Основные характеристики усилителя

Эквивалентная схема каскада.

Назначение, принципиальная электрическая схема, принцип работы усилительного каскада

Резисторные каскады с общим эмиттером – это усилительные каскады на биполярных транзисторах с резисторными нагрузками в коллекторных цепях. Вывод эмиттера транзистора является общим для входной и выходной цепей каскада по переменному току. Широкое применение этих каскадов в качестве предварительных усилителей обусловлено тем, что они обеспечивают усиление входного сигнала главным образом по напряжению. Однако не исключается усиление по току. Принципиальная схема усилительного каскада показана на рис.1.

Назначение элементов схемы:

Е_К - э.д.с. источника питания по постоянному току.

VT - биполярный транзистор – усилительный элемент /УЭ/.

R₁, R₂ - резисторы делителя напряжения, обеспечивающие смещение по току /резистор R₁/ и напряжению /резистор R₂/, а также частичную стабилизацию рабочей точки транзистора по постоянному току.

R_K - резистор, ограничивающий ток в цепи коллектора, чтобы он не превышал значения, указанного в паспорте на выбранный тип транзистора.

С₁, С₂ - разделительные конденсаторы, предназначенные для разделения цепей по переменной составляющей усилительного сигнала от цепей постоянного источника питания.

Rэ, Сэ - элементы эмиттерной цепи для стабилизации рабочей точки транзистора как по температуре резистором Rэ, обеспечивающим отрицательную обратную связь в каскаде по постоянной составляющей, так и по частоте конденсатором Сэ, уменьшающим проявление отрицательной обратной связи по переменной составляющей.

Rн – сопротивление нагрузки каскада, являющееся входным сопротивлением следующего каскада.

Е_Г, r_Г - э.д.с. и внутреннее сопротивление источника усиливаемого сигнала.

R_ф, С_ф – элементы фильтра источника питания.

Рисунок 1 – Схема усилительного каскада с общим эмиттером

Рисунок 2 – Эквивалентная схема транзистора для h-параметров для схемы включения с общим эмиттером

Рисунок 3 – Эквивалентная схема усилительного каскада с общим эмиттером

Принцип работы усилителя заключается в процессе усиления маломощного входного сигнала. Процесс усиления – преобразование энергии источника постоянного напряжения Ек в энергию переменного напряжения в выходной цепи за счет изменения сопротивления усилительного элемента /биполярного транзистора/ по закону, задаваемому входным сигналом. Источник Ек обуславливает токи I_Д, I_КП, I_ЭП одного направления в электрических цепях усилителя. Однако входной /усиливаемый/ сигнал имеет форму переменного напряжения u_ВХ. Поэтому ток в выходной цепи i_H, и в частности через нагрузку Rн также будет одного знака, но его значение будет изменяться во времени по закону изменения входного напряжения. Ток такой формы и соответствующее ему напряжение называют пульсирующими и их следует рассматривать как состоящих из постоянной и переменной составляющих. Связь между постоянными и переменными составляющими должна быть такой, чтобы амплитудные значения переменных составляющих Im, Um не превышали постоянных составляющих Iп, Uп, то есть Iп ³ Im и Uп ³ Um.

Невыполнение этих условий приводит к искажению формы выходного сигнала. Реализация этих условий осуществляется таким построением схемы, чтобы во входной цепи каскада усиливаемый переменный сигнал был наложен на постоянную составляющую тока /или напряжения/. Эти постоянные составляющие тока и напряжения определяют так называемый режим покоя усилительного каскада.

Для схемы усилительного каскада ОЭ параметры режима покоя по входной цепи / I_БП, U_БЭП / и по выходной цепи / I_КП, U_КЭП / характеризует электрическое состояние каскада в отсутствии входного сигнала. Направления токов в цепях и точки приложения напряжений в режиме покоя показаны на рис.1.

Температурная зависимость параметров режима покоя обуславливается зависимостью коллекторного тока покоя I_КП от температуры. При отсутствии мер по стабилизации тока I_КП его температурные изменения вызывают изменения режима покоя каскада, что может привести к режиму работы каскада в нелинейной области характеристик транзистора и искажению формы кривой выходного сигнала. Отрицательная обратная связь, предназначенная для стабилизации режима покоя каскада при изменении температуры и реализуемая элементом R_Э по постоянному току и элементом С_Э по переменной составляющей, проявляется в следующем. Предположим, что под влиянием температуры ток I_КП увеличивается. Это отражается на увеличении ток I_ЭП / рис.1 /, повышении напряжения

U_ЭП = I_ЭП × R_Э

и соответственно снижении напряжения

U_БЭП = U_БП - U_ЭП

Ток базы I_БП уменьшается, вызывая уменьшение тока I_КП, чем создается препятствие наметившемуся увеличению тока I_КП. Иными словами, стабилизирующее действие отрицательной обратной связи, создаваемой резистором R_Э, проявляется в том, что температурные изменения параметров режима покоя передаются цепью обратной связи в противофазе на вход каскада, препятствуя тем самым изменению тока I_КП, а следовательно, и напряжению U_КЭП.

Эквивалентной схемой каскада удобно пользоваться для расчета его элементов и параметров. Для этого биполярный транзистор заменяют его эквивалентной схемой для h-параметров / рис.2 /.

Систему h-параметров для звукового диапазона получают из описания транзистора как активного четырехполюсника системой уравнений:

U₁ = h₁₁I₁ + h₁₂U₂

I₂ = h₂₁I₁ + h₂₂U₂ (1)

где U₁»U_ВХ; U₂ »U_ВЫХ; I₁ » I_ВХ; I₂ » I_ВЫХ;

h₁₁ – входное сопротивление транзистора при коротком замыкании на выходе;

h₁₂ – коэффициент обратной передачи напряжения при холостом ходе на входе;

h₂₁ – коэффициент прямой передачи тока при коротком замыкании на выходе;

h₂₂ – выходная проводимость при холостом ходе на входе.

Эквивалентная схема транзистора / рис.2 / содержит два зависимых источника: источник напряжения, управляемый напряжением, и источник тока, управляемый током.

Если в схеме / рис.1 / заменить биполярный транзистор его эквивалентной схемой / рис.2 / и ввиду малых сопротивлений на высоких частотах не учитывать конденсаторы С₁ ,С₂ ,Сэ, то получим эквивалентную схему каскада / рис.3 /, которая описывается уравнениями:

U₁ = h_11ЭI¢₁ + h_21ЭU₂

I₂ = h_21ЭI¢₁ + h_22ЭU₂ (2)

где I₁ – входной ток усилительного каскада,

I¢₁ – входной ток биполярного транзистора.

Характеристики и параметры усилителей взаимосвязаны. Пользуясь характеристиками усилителя, можно определить некоторые его параметры, а по ним прогнозировать характеристики.

К основным характеристикам усилителя относятся:

АХ – амплитудная характеристика – зависимость амплитуды первой гармоники выходного напряжения от амплитуды гармонического входного напряжения

U_2m = f (U_1m)

АЧХ – амплитудно-частотная характеристика – зависимость модуля коэффициента усиления от частоты K(f).

ФЧХ – фазо-частотная характеристика – зависимость сдвига по фазе между выходным и входным параметрами усилителя от частоты j(f).

ПХ – переходная характеристика – зависимость выходного напряжения /тока/ от времени при скачкообразном /ступенчатом/ воздействии входного напряжения /тока/

U₂(t) = U₁(t) × K

СДХ – сквозная динамическая характеристика – зависимость выходного напряжения /тока/ от входной э.д.с. сигнала /тока/, позволяющая оценить нелинейные искажения усилителя

u₂ = f(e_г) или i₂ = f(i₁)

ДХ прямой передачи – динамическая характеристика прямой передачи - зависимость выходного напряжения усилителя от входного

u₂ = f(u₁),

позволяющая оценить нелинейные искажения усилителя и применяемая в случаях, когда входное сопротивление усилителя превышает на несколько порядков сопротивление источника сигнала R_Г.

Дата добавления: 2015-05-06