Обеспечение режима усилительного каскада в статическом режиме

Основные технические показатели и характеристики аналоговых электронных устройств

Классификация усилителей

Осуществляется по следующим признакам:

- полоса пропускания и абсолютные значения усиливаемых частот;

- вид входного сигнала (гармонический или импульсный);

- назначение усилителя;

- вид используемых активных радиокомпонентов.

1. По полосе пропускания усилители подразделяются на следующие подгруппы.

Усилители постоянного тока (УПТ), которые предназначены для усиления медленно изменяющихся сигналов.

Такие усилители усиливают не только переменную составляющую входного сигнала, но и его постоянную составляющую. Для неискажённого воспроизведения и передачи сигнала полоса пропускания таких усилителей характеризуется нижней частотой f _н=0, и верхней частотой f _в≈100 кГц. График АЧХ для УПТ приведен на рис. 1.3.

Усилители переменного тока (УНЧ), которые подразделяются на две подгруппы:

а) апериодические, или широкополосные, для которых f _н>0, f _в≈10 кГц…100 МГц, имеющие АЧХ, изображённую на рис. 1.4, а. Для широкополосных усилителей характерно большое отношение (f _в/ f _н)≈10²…10⁵.

б) частотно-избирательные (узкополосные). Для узкополосных усилителей характерны следующие параметры: (f _в/ f _н)≈1,1…1,5; f _в– f _н<< f ₀. Их АЧХ имеет вид, изображённый на рис.1.4, б.

2. По виду входного сигнала усилители подразделяются на две подгруппы:

а) усилители аналоговых (непрерывных сигналов в диапазоне от звуковых до очень высоких частот;

б) усилители импульсных сигналов.

3. По назначению усилители подразделяются на следующие подгруппы:

а) усилители напряжения;

б) усилители тока;

в) усилители мощности.

4. По виду используемых активных радиокомпонентов выделяют усилители:

а) на биполярных или полевых транзисторах;

б) интегральные усилители (на ИС);

в) усилители на магнитных элементах;

г) усилители на туннельных диодах и т.д.

К техническим показателям (параметрам) усилителей относят следующие.

1. Коэффициент усиления. В зависимости от назначения усилителя различают следующие разновидности коэффициентов усиления:

Коэффициент усиления по напряжению .

Коэффициент усиления по току .

Коэффициент усиления по мощности .

Если усилитель содержит n каскадов, то общий коэффициент усиления определятся из выражения

. (1.5)

Величину коэффициента усиления часто выражают в децибелах:

К, дБ=20 lg K. (1.5а)

Для n -каскадного усилителя коэффициент усиления в дБ записывается в виде

К (дБ)= К ₁(дБ)+ К ₂(дБ)+…+ К_n (дБ).

Значение комплексного коэффициента усиления каскада аппроксимируется с помощью выражения

, (1.6)

где К ₀ – коэффициент усиления усилителя в области средних частот, в пределах которых коэффициент усиления не зависит от частоты, и при этом все коэффициенты усиления (по напряжению, по току, по мощности) являются действительными величинами;

- постоянная времени усилителя в области нижней частоты усиления ω_н;

- постоянная времени усилителя в области верхней частоты усиления ω_в.

Постоянные времени τ_н и τ_в характеризуют времена задержки передаваемого сигнала.

Появление задержки сигнала связано с наличием реактивных элементов (ёмкостей С, индуктивностей L) и активных сопротивлений R в цепях реальных усилителей, а также с наличием инерционности активных элементов усилителя (транзисторов и диодов).

Наличие времён τ_н и τ_в обуславливает искажения величины К₀, приводящее к его уменьшению в области нижних и верхних частот.

В идеальном усилителе в области средних частот выполняется условие

. (1.7)

Из этого выражения можно определить значение частоты ω=ω₀ при которой К = К ₀, а искажения минимальны:

,

откуда следует, что

. (1.8)

По формуле для алгебраической записи комплексного числа можно определить модуль и фазу коэффициент усиления .

Модуль определяет АЧХ усилителя:

. (1.9)

Модуль ФЧХ определяет фазу усиливаемого сигнала:

. (1.9а)

Из выражения для ФЧХ следует, что в диапазоне средних частот фаза сигнала φ(ω₀)=-arctg 0=0.

2. Входное сопротивления усилителя, R _вх. Это сопротивление входной цепи усилителя. Схемы замещения входной цепи можно представить в виде, представленном на рис. 1.5, а, б.

На работу усилителя большое внимание оказывает сопротивление источника сигнала (иначе, – сопротивление генератора) R _г. Здесь можно рассмотреть два крайних случая.

Если R _вх>> R _г, то источник сигнала по отношению ко входу является источником напряжения U _г (рис. 1.5, а).

При этом потери напряжения на внутреннем сопротивлении источника входного сигнала R _г будут незначительны. В этом случае входное напряжение U _вх рассчитывается из соотношения

. (1.10)

Говорят, что в данном случае управление идёт от источника напряжения.

В случае, если R _вх<< R _г, то источник сигнала по отношению ко входу является источником тока I _г (рис.1.5, б). В этом случае почти весь ток источника входного сигнала ответвляется во входное сопротивление усилителя, и выполняется условие

. (1.11)

Говорят, что в данном случае управление идёт от источника тока.

3. Выходное сопротивление R _вых. Это сопротивление выходной цепи усилителя. По соотношению величин R _вых и сопротивления нагрузки R _н можно рассмотреть два предельных случая.

R _вых<< R _н – в этом случае усилитель работает в режиме усиления по напряжению, на нагрузке получается максимум усиления по напряжению.

R _вых>> R _н – усилитель работает в режиме усиления по току, на нагрузке получается максимальное усиление по току.

Для получения максимального усиления по мощности, нужно, чтобы R _вх≈ R _г и R _вых≈ R _н. Обычно значение R _вх и R _вых составляет величины порядка 10 Ом…100 кОм.

4. Коэффициент полезного действия (КПД) усилителя. Различают два вида КПД.

Выходной КПД рассчитывается по формуле

, (1.12)

где Р _н – полезная мощность, отдаваемая в нагрузку усилителя; Р ₀ – мощность, потребляемая от источника питания.

Полный КПД рассчитывается по формуле

, (1.13)

где Р _Σ –мощность, потребляемая всеми цепями усилителя..

Важными характеристиками электронных усилителей являются их характеристики, определяющие качество работы усилителя. К ним относятся следующие.

5. Фазо-частотная характеристика (ФЧХ) отражает зависимость угла сдвига фазы между входным и выходным сигналами и выражается соотношением

. (1.14)

Фазовый сдвиг обусловлен наличием элементов с реактивным сопротивлением в цепи усилителя. К таким элементам относятся различные ёмкости и индуктивности.

График ФЧХ имеет вид, представленный на рис. 1.6. На этом рисунке φ_н – фазовый сдвиг для нижних частот ω_н усиливаемого сигнала; φ_в – фазовый сдвиг для верхних частот ω_в. Положительное значение угла φ_н>0 соответствует опрежению выходного сигнала относительно входного. Отрицательное значение φ_в<0 характеризует отставание выходного сигнала относительно входного.

Частоты ω_{н гр} и ω_{в гр} (рис. 1.6) ограничивают частотный диапазон, в котором коэффициент усиления К ₀=const. В этом диапазоне, как следует из формулы для ФЧХ, фазовый сдвиг φ₀=0.

Идеальная ФЧХ характеризуется линейным фазовым сдвигом φ=ω t, характерным для идеального усилителя. Если фазовый угол φ пропорционален частоте ω, то это означает, что любая гармоника сложного сигнала получает один и тот же временной сдвиг τ. График идеальной фазовой характеристики является прямой линией. Хотя сигнал при прохождении через усилитель сдвигается во времени, однако его форма остаётся неизменной.

По виду ФЧХ оценивают вносимые усилителем фазовые искажения, отражающие изменение формы выходного сигнала. Эти искажения являются линейными.

6. Амплитудная характеристика и динамический диапазон усилителя. Амплитудная характеристика (АХ) – это зависимость выходного сигнала от входного, U _вых = f (U _вх).

Для идеального усилителя коэффициент усиления К ₀ является постоянной величиной и определяется из выражения

.

График зависимости U _вых = f (U _вх) аппроксимируется прямой линией (рис. 1.7).

В реальном усилителе АХ имеет изгиб при очень малых входных напряжениях ниже точки А (рис. 1.7.). Этот изгиб связан с наличием в усилителе собственных помех с напряжением U _п.

Эти помехи усиливаются и действуют на выходе даже при отсутствии сигнала на входе. Появление таких помех связано, в частности, с собственными шумами усилителя.

Для нормальной работы усилителя необходимо, чтобы U _вх> U _{вх min}. Иными словами, на входе напряжение должно превышать напряжение помехи. Более слабые входные напряжения будут загушаться напряжением собственных шумов усилителя.

При слишком больших входных напряжениях U _вх АХ искривляется из-за перегрузки усилителя и возникают нелинейные искажения.

Количественным параметром, характеризующим АХ служит динамический диапазон, выражаемый соотношением

, (1.15)

где U _{вх max} и U _{вх min} – максимальное и минимальное значения входного напряжения, при которых АХ линейна.

Величину динамического диапазона часто выражают в децибелах:

D, дБ=20 lg D. (1.15а)

Динамический диапазон электронных усилителей обычно достигает значения 40…50 дБ.

7. Частотные искажения. Появление частотных искажений связано с тем обстоятельством, что модуль коэффициента усиления К (ω) на разных частотах имеет разные значения, Поэтому гармонические составляющие сложного входного сигнала усиливаются неодинаково. Поэтому форма выходного сигнала отличается от формы входного сигнала

Одной из двух причин появления частотных искажений является наличие реактивных элементов в усилителе (ёмкостей и индуктивностей). Их реактивные сопротивления зависят от частоты.

Другой причиной является частотная зависимость физических парметров полупроводниковых приборов – транзисторов и диодов, входящих в состав схемы усилителя.

Количественно частотные искажения в усилителях характеризуются коэффициентом частотных искажений.

Различают коэффициенты частотных искажений для нижних (М _н) и верхних (М _в) частот передаваемого сигнала.

Коэффициент частотных искажений для нижних частот определяется из выражения

,

где К (ω_н) – коэффициент усиления на нижних частотах.

Для диапазона нижних частот

.

Поэтому значение коэффициента усиления для нижних частот равно

. (1.16)

Следовательно, величина коэффициента частотных искажений для нижних частот может быть рассчитана по формуле

. (1.17)

Коэффициент частотных искажений для верхних частот определяется из выражения

,

где К (ω_в) – коэффициент усиления на верхних частотах.

Для верхних частот

.

Поэтому значение коэффициента усиления для верхних частот равно

. (1.18)

Следовательно, величина коэффициента частотных искажений для верхних частот может быть рассчитана по формуле

. (1.19)

В идеальном случае, при отсутствии искажений, значение М _н= М _в=1.

8. Нелинейные искажения. Другой вид искажений, вносимых усилителем в передаваемый сигнал – это нелинейные искажения. Их появление обусловлено нелинейностью характеристик транзисторов и диодов, являющимися активными элементами, обеспечивающими усиление электрических сигналов. Действительно, прямые ветви ВАХ p-n переходов, образующих структуру транзисторов аппроксимируются экспоненциальным выражением:

, (1.20)

где j_т = 26 мВ – тепловой потенциал.

В качестве примера на рис. 1.8 приведён пример графического построения входного тока базы I _б= f (U _бэ) транзистора, включённого по схеме с ОЭ, при периодическом изменении напряжения U _бэ.

Из графического построения на рис.1.8 следует, что ток I _б УЭ отличается от симметричного синусоидального. Значит, в нём содержатся гармоники основной частоты входного сигнала и высшие гармоники. Причем, искажения зависят от амплитуды входного сигнала (чем она меньше, тем меньше искажения).

Величина искажений зависит от выбора рабочей точки А на входной характеристике транзистора – на линейном или нелинейном участке ВАХ она выбрана.

Оценка величины нелинейных искажений производится с помощью коэффициента нелинейных искажений К _н (коэффициента гармоник к _г), который рассчитывается по формуле

≈0,01…0,1, (1.21)

где в числителе – сумма всех гармоник I_im, начиная со второй; I_1m – первая гармоника.

Расчёт коэффициента гармоник проводится двумя методами:

графический метод (метод 5 координат);

аналитический метод с помощью ЭВМ.

Обеспечение режима работы по постоянному току в усилительном каскаде на одном транзисторе, являющимся управляемым элементом, – это задание необходимого напряжения смещения на выводы транзистора через соответствующий источник питания с напряжением U _п.

Основные требования для обеспечения режима работы транзистора по постоянному току следующие.

1. все цепи по постоянному току должны быть замкнуты, то есть должна быть замкнута цепь базы, коллектора и эмиттера.

2. в качестве коллекторной нагрузки должна использоваться активная или индуктивная нагрузка. Возможно применение параллельно включённых RC - или LC цепей.

3. биполярный транзистор должен быть включён по схеме с ОЭ, ОБ или ОК; полевой транзистор включается по схеме с ОС или ОИ. Выбор схемы включения определяется её частотными свойствами.

4. Усилитель может работать в режимах следующих классов работы:

режим класса А – транзистор в активнм режиме;

режим класса B –транзистор в режиме отсечки;

режим класса АB –промежуточный режим;

режим класса С – «усиленный» класс В;

режим класса D – транзистор в ключевом режиме.

Для выбора статического режима работы транзистора широко применяется графоаналитический метод построения нагрузочных прямых, в котором используется семейство статических входных и входных характеристик.

1.4.1. Обеспечение режима работы транзистора при включении по схеме с ОЭ

Схема простейшего каскада усиления на транзисторе, включённом по схеме с ОЭ, представлена на рис. 1.9.

Режим работы транзистора по выходной цепи (ток «покоя» коллектора I _Кр и напряжение U _{КЭ р}) задаётся с помощью резистора R _к, включённого в цепь коллектора. Ток базы I _бр и потенциал базы U _{БЭ р} задаётся с помощью резистора R _Б , включённого в цепь базы.

Расчёт режима работы выполняется в следующей последовательности.

1. Из справочников находятся графики выходных статических характеристик I _к= f (U _кэ). Графики представлены на рис. 1.10.

2. Определение рабочей области режима транзистора. Она ограничивается предельными значениями напряжения U _{К max} и тока коллектора I _{К max}, которые связаны следующей зависимостью

, (1.22)

где Р _{К max} – максимально допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора, является справочной величиной.

График функции I _{К max}= f (U _КЭ) является гиперболой и строится на графике выходной характеристики, как показано на рис.1.10. Область ниже этой кривой является рабочей областью.

3. На графике статической характеристики (рис. 1.10) выбирается рабочая точка А, соответствующая активному режиму работы транзистора. Этой точке соответствуют:

U _{КЭ р} – рабочее напряжение на кол­лекторном переходе;

I _{К р} – рабочий ток коллектора.

4. Записывается уравнение нагрузочной прямой

, (1.23)

где U _п – напряжение питания, В; U _КЭ – текущее напряжение между коллектором и эмиттером транзистора; I _К – ток коллектора; R _К - сопротивление нагрузки в цепи коллектора.

Подставляя в эту формулу значения U _{КЭ р} и I _{К р} получим:

. (1.24)

Из этого выражения можно рассчитать величину сопротивления нагрузки R _К в цепи коллектора по формуле:

. (1.25)

Аналогично выбирается режим работы входной цепи. Для этого используется уравнение входной характеристики I _Б= f (U _БЭ), показанный на рис.1.11.

1. В соответствии с рис. 1.11 на этом графике выбирается рабочая точка B, соответствующая рабочему току базы I _{Б р} рабочему напряжению U _{Б р}.

2. Через эту точку проводится график нагрузочной прямой для входной цепи. Записывается уравнение нагрузочной прямой

, (1.26)

где U _п – напряжение питания, В; U _БЭ – текущее напряжение между базой и эмиттером транзистора; I _Б – ток базы; R _Б - сопротивление нагрузки в цепи базы.

Подставляя в эту формулу значения U _{БЭ р} и I _{Б р} получим:

. (1.27)

Из этого выражения можно рассчитать величину сопротивления нагрузки R _Б в цепи коллектора по формуле:

. (1.28)

Рассмотрим далее методы расчёта обеспечения режимов работы биполярного транзистора, включённого по схеме с ОЭ.

Метод с фиксированным током базы. Схема включения транзистора была представлена выше на рис. 1.9. При построении нагрузочной прямой используется два условия.

1. Транзистор открыт и насыщен, оба перехода открыты. Напряжение U _{КЭ н} транзистора, находящегося в состоянии насыщения, рассчитывается по формуле

, (1.29)

где φ_т ≈0,026 В – тепловой потенциал; β≈100 – коэффициент усиления тока базы; β _I ≈0,05 – коэффициент усиления при инверсном включении транзистора; ≈1,50…3 – степень насыщения транзистора. С учётом объёмного сопротивления коллекторной области транзистора, значение U _{КЭ нас}≈0,1…0,2 В. Значение максимального тока коллектора рассчитывается по формуле

. (1.30)

2. Транзистор закрыт и находится в режиме отсечки. Оба перехода закрыты. В это случае I _Кmin≈0; U _КЭ≈ U _п.

Все возможные рабочие точки транзистора теперь лежат на получившейся нагрузочной прямой. Наклон этой прямой определяется значением сопротивления в цепи коллектора R _К и равен (рис. 1.12). Для обеспечения минимальных нелинейных искажений рабочую точку А выбирают посередине нагрузочной прямой на линейном участке выходной характеристики. Задавшись значениями I _{Б р}, I _{К р}, U _{КЭ р}, U _{БЭ р} по формулам (1.25) и (1.28) рассчитывают значения сопротивлений R _К и R _Б.

Схема с фиксированным током базы несовершенна. Она работает в небольшом диапазоне изменения температур Δ T =10… 20⁰С. Ток базы зависит лишь от U _п и R _Б, то есть он фиксирован.

Он не зависит от параметров транзистора, которые зависят от температуры. При этом изменение рабочего тока коллектора составят 10…20% его величины, то есть Δ I _К≤(0,1…0,2) I _{К р.}

Дата добавления: 2014-01-07