Принципиальные и эквивалентные схемы каскадов, формирование частотных и переходных характеристик.

Амплитудная характеристика отражает зависимость амплитудного значения первой гармоники выходного напряжения от амплитуды синусоидального входного напряжения: УВЫХ = f(UBX), (рис. 10.6). Амплитудная характеристика не проходит через начало координат ввиду наличия на выходе напряжения собственных помех и шумов усилителя. Участок характеристики ниже точки А не используется, ибо полезный сигнал трудно отличить от напряжения собственных помех и шумов. На участке АВ коэффициент усиления — величина постоянная, и этим участком определяется динамический диапазон усилителя. Кроме того, с его помощью можно определить коэффициент усиления по напряжению. Выше точки В линейность зависимости выходного напряжения от входного сигнала нарушается, в выходном напряжении появляются дополнительные частотные составляющие, возникают нелинейные искажения. Причиной является ограничение максимального напряжения одной или обеих полуволн выходного сигнала. Эти ограничения обычно наступают в оконечных каскадах усилителя, работающих при наибольшем входном сигнале.

Амплитудная характеристика обладает хорошей наглядностью и позволяет определить коэффициент усиления, динамический диапазон, минимальные и максимальные допустимые значения входного сигнала, уровень собственных шумов.

Переходная характеристика выражает зависимость от времени выходного напряжения усилителя, на вход которого подан мгновенный скачок напряжения. Эта характеристика определяет процесс перехода усилителя из одного состояния в другое. Скачкообразное изменение входного напряжения позволяет выяснить реакцию усилителя на это воздействие сразу в двух режимах: переходном и стационарном. Характер переходного процесса в усилителе во многом зависит от наличия реактивных элементов L, С, которые препятствуют мгновенному изменению тока в индуктивности и напряжения на емкости. Напряжение на выходе не может измениться скачкообразно при подаче на вход импульса.

Время, в течение которого фронт нормированной переходной характеристики нарастает от уровня 0,1 до уровня 0,9 выходного напряжения, называется временем нарастания fHap. Превышение мгновенного значения напряжения над установившимся называют выбросом и выражают в процентах. Неравномерность вершины нормированной переходной характеристики обозначается через Д, измеряется, как и выброс, в процентах от стационарного значения и не должна превышать 10% для усилителей высококачественного воспроизведения.

Усилительный каскад на биполярном транзисторе, вклю­ченном по схеме с общей базой, может использовать один или два источника питания. Рассмотрим каскад с ОБ с одним источником питания, принципиальная схема которого приведена на рис.. В этом каскаде для создания оптимального тока ба­зы в режиме покоя I_kб0, обеспечивающего работу усилительного Каскада на линейном участке входной характеристики, служат резисторы Riи Конденсатор С_б имеет в полосе пропускания усилителя сопротивление значительно меньше R_z,и падение на­пряжения на нем от переменной составляющей тока мало, поэто­му можно считать, что по переменной составляющей тока база соединена с общей точкой усилительного каскада. Входное на­пряжение подается между эмиттером и базой через разделитель­ный конденсатор С_p1 . Выходное напряжение снимается между

коллектором и базой через разделительный конденсатор С_р2 ., РезисторR_э служит для прохождения постоянной составляющей тока _vэмиттера и для того, чтобы R_эне шунтировало входное сопротив­ление каскада, оно на два-три порядка выше этого сопротивления.При подаче на вход рассматриваемого каска­да положительной полу­волны входного сигнала ток и эмиттера, и кол­лектора будет умень­шаться. Это приводит кт увеличению напряже­ния Е_Кб, что вызывает формирование положи­тельной полуволны вы­ходного напряжения Е_Вых- Полярности вход­ного и выходного на­пряжений совпадают, схема не инвертирует входной сигнал.

Анализ работы уси­лительного каскада с общей базой по вход­ным и выходным харак­теристикам проводится аналогично анализу ра­боты каскада с ОЭ. Вы­ходные характеристики транзистора в схеме с ОБ более линейны, чем в схеме с ОЭ, поэтому нелинейные искажения в этом случае меньше.

Расчет параметров усилительного каскада с ОБ по перемен­ному сигналу в области средних частот проводится по эквива­лентной схеме, представленной на рис. 10.26, б. На ней не пока­заны разделительные конденсаторы С_р1 , С_р2 и конденсатор С_б,с помощью которого заземляется база транзистора по переменно­му току, так как их номиналы выбраны такими, что емкостные сопротивления даже в области низких частот невелики и при анализе их можно не учитывать.

Входное сопротивление каскада определяется как парал­лельное соединение Rги входного сопротивления транзистора:

Согласно выражению входное сопротивление каска­да определяется преимущественно сопротивлением эмиттерной области транзистора r_э и составляет 10...50 Ом. Малое входное сопротивление каскада является существенным недостатком. Каскад сОБ создает большую нагрузку для источника входного сигнала.

Выходное сопротивление каскада с ОБ определяется, как и у каскада с ОЭ, сопротивлением резистора R_к.

		рис 3
		рис 2
	рис 1

Рисунок 1 – каскад с ОЭ. Рисунок 2 –каскад с ОБ.[(б)-эквивалентная схема]

Рисунок 3 – каскад с ОК.

13.Схемотехника усилительных каскадов на полевых транзисторах: основные свойства и параметры; цепи питания и методы обеспечения стабильности режимов эксплуатационных условиях.

Усилительные каскады на полевых транзисторах управляются напряжением, которое прикладывается к запертому р-п переходу (транзисторы с управляющим р-п переходом) или к затвору (МДП-транзисторы). За счет того, что ток затвора полевых транзисторов очень мал (10~8 А для транзисторов с управляющим р-п переходом, а для МДП-транзисторов еще на несколько порядков меньше), их входное сопротивление на низких частотах лежит в диапазоне 109...1013 Ом.

Полевые транзисторы имеют три схемы включения: с общим истоком (ОИ); общим стоком (ОС); общим затвором (03). Каскад с 03 обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем используется очень редко.

Для получения максимального коэффициента усиления в диапазоне средних частот необходимо обеспечить работу каскада на высокоомную нагрузку и включить в цепи стока резистор Rc с большим сопротивлением.

С общим стоком:

Коэффициент усиления каскада с общим стоком:

Полученное выражение для коэффициента усиления справедливо только для нулевой частоты. Но так как сопротивление конденсатора стремится к бесконечности, то все выходное напряжение падает на нем, а на нагрузке полезный сигнал отсутствует.

Коэффициента усиления каскада на переменном токе:

( ) Из уравнения видно, что коэффициент усиления — величина комплексная. Его модуль зависит от частоты сигнала.

Для повышения коэффициента усиления каскада, обеспечения постоянного его значения и передачи всего напряжения в нагрузку емкость конденсаторов выбирают из условия (в полосе рабочих частот). Тогда коэффициент усиления:

Оценка коэффициента усиления всего каскада:

С истоковым повторителем:

Коэффициент усиления каскада

(4.106)

На переменном токе:

Из (4.107) видно, что коэффициент усиления по напряжению всегда меньше единицы и приближается к ней при |(1+M)Z_и|>>R_{cи диф}. При выполнении этого неравенства коэффициент усиления мало зависит от параметров транзистора и параметров цепи. Следовательно, выходной сигнал по амплитуде и фазе почти повторяет входной.

Рис. 4.21. Схема истокового повторителя

Рис. 4.20. Усилительный каскад с общим истоком: принципиальная (а) и эквивалентная (б) схемы