Краткие сведения из теории. Схемы усилительных каскадов характеризуются большим разнообразием

Схемы усилительных каскадов характеризуются большим разнообразием. Вместе с тем принцип построения главных цепей усилительных каскадов один и тот же, он показан на примере структурной схемы на рисунке 4.1, а.

Рисунок 4.1 - Принцип построения (а) и временные диаграммы (б) усилитель­ного каскада

Основными элементами каскада являются управляемый элемент УЭ, функцию которого выполняет биполярный (полевой) транзистор и резистор R. Совместно с напряжением питания Е эти элементы образуют выходную цепь каскада. Усиливаемый сигнал U_ВХ , принятый на рисунке 4.1 а) для простоты синусоидальным, подается на вход УЭ. Выходной сигнал U_ВЫХснимается с вы­хода УЭ или с резистора R. Он создается в результате изменения сопротивления УЭ и, следовательно, тока i в выходной цепи под воздействием, входного на­пряжения. Процесс усиления основывается на преобразовании энергии источ­ника постоянного напряжения Е в энергию переменного напряжения в выход­ной цепи за счет изменения сопротивления управляемого элемента по закону, задаваемому входным сигналом. Ввиду использования для питания источника постоянного напряжения Е ток i в выходной цепи каскада является однонаправленным (рисунок 4.1 а). При этом переменный ток и напряжение выходной цепи (пропорциональные току и напряжению

входного сигнала) следует рассматривать как переменные состав­ляющие суммарных тока и напряжения, накладывающиеся на их постоянные составляющие I_П и U_П и (рисунок 4.1 б).

Связь между постоянными и перемен­ными составляющими должна быть такой, чтобы амплитудные значения пере­менных составляющих не превышали постоянных составляющих, т. е. I_П ≥ I_m и U_П ≥ U_m. Если эти условия не будут выполняться, ток i в выходной цепи на от­дельных интервалах будет равен нулю, что приведет к искажению формы вы­ходного сигнала. Таким образом, для обеспечения работы усилительного кас­када при переменном входном сигнале в его выходной цепи должны быть соз­даны постоянные составляющие тока I_П и напряжения U_П. Задачу решают пу­тем подачи во входную цепь каскада помимо усиливаемого сигнала соответст­вующего постоянного напряжения U_ВХП (или задания соответствующего посто­янного входного тока I_ВХП).Постоянные составляющие тока и напряжения оп­ределяют так называемый режим покоя усилительного каскада. Параметры ре­жима покоя по входной цепи (I_ВХП, U_ВХП) и по выходной цепи (I_П, U_П) характе­ризуют электрическое состояние схемы в отсутствие входного сигнала.

Показатели усилительных каскадов зависят от способа включения тран­зистора, выполняющего роль управляемого элемента. Анализ усилительных каскадов на биполярных транзисторах проводится для трех способов включе­ния: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ).

Рисунок 4.2 - Схема усилительного каскада ОЭ

Усилительный каскад с общим эмиттером. Схема усилителя с общим эмиттером представлена рисунке 4.2

Коэффициент усиления по напряжению усилителя с ОЭ приближенно равен отношению сопротивления в цепи коллектора r_К сопротивлению в цепи эмиттера r_Э:

K_U=r_K/ r_Э

где r_К - сопротивление в цепи коллектора, которое оп­ределяется параллельным соединением сопротивления коллектора Rk и сопро­тивления нагрузки R_H.

r_К = Rk * Rh /(Rk+Rh)

r_Э - дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода, равное 25мВ/I_Э. Для усилителя с сопротивлением R_Э в цепи эмиттера коэффициент усиления равен:

К_U=r_К / (r_Э +R_Э)

Входное сопротивление усилителя по переменному току определяется как отношение амплитуд синусоидального входного напряжения U_BX и входно­го тока I_ВХ

r_ВХ= U_ВХ / I_ВХ

Входное сопротивление транзистора ri определяется по формуле:

ri = βr_Э

Входное сопротивление усилителя по переменному току r_вх вычисляется как параллельное соединение сопротивлений ri, R1 и R2:

1/r_вх = 1/R1+1/R2+1/ri

Значение дифференциального выходного сопротивления схемы находит­ся по напряжению Uxx холостого хода на выходе усилителя, которое может быть измерено как падение напряжения на сопротивлении нагрузки, превы­шающем 200 кОм, и по напряжению Uвых, измеренному для данного сопро­тивления нагрузки R_H, из следующего уравнения, решаемого относительно r_ВЫХ :

U_ВХ / Uxx = Rh /( Rh + r_ВЫХ)

Сопротивление R_H 200 кОм можно считать разрывом в цепи нагрузки.

Усилительный каскад с общим коллектором.

Схема усилителя с общим коллектором или эмиттерного повторителя представлена на рисунке 4.3.

Рисунок 4.3 - Схема усилительного каскада ОК

Коэффициент усиления по напряжению усилителя с ОК определяется из следующего выражения:

K_U=r_Э/ (r_Э+R_Э)

Как видно из выражения, коэффициент усиления каскада с общим кол­лектором приближенно равен единице, поскольку Rэ обычно мало по сравне­нию с сопротивлением r_Э. Из-за этого свойства каскад ОК называют эмиттерным повторителем. Входное сопротивление усилителя r_ВХ по переменному то­ку определяется как отношение амплитуд синусоидального входного напряже­ния U_BX и входного тока I_ВХ :

r_ВХ = u_BX / i_BХ

Входное сопротивление эмиттерного повторителя по переменному току определяется следующим выражением: riэ = β / (r_Э + R_Э). В данном случае для определения входного сопротивления каскада нужно принять во внимание со­противление резисторов R1 и R2. С учетом сказанного получим:

1/ R_вх= 1/R1+1/R2+1/ri

При расчете схем необходимо учитывать сопротивление нагрузки, вклю­чаемой параллельно сопротивлению эмиттера Rэ. Из выражений для входного сопротивления видно, что эмиттерный повторитель обладает высоким вход­ным сопротивлением по сравнению с каскадом с ОЭ. В общем случае выход­ное сопротивление эмиттерного повторителя β_AC+1 раз меньше сопротивле­ния Rист источника сигнала на входе эмиттерного повторителя:

r_вых = Rист /( β_AC +1)+ r_Э

Если сопротивление Rист источника сигнала на входе эмиттерного по­вторителя пренебрежимо мало, то выходное сопротивление эмиттерного по­вторителя будет равно дифференциальному сопротивлению перехода база-эмиттер:

r_ВЫХ = r_Э

В случае, когда сопротивление Rист на входе очень велико (сравнимо с β_ACR_Э), сопротивление Rэ должно быть учтено как включенное параллельно найденному выходному сопротивлению эмиттерного повторителя.

Экспериментально выходное сопротивление каскада можно определить по результатам двух измерений: измерения напряжения холостого хода Uxx (на выход каскада подключается сопротивление порядка 200 кОм и измеряется па­дение напряжения на нем) и измерения выходного напряжения Uвых при на­личии нагрузки сопротивлением Rh. После измерений выходное сопротивле­ние можно подсчитать по формуле:

r _ВЫХ = Rh /( Uxx - Uвых)/ Uвых

Благодаря высокому входному и низкому выходному сопротивлениям каскад с общим коллектором очень часто

используют в качестве согласующего между источником и нагрузкой.