Усиление переменного сигнала

С помощью управляемых нелинейных элементов (транзисторов) можно получить усиление напряжения и тока.

Рассмотрим возможную структурную схему усилительного каскада (рис. 6.14).

Основными элементами здесь являются управляемый элемент УЭ и резистор R.

Процесс усиления основывается на преобразовании энергии источника питания +U_пит в энергию переменного напряжения в выходной цепи (+U_пит – R – УЭ) за счет изменения сопротивления УЭ соответственно входному сигналу. Отметим, что усиление переменного сигнала обеспечивается при наличии некоторого постоянного напряжения на входе U _вх.п, на которое накладывается входной сигнал. Тогда при однополярном питания каскада выходное напряжение будет меняться относительно некоторого уровня постоянного напряжения U _вых.п. При отсутствии входного постоянного напряжения невозможно усилить переменный (двухполярный) сигнал. Очевидно, что усилительные свойства рассматриваемого каскада тем выше, чем больше сказывается изменение входного сигнала на изменении сопротивления УЭ и чем больше сопротивление R.

В качестве УЭ можно взять транзистор. Показатели усилительного каскада будут зависеть от схемы включения транзистора – с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК) или с общей базой (ОБ). Усилительный каскад с общим эмиттером берет название по выводу транзистора, являющимся общим для входной и выходной цепей. В простейшем случае схема усилительного каскада с общим эмиттером в соответствии с рис. 6.14 имеет вид представленный на рис. 6.15, а. Выполним графический расчет каскада, принимая заданными семейство входных (рис. 6.15, б) и выходных характеристик транзистора (рис. 6.15, в), напряжение в цепи управления Uу = 0,7 + +0,05sin wt, сопротивление нагрузки R_Н = 500 Ом, ЭДС источника питания в выходной цепи Е = 10 В.

Семейство входных характеристик транзистора, как это видно из рис. 6.15, б, обладает той особенностью, что в интервале значений U _эк = 0,2…10 В зависимость тока базы i _б от напряжения между эмиттером и базой изображается одной и той же кривой (практически не зависит от величины u _эк).

Определим значение тока i _б = I _б0 при отсутствии синусоидального сигнала на входе, т.е. в режиме, когда на вход цепи управления действует только постоянное напряжение U_{у 0} = 0,7 В (цепь управления замкнута через источник сигнала).

Из рис. 6.15, б следует, что при U _эб = 0,7 В ток I _б = I _б0 =250 мкА (точка n). Для данного режима транзистор можно рассматривать как нелинейное сопротивление с одной ВАХ U к(I к), определяемой током базы I _б= 250 мкА. Эта ВАХ задана на семействе выходных характеристик (рис 6.15, в). Расчет цепи, содержащей это нелинейное сопротивление и линейный резистор R _н, можно выполнить методом пересечения характеристик. Запишем уравнение цепи I _к R _н +U _к (I _к )=E.

Преобразуем его

U _к (I _к )=Е– I _к R _н.

Точка пересечения нелинейной зависимости U _к (I _к ) и линейной зависимости Е – I _к R _н определит решение этого уравнения.Для этого на семействе выходных характеристик (рис.6.15, в) проведем прямую, определяемую уравнением U=E – IR _н. Ее можно построить по двум точкам: при I =0 получаем точку на оси абсцисс U=E и при U= 0 – точку на оси ординат I=E/R. Точка пересечения n′ этой прямой, которую называют линией нагрузки, с ВАХ нелинейного элемента определяет ток нагрузки, т.е. I _к = 13 мА. Проекция этой точки на ось напряжений определяет напряжение на транзисторе U _эк = 3,5 В и напряжение на нагрузке U _н =E – U _эк =6,5 В.

Для анализа режимов работы каскада рассмотрим еще две характерных точки, когда напряжение в цепи управления достигает максимального и минимального значений, т.е. когда U _у= 0,75 В и

U_у = 0,65 В.

Линеаризируем входную характеристику в рабочей точке. С этой целью в окрестности точки n (рис. 6.15, б) проведем прямую так, чтобы она на возможно большем участке совпала с касательной к кривой I _б = F (u _эб) в точке n. Крайними точками проведенной прямой будем считать точки p и m. В точке p ток I _б = 400 мкА и напряжение u _эб = 0,75 В. В точке m I _б = 150 мкА и u _эб =0,65 В. Этим точкам соответствуют одноименные точки m′ и р ′ на рис. 6.15, в.

В точке р ′ ток коллектора I _к = 18,6 мА, напряжение U _эк = 1 В, в точке m′ I _к =8,6 мА, напряжение U _эк = 6 В. Таким образом, при подаче на вход схемы синусоидального напряжения с амплитудой U _{эб т ax} = 0,05 В в цепи управления появится синусоидальная составляющая тока, имеющая амплитуду I _{б т ax}= I _{у т ax} =(400–150)/2= 125 мкА, а в выходной цепи, кроме постоянного тока I _к0, появится синусоидальный ток с амплитудой

I _{к т ax} = (18,6 – 8,6)/2 = 5 мА.

При этом на выходных зажимах транзистора будет действовать синусоидальная составляющая напряжения, имеющая амплитуду

U _{эк т ax} = (6 – 1)/2 =2,5 В.

Определим искомые коэффициенты усиления. Коэффициент усиления по току

.

Коэффициент усиления по напряжению

Коэффициент усиления по мощности

Графический метод позволяет анализировать изменения режимов работы каскада при изменении входного сигнала. Рассмотрим четыре характерных режима.

1. Если постоянная составляющая входного сигнала окажется не на много больше оптимального значения, например E_{y o}= 0,9 В, то изменится положение точки n’ на линии нагрузки – она сместится вверх в то место, где была точка p’. Тогда верхняя полуволна тока коллектора и напряжения на нагрузке будут обрезаны (в нагрузку пройдет только нижняя полуволна). Это так называемый режим насыщения.

2. Если постоянная составляющая окажется ниже оптимального значения, например E_{y o}= 0,5 В, то точка n’ сместится вниз и окажется вблизи оси абсцисс. При этом в нагрузку не пройдет нижняя полуволна переменного сигнала (это режим отсечки).

3. Если амплитуда входного сигнала окажется больше оптимальной, например 0,1sin ωt, то верхняя и нижняя полуволны выходного сигнала будут обрезаны и вместо синусоиды ток и напряжение на нагрузке будут иметь трапецеидальную переменную составляющую.

4. Если сопротивление нагрузки очень бльшое, например R _н = 1 кОм, то изменится наклон линии нагрузки (она пройдет через другую точку на оси ординат I _к= 10 мА). При этом точка n’ окажется на оси ординат и верхняя полуволна выходного сигнала будет обрезана. Такая же ситуация окажется, если уменьшить напряжение питания, например E _ко= 5 В. Тогда линия нагрузки пройдет через точки U _эк = 5Ви I _к = 10 мВ.

Таким образом, усилительный каскад обеспечивает усиление сигнала без существенного искажения только при строго определенных значениях входного напряжения, напряжения питания и сопротивления нагрузки.

Постоянную составляющую напряжения в цепи управления можно получить как часть напряжения питания, используя делитель напряжения на двух резисторах или один резистор (рис. 6.16). Если определены ток базы I_{б 0} и напряжение U_{бэ 0} (в так называемом режиме работы по постоянному току), то сопротивление R _б (рис. 4.10) можно определить R _б.= (Е – U_{бэ 0})/ I _б0.

Конденсаторы С_вх и С_вых используются для выделения переменной составляющей сигнала (постоянный ток через них не проходит).

Значительными параметрами транзистора являются так называемые малосигнальные h -параметры. Они характеризуют работу транзистора в основных режимах его работы – при малых изменениях токов и напряжений. Принято определять h -параметры, исходя из представления транзистора четырехполюсником (рис. 6.17). Внутри четырехполюсника находится транзистор, подключенный по одной из схем ОБ, ОК, ОЭ.

Связь между входными (U ₁, I ₁) и выходными (U ₂, I ₂) напряжениями и токами можно выразить системой двух уравнений

D U ₁ = h ₁₁D I ₁ + h ₁₂D U ₂;

D I ₂ = h ₂₁D I ₁+ h ₂₂D U ₂.

В качестве независимых переменных приняты приращения входного тока D I ₁ и выходного напряжения D U ₂, а D U ₁ и D I ₂ выражают через h -параметры:

– h ₁₁=D U ₁ / D I ₁ – входное сопротивление транзистора при U ₂ = const;

– h ₁₂=D U ₁ / D U ₂ – коэффициент обратной связи по напряжению при I ₁ = const;

– h ₂₁=D I ₂ / D I ₁ – коэффициент передачи тока при U ₂ = const;

– h ₂₂=D I ₂ / D U ₂ – выходная проводимость транзистора при I ₁ = const.

Конкретные значения h -параметров зависят от схемы включения, т.е. от того, какие напряжения и токи являются входными и выходными. При этом к h -параметру добавляют соответствующий индекс. Так, для схемы ОЭ коэффициент передачи тока будет обозначен h _21э.

Системе уравнений с h -параметрами соответствует схема замещения транзистора для малого переменного сигнала (рис.6.18, а), На этой схеме обычно опускают знак Δ перед токами и напряжениями, заменяя их словами в названии «для малого переменного сигнала». В первом уравнении четырехполюсника слагаемым h ₁₂D U ₂ обычно пренебрегают, так как параметр h ₁₂ имеет очень малое значение. Оставшейся части первого уравнения четырехполюсника D U ₁ = h ₁₁D I ₁ соответствует входная цепь на рис 6.18, а.

Во втором уравнении четырехполюсника первое слагаемое можно представить на схеме замещения транзистора в виде зависимого источника тока J = h ₂₁D I _1, а второе – в виде тока через резистор величиной, равной 1/ h ₂₂.

Усилительный каскад (рис. 6.16) может быть представлен для малого переменного сигнала схемой замещения (рис. 6.18, б).

Можно считать, что резистор R_б включен параллельно входу (через низкоомный источник питания). Однако обычно R_б >> h ₁₁, поэтому первым сопротивлением можно пренебречь. Тогда входной ток i _вх будет определяться только входным сопротивлением транзистора h ₁₁:

u_вх = i_вхh ₁₁.

Для выходной цепи каскада, считая R_Н ® ¥, получаем

h ₂₁ i_вх + h ₂₂ u_вых + u_вых / R_к = 0.

Решая совместно полученные уравнения (и считая, что h ₂₂<<1/ R_к), получаем для режима холостого хода

,

откуда ; .

Дата добавления: 2014-12-27