считать, что сопротивления емкостных элементов X_C = 1/(2pfC)®¥. Воспользуемся для вычислений принципом суперпозиции и найдем выходное напряжение, как алгебраическую сумму напряжений, создаваемых на стоке транзистора источником питания (Е_С) и источником тока (I).

U_ВЫХ = (Е_С×R_{СИ ДИФ})/(R_с+R_{СИ ДИФ}) - I×(R_с×R_{СИ ДИФ})/(R_с+R_{СИ ДИФ}). (13)

Здесь ток I=S(U_ЗИ + U_ВХ), следовательно, напряжение

U_ВЫХ = (Е_С×R_{СИ ДИФ})/(R_с+R_{СИ ДИФ}) –

- S(U_ЗИ+U_ВХ)×(R_с×R_{СИ ДИФ})/(R_с+R_{СИ ДИФ}) =

= (Е_С×R_{СИ ДИФ})/(R_с+R_{СИ ДИФ}) – U_ЗИS×(R_с×R_{СИ ДИФ})/(R_с+R_{СИ ДИФ}) -

- U_ВХS×(R_с×R_{СИ ДИФ})/(R_с+R_{СИ ДИФ}). (14)

Учтем, что напряжения Е_С и U_ЗИ являются постоянными. Они определяют рабочую точку транзистора (см. рис. 9), что необходимо для нормального функционирования прибора и усиления переменного (информационного) напряжения U_ВХ.

Рис. 11. Схема усилительного каскада. Здесь полевой транзистор (см. рис. 8) представлен эквивалентной схемой (пунктирный контур). Его параметры: g_11и – входная проводимость; R_{СИ ДИФ} – выходное дифференциальное сопротивление транзистора (R_{СИ ДИФ} = DU_СИ / DI_C)); С_зи, С_зс и С_си, - ёмкости между затвором и истоком, затвором и стоком (проходная емкость) и стоком и истоком, соответственно, I – эквивалентный источник тока

Дифференцируя левую и правую части уравнения (14) по dU_ВХ, находим:

K_U = - S×(R_с×R_{СИ ДИФ})/(R_с+R_{СИ ДИФ}) = -SR_c/(1+R_c/R_{СИ ДИФ}). (15)

Знак «-» в формуле (15) говорит о том, что при усилении происходит инверсия сигнала.

Отметим, что упрощённая схема усилительного каскада (см. рис. 8) удобна для пояснения его работы, но крайне редко применяется в радиотехнике в связи необходимостью использования дополнительного источника напряжения U_ЗИ. Широкое распространение получила схема, использованная при изготовлении лабораторного макета и показанная на рис. 12.

Рис. 12. Принципиальная электрическая схема

усилительного каскада на ПТУП

Требуемое смещение на затворе (U_ЗИ) достигается использованием резисторов R₁ и R₃. Резистор R₁» 1 МОм выбирается из таких соображений, чтобы его сопротивление было много больше сопротивления источника сигнала, но много меньше входного сопротивления транзистора. Т.к. входной ток ПТУП мал (~ 10 нА), то и падение напряжения на R₁ очень мало. Следовательно, потенциал на выводе затвора практически равен потенциалу общего провода, т.е. нулю вольт. Поскольку через исток транзистора протекает ток I_И» I_C, то падение напряжения на резисторе R₃ приводит к увеличению потенциала истока (относительно общего провода) на величину U_И = I_И·R₃. Это и обеспечивает необходимое напряжение смещения U_ЗИ0. Для того чтобы исключить влияние резистора R₃ на усиление переменного напряжения U_ВХ, этот резистор шунтируют конденсатором С₃, емкость которого выбирают такой, чтобы выполнялось условие: Хс3 = 1/(2pf_нC₃)<< R₁.

Конденсаторы С₁ и С₂ являются элементами связи соответственно между транзистором и источником сигнала, транзистором и нагрузкой (например, последующим каскадом). При этом они исключают влияние, как источника сигнала, так и нагрузки на режим работы данного транзистора по постоянному току. Емкости этих конденсаторов выбираются таким образом, что бы их сопротивлением на наиболее низкой частоте рабочего диапазона (f_н) можно было бы пренебречь. Вместе с тем, именно из-за увеличения сопротивления этих конденсаторов, а так же конденсатора C₃ происходит уменьшение коэффициента усиления на частотах f < f_н.

Дата добавления: 2014-11-18