- •2. Аналоговые электрические устройства
- •2.1. Общие сведения. Классификация и основные характеристики усилителей.
- •2.1.1. Общие сведения об усилителях.
- •2.1.2. Классификация усилителей.
- •2.1.3. Основные характеристики усилителя
- •2.1.3.1. Коэффициент усиления
- •2.1.3.3 Входное и выходное сопротивления
- •2.1.3.4. Искажение сигналов в усилителе
- •2.1.3.5. Переходные характеристики
- •2.1.4 Типовые функциональные каскады полупроводникового усилителя.
- •2.1.5. Математическое описание усилительных устройств
- •2.1.6. Представление передаточной функции элементарными звеньями
- •2.1.7. Частотные характеристики усилительных устройств
- •2.2. Обратные связи. Понятие устойчивости.
- •2.2.1. Обратная связь
- •2.2.2. Влияние цепи обратной связи на основные характеристики усилительного устройства
- •2.2.2.1. Коэффициент усиления
- •2.2.2.2. Полоса усиливаемых частот
- •2.2.3. Понятие об устойчивости усилителя
- •2.2.3.1. Частотный критерий устойчивости
- •2.2.3.2. Алгебраический и фундаментальный критерии устойчивости
- •2.3. Усилительные каскады на транзисторах.
- •2.3.1. Принцип работы усилителей.
- •2.3.2. Токи покоя и напряжения покоя в усилительных каскадах
- •2.3.3. Понятие о классах усиления усилительных каскадов
- •2.3.3.1. Класс усиления а
- •2.3.3.2. Класс усиления в
- •2.3.3.3. Класс усиления ав
- •2.3.3.4. Класс усиления с и d
- •2.3.3.5. Методы стабилизации рабочей точки
- •2.3.4. Каскад с последовательной отрицательной обратной связью по току нагрузки
- •2.3.5. Каскад с параллельной отрицательной обратной связью по выходному напряжению
- •2.3.6. Формирование частотной характеристики каскадов с цепями оос
- •2.3.7. Усилительный каскад по схеме с общим истоком
- •2.3.7.1 Основные параметры каскада усилителя на полевом транзисторе
- •2.3.8. Эмиттерный и истоковый повторители.
- •2.4. Каскады предварительного усиления
- •2.4.1 Условия работы каскадов предварительного усиления
- •2.4.1.1. Требования к каскадам и режим работы
- •2.4.1.2. Определение частотной, фазовой и переходной характеристик
- •2.4.2 Резисторный каскад
- •2.4.2.1. Применение, принципиальные и эквивалентные схемы
- •2.4.2.2 Характеристики и расчетные формулы резисторного каскада
- •2.4.2.3. Расчетные формулы каскада в области средних частот.
- •2.4.2.4. Расчет транзисторного резисторного каскада
- •2.4.2.5. Резисторные каскады предварительного усиления, работающие на внешнюю нагрузку, и резисторные входные цепи
- •2.5. Выходные каскады
- •2.5.1. Условия расчета каскадов мощного усиления
- •2.5.2. Расчет однотактного транзисторного каскада мощного усиления в режиме а
- •2.5.3. Расчет двухтактного транзисторного каскада мощного усиления в режиме в
- •2.5.4. Бестрансформаторные двухтактные каскады мощного усиления
- •2.5.5. Расчет бестрансформаторных двухтактных каскадов
- •2.6. Широкополосные каскады и каскады специального назначения
- •2.6.1. Особенности широкополосных усилителей.
- •2.7. Схемы коррекции без обратной связи
- •2.7.1. Низкочастотная коррекция
- •2.7.2. Высокочастотная коррекция
- •2.8. Схемы коррекции с обратной связью
- •2.8.1. Низкочастотная коррекция
- •2.8.2. Высокочастотная коррекция
- •2.9. Повторители
- •2.9.1. Простые повторители
- •2.10. Усилители постоянного тока
- •2.10.1. Основные свойства и применение
- •2.10.2. Усилители постоянного тока, с непосредственной связью
- •2.11. Дрейф нуля и способы его уменьшения
- •2.11.1 Причины дрейфа нуля
- •2.12. Балансные и дифференциальные каскады
- •Библиографический список
2.2.3.2. Алгебраический и фундаментальный критерии устойчивости
C математической точки зрения свойство устойчивости можно трактовать следующим образом..
Ранее было показано, что поведение любого усилительного устройства с заданной степенью точности можно описать дифференциальным уравнением. Если известно решение этого уравнения для входного воздействия произвольного вида, то известно и поведение усилителя во всех условиях его работы, т. е. при произвольных возмущающих воздействиях. Решение данного уравнения можно рассматривать как некоторую траекторию движения в пространстве параметров усилительного устройства:
(2.2.8)
Это так называемое невозмущенное движение системы.
Естественно, если на усилительное устройство действует некоторое внешнее возмущение в виде напряжения , то его поведение
(2.2.9)
будет отличаться от описываемого выражения(2.2.8).
Выражение для возмущенного движения также описывает некоторую траекторию движения в пространстве параметров устройства.
Отличие возмущенного и невозмущенного движений устройства
описываемое функцией вида:
(2.2.10)
и используется для математического определения понятия устойчивости системы. В смысле функции e(t) невозмущенному движению системы соответствует точка начала координат пространства параметров усилителя.
Свойства устойчивости системы обычно определяется по виду функции e(t), возникающей при кратковременном воздействии на усилительное устройство какого-либо внешнего возмущения.
Говорят, что усилительное устройство устойчиво, если для любых отклонений его параметров или внешних возмущений, действующих в момент t0 и вызывающих отклонение e(t0), лежащее в некоторой конечной области S0, величина e(t) при не превысит некоторого заданного значения Н, т. е. максимум e(t) , при . Геометрическая интерпретация данного условия показана на рис. 2.2.5.а.
Если сформулированное условие не выполняется, говорят, что устройство неустойчиво.
На практике часто пользуются понятием асимптотической устойчивости. Для этого случая выполняется условие:
. (2.2.11)
Физически это означает, что после окончания внешнего возмущающего воздействия выходной параметр устройства вернется к своему первоначальному, невозмущенному значению.
2.3. Усилительные каскады на транзисторах.
2.3.1. Принцип работы усилителей.
При построении усилительных устройств наибольшее распространение получили каскады на биполярных и полевых транзисторах, использующие соответственно схемы включения транзистора общим эмиттером и общим истоком. Реже используются схемы включения с общим коллектором и общим стоком. Схемы включения с общей базой или общим затвором находят применение в узком классе устройств, например во входных цепях радиоприемных устройств, работающих в диапазоне УКВ.
Все схемотехническое многообразие каскадов, использующих схему включения биполярного транзистора с общим эмиттером, при использовании известных из теории электрических цепей методов может быть приведено к единой схеме, показанной на рис.2.3.1.
в)
Рис. 2.3.1. Обобщенная схема усилительного каскада на БПТ типов n-p-n (а), p-n-p (б) и усилительный каскад с внешней нагрузкой (в).
Как следует из приведенного рисунка, принцип построения каскада не зависит от типа проводимости биполярного транзистора. Поэтому в дальнейшем можно рассматривать каскад, выполненный на биполярном транзисторе типа n-p-n. Далее, кроме особо оговоренных случаев, будем полагать, что нагрузочный элемент каскада Rн носит чисто активный характер, а напряжение усилительного каскада постоянным.
В приведенной схеме возможны два способа подключения нагрузки. При первом способе в качестве нагрузочного элемента усилительного устройства используется непосредственно резистор Rк, включенный в коллекторную цепь транзистора. При таком включении каскад реализует последовательную структурную схему усилительного устройства (рис.2.1.2, а). Во втором случае используют дополнительный| нагрузочный элемент Rн, включаемый параллельно выводам коллектора и эмиттера транзистора VТ (рис. 2.3.1, в). В этом случае каскад реализует параллельную структурную схему усилительного устройства (рис. 2.1.2, б).
Отличие способов подключения нагрузки приводит к различию свойств каскадов. Так, каскад, представленный на рис. 2.3.1, б фазы входного и выходного сигналов каскада совпадают. Следовательно, каскад является не инвертирующим и для него:
(2.3.1)
В схеме на рис. 2.3.1, в фазы входного и выходного сигналов отличаются на , и поэтому каскад является инвертирующим. Связь выходного напряжения с параметрами схемы в этом случае имей вид:
(2.3.2)
Следует отметить, что если интересоваться только переменной составляющей выходного сигнала, то для обоих случаев можно воспользоваться выражением (2.3.1). При этом для случая использования дополнительного нагрузочного резистора в выражении (2.3.1) вместо Rк надо подставить .
Резистор является балластным, и предназначен для линеаризации входной характеристики каскада. Входное сопротивление транзистора, особенно в ее начальной части его ВАХ, имеет существенно нелинейный характер, поэту одинаковые приращения входного напряжения приводят к разным приращениям входного , а, следовательно, и выходного токов.
, (2.3.3)
где - коэффициент передачи тока в схёме с общим эмиттером; - входное сопротивление транзистора, значение которого зависит от ; - суммарное входное напряжение каскада, где -управляющая (изменяющаяся) составляющая входного напряжения, - постоянная составляющая входного напряжения.
Если выражение (2.3.3) подставить в (2.3.1) и (2.3.2), то становится очевидным, что непостоянство , обусловленное изменением входного напряжения и, следовательно, режима работы транзистора, приводит к изменению коэффициента пропорциональности между входным и выходным напряжениями каскада. Передаточная характеристика каскада по напряжению приобретает существенно нелинейный характер, что усложняет его практическое использование.
Для линеаризации передаточной характеристики последовательно с эмиттерным переходом транзистора включают балластный резистор Rб, сопротивление которого выбирается из условия Rб>> . Чем жестче выполняется это неравенство, тем линейнее для заданного изменения входного напряжения входная характеристика каскада и выражение (2.3.3) приобретает вид
. (2.3.4)
Следует заметить, что введение в схему усилителя резистора уменьшает коэффициент усиления каскада и это уменьшение тем больше, чем жестче выполняется неравенство Rб>> . Причина этого в том, что с увеличением меньшая часть входного напряжения прикладывается непосредственно к эмиттерному переходу транзистора.