- •Оглавление
- •Введение
- •Введение
- •1. Математическое описание усилителей
- •1.1. Общие сведения
- •1.2. Математическое описание усилительных устройств
- •1.2.1. Передаточные функции усилительных устройств
- •1.2.2. Представление передаточной функции элементарными звеньями
- •1.2.3. Частотные характеристики усилительных устройств
- •1.2.4. Обратные связи. Понятие устойчивости
- •1.2.5. Влияние цепи обратной связи на основные характеристики усилительного устройства
- •2. Усилительные каскады на транзисторах
- •2.1. Принцип работы усилителя
- •2.1.1. Усилитель оэ с фиксированным током базы
- •2.1.2. Усилитель ок (эмиттерный повторитель)
- •2.1.3. Усилитель об
- •2.1.4. Понятие о классах усиления усилительных каскадов
- •2.2. Методы стабилизации рабочей точки
- •2.2.1. Каскад с последовательной отрицательной обратной связью по току нагрузки
- •2.2.2. Формирование частотной характеристики каскадов с цепями оос
- •2.3. Усилительные каскады переменного тока на полевых транзисторах
- •2.3.1. Общие положения
- •2.3.2. Усилительный каскад по схеме с общим истоком
- •2.3.3. Истоковый повторитель
- •2.3.4. Усилитель ок (эмиттерный повторитель)
- •2.3.5. Основные параметры каскада усилителя на полевом транзисторе
- •3. Каскады предварительного усиления
- •3.1. Условия работы каскадов предварительного усиления
- •3.1.1. Требования к каскадам и режим работы
- •3.1.2. Определение частотной, фазовой и переходной характеристик
- •3.1.3. Резисторный каскад
- •3.1.4. Характеристики и расчетные формулы резисторного каскада.
- •3.1.5. Расчетные формулы каскада в области средних частот
- •3.1.6. Расчет транзисторного резисторного каскада
- •3.2. Выходные каскады
- •3.2.1. Условия расчета каскадов мощного усиления
- •3.2.2. Расчет однотактного транзисторного каскада мощного усиления в режиме а
- •3.2.3. Расчет двухтактного транзисторного каскада мощного усиления в режиме в
- •3.2.4. Бестрансформаторные двухтактные каскады мощного усиления
- •3.2.5. Расчет бестрансформаторных двухтактных каскадов
- •3.3. Широкополосные каскады и каскады специального назначения
- •3.3.1. Особенности широкополосных усилителей
- •3.3.2. Схемы коррекции без обратной связи. Низкочастотная коррекция
- •Высокочастотная коррекция
- •3.3.3. Схемы коррекции с обратной связью
- •Высокочастотная коррекция
- •4.1.2. Усилители постоянного тока, с непосредственной связью
- •4.1.3. Дрейф нуля и способы его уменьшения
- •4 .1.4. Балансные и дифференциальные каскады
- •4.1.5. Операционный усилитель
- •4.1.6. Идеальный операционный усилитель
- •4.1.7. Простейший неинвертирующий усилитель на оу
- •4.2. Преобразователи аналоговых сигналов на операционных усилителях
- •4.2.1. Инвертирующий усилитель на оу
- •4.2.2. Неинвертирующий усилитель на оу
- •4.2.3. Повторитель на операционном усилителе
- •4.2.4. Дифференциатор и интегратор на основе оу
- •4.2.5. Дифференциа́льный усили́тель
- •4.2.6. Суммирующие схемы. Инвертирующий сумматор
- •4.2.7. Неинвертирующий сумматор
- •4.2.8. Интегратор
- •4.2.9. Дифференциатор
- •4.2.8. Активные фильтры
- •Заключение
- •Библиографический список
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
2.2.1. Каскад с последовательной отрицательной обратной связью по току нагрузки
Типовая схема транзисторного каскада с общим эмиттером, охваченного последовательной отрицательной обратной связью (ООС) по току нагрузки, приведена на рис. 2.2.2.
Рис. 2.2.2. Транзисторный каскад с цепью последовательной ООС по току нагрузки.
Эта связь образуется за счет введения в эмиттерную цепь транзистора VТ резистора Rэ. Ток эмиттера, протекая по резистору R э, создает на нем напряжения Uоос = iэRэ. Эго напряжение алгебраически складывается с входным напряжением ивх, присутствующем на резисторе делителя Rб2. Сумма напряжений прикладывается к эмиттерному переходу транзистора и, по сути, является входным напряжением каскада. Входное напряжение и напряжение обратной связи направлены встречно, поэтому обратная связь отрицательна.
Введение резистора Rэ снижает общий коэффициент усиления каскада, повышает его входное и выходное сопротивления, расширяет полосу усиливаемых частот и снижает линейные и нелинейные искажения. Следует отметить, что в реальных усилительных каскадах повышение входного сопротивления несколько компенсирует снижение его общего коэффициента усиления за счет увеличения коэффициента передачи входного делителя.
Коэффициент усиления каскада (рис. 2.3.5), охваченного цепью ООС, равен:
(2.2.1)
Для рассматриваемой схемы bос может быть определен следующим образом:
(2.2.2)
Обычно из-за большого значения bос можно с достаточной точностью полагать, что . Тогда выражение для коэффициента передачи цепи ООС примет вид
(2.2.3)
Подставляя bос в выражение для коэффициента передачи усилителя с ООС, непосредственно для транзисторного каскада получим:
(2.2.4)
Входное сопротивление каскада:
(2.2.5)
Из (2.2.5) следует, что выражение (2.2.4) аналогично исходному выражению коэффициента усиления каскада. Тогда можно записать выражения для коэффициента усиления всего каскада
(2.2.6)
где Rб - эквивалентное сопротивление делителя на резисторах Rб1,Rб2 , приведенного к схеме на рис. 2.2.2. Выходное сопротивление каскада равно:
(2.2.7)
Ранее было показано, что основными причинами нестабильности тока коллектора является изменение температуры окружающей среды, вызывающей изменения напряжения эмиттерного перехода Uэб , начального тока коллектора Iкб0 и коэффициента передачи тока h21э . Для современных кремниевых транзисторов можно полагать, что из-за малости абсолютного значения Iкб 0 влиянием этого параметра можно пренебречь. Поэтому ограничимся рассмотрением влияния на ток только температурных изменений .
Как уже известно, ток покоя транзистора связан с током базы соотношением Переходя в приведенном выражении к приращениям, получим:
или, полагая
(2.2.8)
Используя теорему об эквивалентном генераторе, схему на рис. 2.2.2 всегда можно привести к схеме на РИС. 2.2.2,а. Тогда для исследуемой схемы можно записать:
(2.2.9)
или переходя к приращениям:
(2.2.10)
Подставив (2.2.10) в (2.2.9):
(2.2.11)
Величину называют коэффициентом нестабильности.
Д опустимый диапазон изменения Si , при изменении сопротивления эмиттерного резистора можно определить, воспользовавшись правилом Лопиталя:
(2.2.12)
(2.2.13)
Полученные выражения показывают, что минимальный и максимальный ток покоя транзистора определяются выражениями:
(2.2.14)
(2.2.15)
Из проведенного анализа можно сделать два практических вывода:
введением цепи ООС нестабильность значения не может быть уменьшена ниже величины зная исходную и требуемую нестабильности тока покоя транзистора и используя выражение (2.2.13), всегда можно найти требуемую глубину ООС (величину Rэ ), необходимую для обеспечения заданных параметров усилительного каскада. В реальных схемах Si обычно лежит в диапазоне 2...5. Тогда, полагая в (2.2.13) - можно получить простое расчетное соотношение:
(2.2.16)
Зная требуемые Rб и Еб экв от расчетной схемы на рис. 2.3.1, можно легко вернуться к исходной схеме. 2.3.5. Каскад с параллельной отрицательной обратной связью по выходному напряжению
Стабилизировать ток покоя транзистора можно и косвенным путем, за счет стабилизации коллекторного напряжения транзистора. В схеме на рис. 2.3.1 ток коллектора численно равен , или переходя к приращениям, Следовательно, при неизменном сопротивлении коллекторного резистора Rк стабилизация коллекторного напряжения транзистора автоматически означает стабилизацию его коллекторного тока. Поэтому для стабилизации тока покоя транзистора могут быть использованы и цепи ООС по выходному напряжению.
На рис. 2.2.3, а приведена типовая схема транзисторного каскада, в которой для стабилизации тока покоя транзистора использована цепь параллельной ООС по выходному напряжению. Введение такой связи снижает коэффициент усиления каскада, уменьшает его входное и выходное сопротивления, расширяет полосу усиливаемых частот, снижает линейные и нелинейные искажения.
В реальных усилительных каскадах уменьшение входного сопротивления приводит к еще большему снижению его общего коэффициента передачи. Вследствие этого схема на рис. 2.3.6, а на практике используется реже, чем схема на рис. 2.2.2.
Рис. 2.2.3. Транзисторный каскад с цепью параллельной ООС по напряжению (а) и его схема замещения (б)
Особенность получения количественных соотношений для рассматриваемой схемы состоит в том, что при параллельном способе введения сигнала ООС, входным параметром каскада является ток. Поэтому его коэффициент передачи имеет размерность сопротивления
(2.2.17)
и носит название сопротивления передачи. Точно также размерным является и коэффициент передачи цепи ОС, измеряемый в Сименсах:
(2.2.18)
С учетом сказанного, для каскада на рис. 2.3.6, а справедлива схема замещения на рис. 2.2.3,б. В ней источники входного и сигнала ООС представлены соответствующими источника тока . Согласно этой схеме для RП0 и gос можно записать:
(2.2.19)
(2.2.20)
Очевидно, что, несмотря на то, что величины RП0 и gос размерены, для них справедливо общее выражение для коэффициента передачи усилителя с цепью ООС.
Тогда для коэффициента передачи схемы на рис. 2.3.6, а можно записать:
(2.2.21)
При глубоких ООС, т. е. при выполнении условия выражение можно упростить:
(2.2.22)
Данное выражение подтверждает сделанный ранее вывод о том, что при большой глубине ООС параметры устройства практически не зависят от собственных свойств усилителя и полностью определяются характеристиками цепи обратной связи.
При необходимости по сопротивлению передачи каскада можно легко найти его коэффициент усиления по напряжению. Для этого в исходном выражении для RП0 входной ток необходимо заменить током эквивалентного генератора входного сигнала (рис. 2.3.6 б).
(2.2.23)
- общий коэффициент усиления каскада по напряжению.
Полученное выражение показывает, что коэффициент усиления конкретного каскада по напряжению не остается постоянным и зависит от параметров источника входного сигнала. Поэтому для описания свойств каскада удобнее пользоваться не коэффициентом KUк , а его сопротивлением RП0 .
Используя схему замещения каскада (рис. 2.3.6, б), можно получить выражение для его входного сопротивления:
(2.2.24)
Аналогичное выражение можно получить, воспользовавшись общим выражением для входного сопротивления усилителя с цепью, параллельной ООС.
Учитывая, что согласно схеме замещения транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, собственное входное сопротивление транзистора
и полагая что справедливо для глубоких ООС, из выражения (2.2.15) получим:
(2.2.25)
Для выходного сопротивления каскада можно записать:
(2.2.26)
Согласно схеме замещения на рис. 2.3.6, б . Тогда, полагая цепь ООС глубокой получим: