СИГНАЛОВ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ

1. КЛАССИФИКАЦИЯ УСИЛИТЕЛЕЙ

Усилителями называются устройства, в которых сравнительно маломощный входной сигнал управляет передачей значительно большей мощности из источника питания в нагрузку. Все многообразие усилителей разделяют по ряду признаков.

1.По типу применяемого активного элемента выделяют

– усилители на электронных лампах;

– усилители на транзисторах;

– магнитные усилители;

– параметрические усилители;

– молекулярные усилители.

Усилители на электронных лампах в последние годы применяются ограниченно из – за больших габаритов, большой потребляемой мощности, малого срока службы. Магнитные усилители чаще используются в устройствах автоматики, параметрические и молекулярные – в технике СВЧ. Наиболее широкое применение в промышленной электронике нашли транзисторные усилители и усилители на ИМС.

2. В зависимости от полосы усиливаемых частот различают

– усилители постоянного тока (УПТ);

– усилители низкой частоты (УНЧ);

– избирательные усилители.

УПТ усиливают постоянную составляющую сигналов и колебания до некоторой, обычно не очень высокой, верхней частоты (рис. 21.1, а).

УНЧ предназначены для усиления сигналов в диапазоне от f_н до f_в (рис 21.1, б)

Избирательные усилители обеспечивают усиление сигналов со спектром, достаточно узким относительно средней частоты f₀. Для них справедливо условие (рис 21.1, в).

3. По назначению усилители делятся на

– усилители тока;

– усилители напряжения;

– усилители мощности.

Усилители тока предназначены для усиления до заданного значения протекающего через нагрузку тока.

В усилителе напряжения режим работы выбирается так, чтобы напряжение сигнала на его выходе было больше входного. При этом величина мощности сигнала на выходе усилителя не имеет существенного значения.

В усилителе мощности основной задачей является выделение заданной мощности сигнала на полезной нагрузке. При этом выходное напряжение может быть меньше, чем на входе.

4. По виду нагрузки активного усилительного элемента различают

– резистивные усилители;

– трансформаторные;

– резонансные.

5. В зависимости от способа включения усилительного элемента различают схемы:

– с общим эмиттером (истоком);

– с общей базой (затвором);

– с общим коллектором (стоком).

Для полной характеристики усилителя необходимо использование всех признаков. Например, резистивный усилитель низкой частоты на полевом транзисторе по схеме с общим истоком.

2. ПРИНЦИП РАБОТЫ РЕЗИСТИВНОГО УСИЛИТЕЛЯ

ПО СХЕМЕ С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ

Простейший усилительный каскад по схеме с общим эмиттером приведен на рис. 21.2, а. В качестве усилительного элемента в схеме используется биполярный транзистор n – p – n типа. Источник питания Е_к связан с коллектором транзистора через сопротивление нагрузки R_к. Входной сигнал подается на базу транзистора. Его параметры определяют напряжение U_бэ и ток i_б. Выходной сигнал снимается с участка коллектор – эмиттер транзистора и определяется напряжением U_кэ. Для анализа принципа работы каскада построим его передаточную характеристику (рис. 21.2, б).

С увеличением входного сигнала (U_бэ) растет ток базы I_б, а значит, и ток коллектора, причем,

.

Ток коллектора создает падение напряжения на резисторе :

,

а также на дифференциальном сопротивлении участка коллектор-эмиттер транзистора - , причем, всегда

.

Рост тока коллектора означает уменьшение R_кэ, а значит, и U_кэ. При этом на постоянном сопротивлении резистора падение напряжения увеличивается. Так как дифференциальное сопротивление R_кэ вычислять сложно, падение напряжения на участке коллектор-эмиттер транзистора находят как разность

.

Итак, с увеличением тока коллектора I_к увеличивается падение напряжения на резисторе R_к и уменьшается напряжение U_кэ, т.е. выходное напряжение каскада (рис. 21.2, б).

Когда ток коллектора достигает насыщения (т.е. максимального значения), напряжение на участке коллектор-эмиттер транзистора достигает наименьшего значения. Это значение называют напряжением насыщения - U_кэн, причем,

.

Как правило, напряжение U_кэн пренебрежимо мало в сравнении с Е_к, поэтому иногда им пренебрегают, полагая . Дальнейшее увеличение

U_бэ не может вызвать изменений тока транзистора I_к и напряжения U_кэ.

Анализ передаточной характеристики позволяет выделить три характерных участка (они обозначены римскими цифрами). На участке I через транзистор протекает только неуправляемый обратный ток коллекторного перехода. Сопротивление . Практически все напряжение источника Е_к падает на сопротивление R_кэ, т.е. .

На участке II напряжение на коллекторе транзистора можно изменять в пределах , а ток – в пределах . Эти изменения являются результатом регулировки параметров U_бэ, и I_б маломощного источника сигнала. Например, , а . Отношение обозначают К_U и называют коэффициентом усиления по напряжению. В нашем примере К_U=50. Кроме того, увеличение напряжения U_бэ приводит к пропорциональному уменьшению напряжения U_кэ, т.е. знаки приращений входного и выходного сигналов противоположны. Такие усилители называют инвертирующими.

На участке III . Транзистор теряет свойства усилительного элемента.

Передаточная характеристика позволяет рассмотреть различные режимы работы усилительного каскада (классы усиления). При работе в классе «В» напряжение (см. график пунктирной линией на рис. 21.2, б). На выход передается сигнал только одной полярности. При подаче на вход двухполярного сигнала часть информации будет потеряна.

При работе в классе «А» напряжение (см. график сплошной линией на рис. 21.2, б). Здесь U_см – напряжение смещения, постоянная величина, не зависящая от U_вх. Когда U_вх = 0, U_бэ = U_см. Такой режим называют режимом покоя, а токи I_б, I_к и напряжения U_бэ и U_кэ называют токами и напряжениями покоя и обозначают I_бп; I_кп; U_бэп; U_кэп. Напряжение смещения U_см выбирают так, чтобы рабочая точка транзистора Т находилась в середине линейного участка II. В этом случае любое приращение входного напряжения вызовет пропорциональное инверсное приращение выходного напряжения , где К_U – коэффициент усиления каскада по напряжению.

При работе в классе D на вход каскада подается большой сигнал (см. график штрих пунктирной линией на рис. 21.2, б). Передаваемый сигнал ограничивается сверху и снизу. Такой режим широко применяется в импульсной технике.

2.1 Схемы смещения и температурной стабилизации

Чтобы обеспечить усиление каскада в классе А, на базу транзистора необходимо подать напряжение смещения U_см. Это обеспечивают специальные схемы, которые называют схемами смещения. Рассмотрим наиболее часто применяемые схемы.

Схема смещения с фиксацией тока базы (рис. 21.3, а). Фиксация тока базы I_б достигается, когда в цепь базы включается резистор R_б с большим сопротивлением.

Для цепи базы справедливо равенство . Следовательно,

. (21.1)

В (21.1) , и им можно пренебречь. Следовательно, ток покоя базы определяется величиной внешнего сопротивления R_б , не зависит от параметров транзистора и является фиксированной величиной.

Схема смещения с фиксацией напряжения базы приведена на (рис. 21.3, б). Для цепи базы в этой схеме справедливо равенство:

.

Из равенства очевидно, что

, (21.2)

где - ток делителя.

Чтобы напряжение смещения U_бэ не зависело от параметров входной цепи транзистора, ток делителя I_д необходимо выбирать значительно больше тока базы I_б. Обычно . Тогда

(21.3)

и не зависит от тока базы. Большое значение тока делителя приводит к необходимости дополнительных затрат энергии источника питания. Это недостаток схемы. Общим недостатком рассмотренных схем является зависимость режима работы транзистора от температуры окружающей среды (температурные изменения токов базы и коллектора, коэффициента передачи тока базы β).

Для устранения температурной зависимости в цепь смещения можно включить элементы коррекции, сопротивление которых зависит от температуры, например, терморезистор или диод. Значительно чаще применяют схемы стабилизации с отрицательной обратной связью (ООС). Рассмотрим наиболее широко применяемую схему температурной стабилизации с ООС по току в цепи эмиттера (рис. 21.3, в).

В качестве элемента ООС в схеме используется резистор . Сопротивление участка база - эмиттер транзистора R_бэ, резисторы и образуют замкнутый контур. Для этого контура справедлив второй закон Кирхгофа, согласно которому . Отсюда

. (21.4)

Выражение (21.4) раскрывает физику стабилизирующего действия ООС. Так, если под воздействием дестабилизирующего фактора ток базы I_б начнет возрастать, то увеличится и ток эмиттера , а значит, и . Но это приведет к уменьшению напряжения U_бэ настолько, чтобы ток базы принял прежнее значение. Таким образом, ООС всегда препятствует любому изменению тока эмиттера, а значит, и тока базы тем эффективнее, чем больше значение R_э. Но это значит, что ООС будет препятствовать и приращению тока коллектора под воздействием входного сигнала, резко уменьшая коэффициент усиления каскада.

Чтобы не допустить возможного уменьшения коэффициента усиления каскада с ООС, параллельно R_э включают емкость С_э. Значение емкости выбирают из условия на минимальной частоте сигнала. В этом случае переменная составляющая (сигнал) будет замыкаться по С_э, а медленно изменяющиеся составляющие температурной нестабильности - по R_э. Каскад сохраняет высокий коэффициент усиления и стабильность свойств в широком диапазоне температуры окружающей среды.

2.2. Схема замещения и основные показатели каскада с ОЭ.

Усилительные каскады оцениваются по ряду параметров и характеристик. К ним относятся коэффициенты усиления К_U, К_I, К_P; входные и выходные сопротивления; полоса пропускания; АЧХ и ФЧХ; амплитудная характеристика и т.п. Определяются эти параметры и характеристики в процессе анализа схем усилителей. Основными методами анализа являются графоаналитический метод или метод линеаризации схем замещения. Первый из названных методов полезен, когда амплитуда приращений соизмерима с напряжением смещения, второй – когда ∆U<<U₀. Графоаналитический метод анализа основан на использовании ВАХ транзисторов и позволяет получить более точные результаты. Этот метод будет рассмотрен на практических занятиях.

Когда входной сигнал мал (∆U<<U₀), полезен метод линеаризации схем замещения. Оценка параметров выполняется по переменной составляющей. При этом напряжение источника питания, напряжение смещения не учитываются, так как для переменной составляющей внутреннее сопротивление названных источников равно нулю. Их зажимы можно считать замкнутыми накоротко. Для схемы рис. 21.3, в R_Э по переменной составляющей также равно нулю, так как оно зашунтировано емкостью С_Э. Обычно R₁>>R₂, и его влияние можно не учитывать. С учетом оговоренных условий схема замещения усилительного каскада с ОЭ (рис. 21.3, в) приведена на рис. 21.4.

В этой схеме h₁₁=R_бэ; . Значение С_экв определяется емкостью монтажа, емкостью p-n перехода коллектор-база транзистора и емкостью нагрузки. Наличие в схеме реактивных элементов обуславливает зависимость её параметров от частоты. Для количественной оценки такой зависимости введены понятия частотная характеристика и полоса пропускания усилительного каскада.

Частотная характеристика определяет зависимость модуля коэффициента усиления каскада от частоты – АЧХ (рис. 21.5, а) и зависимость от частоты разности фаз реакции и воздействия – ФЧХ (рис. 21.5, б).

Полоса пропускания усилителя - это полоса частот от ω_н до ω_в, в пределах которой модуль коэффициента усиления изменяется в допустимых пределах.

Основные показатели усилительного каскада оцениваются в области средних частот. Для средних частот сопротивлением С_Р и проводимостью С_экв можно пренебречь, т.к. . С учетом этого схема замещения усилителя в области средних частот приходит к виду рис. 21.6.

.

Обычно R_кэ ≈ 10⁴ Ом >> R_к, и его влиянием на значение выходного сопротивления пренебрегаем. Тогда можно записать, что

.

Подставляя вместо , а вместо R_вых – его значение, легко получить выражение для оценки коэффициента усиления каскада по напряжению в области средних частот

, (21.5)

где – коэффициент усиления каскада в режиме холостого хода, – коэффициент потерь сигнала в выходной цепи.

Последнее выражение показывает, что в области средних частот коэффициент усиления каскада по схеме с ОЭ зависит от параметров нагрузки, но не зависит от частоты.

В области верхних частот пренебрегаем сопротивлением С_Р , но сопротивление емкости С_экв необходимо учитывать. Тогда

.

Обозначим произведение R_вых·С_экв =τ_В, причем, . Тогда

(21.6)

Модуль коэффициента усиления определяется выражением:

(21.7)

Очевидно, что с ростом частоты ω модуль коэффициента усиления |К_В(jω)| уменьшается.

В области нижних частот существенное влияние оказывает сопротивление емкости конденсатора C_P. Влиянием С_экв пренебрегают. Выражение для коэффициента усиления принимает вид:

, (21.8)

где

Таким образом, в области нижних частот, с уменьшением частоты коэффициент усиления падает. Сопротивление емкости конденсатора С_Р вместе с R_вых образует делитель напряжения. С уменьшением частоты сопротивление X_Cp увеличивается. Увеличивается и падение напряжения на нем. Напряжение на R_ВЫХ падает.

3. УСИЛИТЕЛЬ ПО СХЕМЕ С ОБЩИМ КОЛЛЕКТОРОМ

Усилитель по схеме с общим коллектором (ОК) (рис. 21.7, а) обладает большим значением R_вх и малым R_вых. Этим он выгодно отличается от каскада с общим эмиттером. Однако коэффициент усиления по напряжению К_U <1, поэтому каскад с ОК нашел применение как буферный. Он включается между маломощным источником сигнала и каскадом с ОЭ либо между каскадом с ОЭ и низкоомной нагрузкой.

В схеме каскада с ОК резистор R_б образует цепь смещения с фиксацией тока покоя базы. Коллектор транзистора подключен к источнику питания Е_к. В эмиттерную цепь введен резистор R_э. Он обеспечивает стабилизацию режима работы транзистора за счет ООС по току. Нагрузка R_H подключается к эмиттерной цепи через разделительный конденсатор С_Р. Последний исключает попадание постоянной составляющей тока эмиттера в нагрузку. При таком включении приращение входного и выходного сигналов совпадают по знаку. Значит, усилитель по схеме с общим коллектором неинвертирующий.

Входная цепь по переменной составляющей включает участок база-эмиттер с сопротивлением R_бэ, резистор R_э и параллельно соединенный с ним резистор R_H. Поэтому

.