Усилители переменного тока с емкостной связью

 

Для усиления сигналов переменного тока в схемах автоматики используются усилительные каскады с реактивными разделительными элементами - конденсаторами или трансформаторами. Поскольку питание осуществляется от источников постоянного тока, переменные токи и напряжения входных и выходных сигналов следует рассматривать как переменные составляющие суммарных токов и напряжений, накладывающиеся на постоянные составляющие. При этом амплитудные значения переменных составляющих не должны превышать определенных значений. Иначе возникнут искажения формы сигналов.

Основное распространение в качестве каскадов усиления напряжения получили каскады, в которых транзистор включен по схеме с общим эмиттером. Полярность коллекторного источника питания определяется типом транзистора. На схеме Рис. 52 использован транзистор р-n-pтипа. Главной коллектиорной цепью, определяющей величину выходного напряжения, является цепь Ek - Rk - T - Rэ.

Для этой цепи можно записать:

Ek = Uk + Ik Rk + Iэ Rэ (7.1)

 

Рис.52. Схема усилительного каскада с общим эмиттером
Остальные элементы образуют вспомогательные цепи. Конденсаторы Ср1, Ср2, Ср3 обеспечивают выделение переменной составляющей сигналов в соответствующих цепях. Ср1 , кроме того, исключает протекание тока от источника Екчерез источник входного сигнала и обеспечивает независимость напряжения Uб в режиме покоя от внутреннего сопротивления источника входного сигнала.

Резисторы R1и R2 используются для задания точки покоя, т.е. такого тока базы, при котором входной сигнал будет проходить через каскад без искажения формы. R1создает необходимый ток базы покоя Iбп , а R1иR2 совместно определяют величину Uбп .

Резистор Rэявляется элементом отрицательной обратной связи, предназначенным для температурной стабилизации режима покоя. Необходимость в этом возникает из-за тепловой зависимости Iко и b. Изменение Iкп вследствие изменения Iко при колебаниях температуры вызовет изменение тока Iэп, что приведет к изменению Uбэп

Uбэп = Uбп - Iэп Rэ .

 

Uбэп при этом уменьшается, что приводит к уменьшению Iбп и Iкп соответственно. Сопротивление Rэдостаточно мало и в некоторых случаях не ставится.

Принцип действия каскада можно пояснить с помощью вольт-амперных характеристик. Проведем анализ каскада по постоянному току. На семействе коллекторных характеристик проводится прямая, соответствующая уравнению:

 

Uк = Eк - Iк ( Rк + Rэ ) (7.2)

Предполагаем, что Iк = Iэ. Прямая линия строится по двум точкам: Uк = Eк, Iк = 0; Uк = 0, Iк = Eк / (Rк + Rэ) . Эту линию называют линией нагрузки. Точки ее пересечения с коллекторными характеристиками дают решение уравнения (7 - 1). По этим точкам можно найти Iк , UкиURk .

Рис. 53.

Входная и коллекторные характеристики биполярного транзистора.

 

В качестве входной характеристики принимают усредненную зависимость Iб = f (Uб) (Рис.53,б), которая мало зависит от Uк . Анализ удобно проводить с помощью переходной характеристики Iк = f(Iб), которая строится по точкам пересечения линии нагрузки с коллекторными характеристиками.

Начальную точку или точку покоя при Uвх = 0 , выбирают на середине линейного участка переходной характеристики. Подача переменного входного сигнала приведет к появлению переменной составляющей тока базы, а следовательно и тока коллектора. При этом очевидно, что

Iк макс < (Iкп - Iко) (7.3)

 

В этом случае не будет происходить искажения формы входного сигнала.

При определении переменных составляющих выходного напряжения каскада и коллекторного тока используют линию нагрузки по переменному току. Сопротивление каскада по переменному току равно

 

(7.4)

 

что меньше, чем Rн = Rк + Rэ . Линия нагрузки по переменному току пройдет через найденную точку покоя П. Строится она по отношению напряжений к токам:

 

Rн пер = DUкэ /DIк (7.5)

Линия нагрузки по переменному току характеризует изменение мгновенных значений тока коллектора iк и напряжения на транзисторе uкэ . Траектория рабочей точки перемещается по линии нагрузки переменного тока . Работа без искажений формы сигнала достигается за счет соответствующей величины входного сигнала и правильного выбора точки покоя.

При расчете элементов каскада исходными данными являются Uвых макс , Iн макс, Rн и мощность в нагрузке. Поскольку эти параметры связаны, достаточно знать только два из них, например Uвых и Rн . Максимальный ток коллектора определяется по соотношению

 

(7.6)

Для получения высокого коэффициента b принимают Rк = (3 - 5 )Rн . По выбранному Iкп находят Iбп:

 

(7.7)

 

По входной характеристике транзистора определяют Uбэп .

Ток эмиттера примерно равен Iкп . Напряжение коллекторного питания

 

Eк = Uкэп + Iкп Rк + Uэп (7.8)

 

где Uэп = Iэ Rэ = Iкп Rэ

Eк не должно превышать предельное напряжение транзистора. Принимают Uэп = (0,1 – 0,3)Eк . Тогда

Rэ = Uэп/Iкп. Eк = (Uкэп + Iкп Rк ) /(0,7 – 0,9).

Иногда сопротивление Rэ не ставят.

При расчете элементов делителя R1 и R2 исходят из того, что он не должен оказывать шунтирующее действие на входную цепь (а это случилось бы, если принять R1 и R2 малыми).

Общее сопротивление параллельно соединенных R1иR2принимают равным (2 – 5) rвх = (2 –5) DUбэ /D Iб . Тогда

 

; ; (7.9)

где Iд = (2 – 5) Iбп - ток делителя.

Транзистор выбирается по Eк , Iк макс , Рмакс и частотным свойствам.

Коэффициенты усиления каскада, входное и выходное сопротивления его определяются при расчете по переменному току. При этом пользуются схемой замещения каскада (Рис. 54).

Сопротивление источника питания принимается равным нулю (именно поэтому в предыдущем расчете R1 и R2принимались параллельно соединенными). Входной сигнал – синусоидальный. Токи и напряжения характеризуются действующими значениями ( ). При этом входное сопротивление

 

(7.10)

гдеrвх = rб + (1 + b ) rэ.Исходя из реальных значенийrб, b и rэ,принимают

Rвх = (1 - 3) КОм.Коэффициент усиления по току равен

 

(7.10)

Рис. 54. Схема замещения усилительного каскада.

 

Коэффициент усиления по напряжению равен:

 

(7.12)

Ku = (20 – 100)

Следует учесть, что каскад ОЭ осуществляет поворот фазы выходного сигнала на 180о по отношению к входному.

Коэффициент усиления по мощности равен

Kр = Pвых / Pвх = Ku Ki = (0,2 – 5) 103

 

Выходное сопротивление равно:

 

(7.13)

 

Параметры схемы могут быть также определены с помощью h – параметров. Коэффициент усиления по напряжению можно рассчитать, используя схему замещения (Рис.55) и принимая Rб >> h11, Iвх » Iб, Rн >> Rк. Тогда получим:

 

(7.14)

Отсюда

(7.15)

С учетом реальных величин h22 = 10-5 – 10-6 Ом, Rk = 103 – 104 Ом, h22Rk << 1. Поэтому Ku » - h21 Rk / h11,где h11 – входное сопротивление транзистора h 21 – коэффициент передачи тока.

Входное и выходное сопротивления каскада равны:

;

Рис. 55. Схема замещения транзистора в h-параметрах

 

Порядок входного сопротивления – от сотен Ом до нескольких килоОём. Выходное сопротивление обычно больше входного, что предполагает использование высокоомной нагрузки.

В многокаскадных усилителях с конденсаторной связью нагрузкой промежуточного каскада является входная цепь последующего каскада. Число каскадов определяется по требуемому коэффициенту усиления. Рассчитывают каскады начиная с оконечного к первому, исходя из требуемых напряжения, тока и мощности на нагрузке.

Наличие в схеме усилителя конденсаторов и зависимость параметров транзисторов от частоты, приводят к необходимости учета полосы пропускания частот усилителя. Амплитудно-частотная характеристика этого усилителя имеет достаточно широкий частотный диапазон. При этом следует учитывать, что в схемах автоматики усилитель работает как правило при фиксированной частоте, отчего коэффициент усиления остается практически постоянным. В то же время, наличие емкостей может привести к фазовым искажениям, которые определяются фазо-частотными характеристиками усилителя. Фазовый сдвиг, создаваемый каскадом, может быть определен как j = - arc tg wtв, где w - рабочая частота, tв = tb + tкэквивалентная постоянная времени; tb = 1/(2pfb) –примерно равна времени жизни носителей заряда в базе; fb -граничнаячастота;

 

(7.17)

 

Каскад по схеме ОК. В качестве каскада усиления тока находит применение схема с общим коллектором. Его работу можно проанализировать аналогично тому, как это было рассмотрено для схемы ОЭ.

Можно считать, что по переменному току входное напряжение подается между базой и коллектором, а выходное снимается с Rэ. Точка покоя

Рис.56. Схема усилительного каскада с общим коллектором
выбирается так же, как и для схемы ОЭ. Параметры схемы можно определить по схеме замещения или через h-параметры. При использовании второго подхода получим:

 

 

, (7.18)

 

где h11- входное сопротивление транзистора; h21 = b , h22 - выходная проводимость транзистора. Очевидно, что Uвых < Uвх . Коэффициент усиления по напряжению равен:

 

(7.19)

 

С учетом реальных величин параметров Ku »1. Схема с ОК не дает усиления по напряжению и не меняет фазу входного сигнала. Входное сопротивление каскада

 

(7.20)

 

Это сопротивление составляет сотни кОм, больше, чем в схеме с ОЭ. Выходное сопротивление Rвых » h11/(1 + h21) имеет величину нескольких десятков Ом. Коэффициент усиления по току равен примерно Ki » (1 + b).

Для получения больших значений входных сопротивлений используется схема составного транзистора.

Рассмотренная схема называется эмиттерным повторителем и используется в качестве выходного согласующего каскада, позволяющего подключать низкоомную нагрузку.

 

 








Дата добавления: 2015-03-23; просмотров: 602;


Поиск по сайту:

При помощи поиска вы сможете найти нужную вам информацию.

Поделитесь с друзьями:

Если вам перенёс пользу информационный материал, или помог в учебе – поделитесь этим сайтом с друзьями и знакомыми.
helpiks.org - Хелпикс.Орг - 2014-2024 год. Материал сайта представляется для ознакомительного и учебного использования. | Поддержка
Генерация страницы за: 0.032 сек.