Схема усилителя и назначение ее элементов

ВВЕДЕНИЕ

Рисунок 1. Усилительный каскад с ёмкостной связью.

Здесь: R₁ – R₂ – делитель для подачи смещения на транзистор;

R_э – C_э –схема термостабилизации;

С_{р 1,2} – разделительные конденсаторы для разделения режимов отдельных каскадов по постоянному току (т.к. нагрузкой и источником сигнала могут быть такие же каскады ).

R_к – коллекторная нагрузка и служит для выделения полезной мощности.

Кроме того каскад обладает входной емкостью С_вх, емкостью монтажа С_м, емкостью нагрузки С_н и другими паразитными емкостями (которые не указаны на рисунке), входным (R_вх) и выходным сопротивлением R_вх.

Работа усилителя заключается в том, что входной сигнал генератора (Е_г) вызывает изменение потенциала базы относительно U_б покоя (U_б0) по закону входного сигнала, что вызывает изменения тока коллектора по такому же закону, т.е. I_к = f(U_вх). Ток коллектора имеет две составляющие: постоянную i_{к =} и переменную i_{к ~} т.е. I_к = I_{к =} + i_{к ~}. Ток коллектора протекает по R_к создает на нем падение напряжения ΔU_Rк = I_к R_к, а напряжение на коллекторе будет (в соответствии с уравнением нагрузочной характеристикой, изменяться по следующей «зависимости»:

Переменная составляющая тока коллектора i_к через разделительный конденсатор (С_р) поступает на вход следующего каскада и протекает через его входное сопротивление R_вх создает на нем падение напряжения, что является источником сигнала (Е_г) для второго каскада. Усилительный каскад ОЭ является инвертирующим каскадом.

Основной проблемой, с которой приходится сталкиваться при проектировании усилителей переменного тока RC–связями, является проблема правильного выбора элементов межкаскадной связи. Именно эти элементы в большей степени определяют полосу пропускания усилителя. Поэтому основным критерием выбора элементов межкаскадной связи является уровень вносимых частотных искажений. Задача расчета – обеспечить уровень вносимых искажений не больше заданного, т.е. обеспечить требуемую полосу пропускания усилителя.

Схема усилителя и назначение ее элементов

Рисунок 2.

Усилитель представляет собой многокаскадное устройство, состоящее из ряда последовательно соединенных простейших каскадов. Схема одного из усилительных каскадов выполненного на биполярном транзисторе с RC связями приведена на рис. 2. Такой усилитель обычно предназначен для предварительного усиления непрерывных или импульсных сигналов по напряжению, а резистивно-емкостная (RC) связь между усилителем и источником сигнала и нагрузкой является наиболее распространенной.

Основными элементами каскада являются: источник питания (E_К), биполярный транзистор n-p-n типа (VT1) и резистор коллекторной цепи R_К. Эти элементы образуют главную усилительную цепь, в которой за счет протекания управляемого током базы I_б коллекторного тока I_к = B^.I_б, на коллекторе транзистора создается усиленное переменное напряжение U_кэ=E_к-I_кR_к, которое, далее, через разделительный конденсатор C_р2 передается на нагрузочное сопротивление R_н. Резисторы R₁, R₂, R_э играют вспомогательную роль - обеспечивают необходимый режим транзистора по постоянному току (режим покоя или рабочую точку транзистора). Кроме того, за счет включения в эмиттерную цепь резистора R_э, в схеме возникает отрицательная обратная связь по постоянному и переменному току. Она осуществляет температурную стабилизацию рабочей точки транзистора.

Полярность напряжения источника питания E_к положительна. Это обеспечивает для транзистора n-p-n типа смещение коллекторного перехода в обратном, а эмиттерного перехода в прямом направлении, т.е. активный (усилительный) режим работы транзистора. Конденсаторы C_p1 и C_p2 называются разделительными. Они обеспечивают изоляцию (разделение) источника сигнала и нагрузки от каскада по постоянному току и соединение (связь) их по переменной составляющей между собой. Для устранения отрицательной обратной связи по переменной составляющей, которая возникает из-за эмиттерного резистора R_э его шунтируют конденсатором C_э, сопротивление X_cэ которого на низшей частоте усиливаемого сигнала должно быть на порядок меньше R_э (R_э>>X_cэ). Это ослабляет (устраняет) отрицательную обратную связь в каскаде по переменному току и устраняет влияние R_э на коэффициент усиления по переменной составляющей. Кроме перечисленных элементов принципиальной схемы, при усилении импульсных или высокочастотных сигналов, необходимо учитывать паразитную емкость C_о = C_кэ+C_м+С_{сл.каскада}, состоящую из 3-х составляющих : C_кэ – емкость коллектор-эмиттер транзистора; С_м – емкость монтажа; С_{сл.каскада} – емкость следующего каскада, или прибора подключаемого в усилителю, например, осциллографа, которая включена параллельно нагрузке.

Идеальный усилитель должен увеличивать входной сигнал в заданное число раз (K_u) без изменения формы сигнала. В реальных усилителях этого не происходит. Всегда есть отличия, которые и составляют искажения создаваемые усилителем. Искажения бывают двух видов: линейные и нелинейные.

Рисунок 3.

Анализ и расчет параметров усилительного каскада в режиме усиления малых сигналов целесообразно проводить, представив его эквивалентной схемой (рис.3) по переменному току в которой транзистор изображается схемой замещения в системе h - параметров: h₁₁, 1/h₂₂ - входное и выходное сопротивление транзистора, h₂₁=b – коэффициент передачи тока базы. Эквивалентная схема получается из принципиальной, если считать, что по переменному сигналу внутреннее сопротивление источника питания Е_к и сопротивление эмиттерной цепи равны нулю (X_Сф=1/w С_Ф ® 0, Xс_э=1/w C_э® 0), что всегда выполняется при правильном выборе С_э и С_ф в рабочем диапазоне частот.

Усилитель с RC - связью в режиме усиления непрерывных сигналов

При усилении непрерывных сигналов характеристики усилителя рассматривают в предположении, что входной сигнал - гармонический. Одной из основных характеристик усилителя, характеризующей его способность усиливать различные гармонические составляющие является комплексный коэффициент усиления K(jw). Он представляет собой зависимость от частоты отношения комплексных амплитуд выходного ( ) и входного ( ) напряжений

К_(jw) = / = К(w)e^{jj( w)} ,

где K(w) = | K(jw)|-модуль комплексной функции или амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) коэффициента усиления - зависимость отношения амплитуд выходного и входного сигналов ( U_mвых/U_{m вх} ) от частотыj_(w)– фазово-частотная характеристика (ФЧХ) – зависимость фазового сдвига между выходным и входным сигналами от частоты (j_(w)=j_вых – j _вх ).

Рисунок 4-5.

На рис.4-5 приведены АЧХ и ФЧХ для идеального и реального усилителя. Для идеального усилителя АЧХ не зависит от частоты (K_{( w)} = ). Для реального усилителя АЧХ (K_(w)) непостоянна, т.е., зависит от частоты. Уменьшение коэффициента усиления в области НЧ и ВЧ представляют собой линейные частотные искажения, создаваемые усилителем. Они оцениваются коэффициентом частотных искажений М= / K_(wгр).

Весь диапазон частот разбивают на 3 участка: область средних частот, где коэффициент усиления K_u = практически не зависит от частоты - это область рабочих частот, областьнизких частот¦ < ¦_{н гр}, где K_u £ / и область высоких частот ¦> ¦_{в гр}, где K_u < / . Частоты ¦_н.гр и ¦_в.гр, являющиеся границами рабочего диапазона, называют граничными частотами в области нижних (¦_{н гр}) и области верхних (¦_в.гр) частот.

Под усилителем постоянного тока (УПТ) понимают усилитель, который наряду с сигналами переменного тока усиливает сигналы постоянного тока

Способы построения усилителей постоянного тока.

Основная проблема, с которой сталкиваются разработчики УПТ, является дрейф нуля. Дрейфом нуля (нулевого уровня) называется самопроизвольное отклонение напряжения или тока на выходе УПТ от начального значения. Поскольку дрейф нуля наблюдается и при отсутствии сигнала на входе на входе УПТ, то его невозможно отличить от истинного сигнала.

К физическим причинам, вызывающим дрейф нуля в УПТ, относятся:

- нестабильность источников питания;

-временная нестабильность ("старение") параметров транзисторов и резисторов;

- температурная нестабильность параметров транзисторов и резисторов;

- низкочастотные шумы;

- помехи и наводки.

Наибольшую нестабильность вносит температурный фактор. Положение усугубляется наличием гальванической связи между каскадами, хорошо передающей медленные изменения сигнала, что приводит к эффекту каскадирования температурных нестабильностей каскадов от входа к выходу.

Другой специфической проблемой, решаемой в УПТ, в отличие от усилителей переменного тока, является необходимость согласования потенциальных уровней выходного зажима одного каскада и входного зажима следующего. В усилителях переменного тока разделительные конденсаторы и трансформаторы не пропускают постоянную составляющую тока и напряжения с предыдущего каскада на вход следующего, а в УПТ прямого усиления она проходит и может существенно изменить нежелательным образом режим по постоянному току следующего каскада. Например, может произойти насыщение транзистора в этом каскаде. Обычно потенциал выхода каскада оказывается больше, чем требуется для нормальной работы следующего каскада, и необходимо его снижать.

Контрольные вопросы: