- •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
2.4.2.4. Расчет транзисторного резисторного каскада
Расчет транзисторного резисторного каскада предварительного усиления начинают с выбора принципиальной схемы каскада, удовлетворяющей предъявленным к каскаду требованиям, и выбора рода транзистора (биполярный или полевой), а также характера его проводимости (р-n-р или n-р-n, р-канал или n-канал). При этом решают вопрос о выборе схемы стабилизации рабочей точки, о необходимости введения в каскад развязывающего фильтра RфСф и т. д. Если используется биполярный транзистор, то выбирают материал полупроводника (германий или кремний). Германиевые транзисторы не следует применять в новых разработках, а также при большом диапазоне изменения температуры (Тmах—Tmin>50cC). В новых разработках рекомендуется использовать только кремниевые транзисторы. Для того чтобы каскад не вносил больших частотных искажений на верхней рабочей частоте fB, предельная частота усиления тока fT, используемого в каскаде транзистора, а также транзистора следующего каскада должна быть не ниже (1—3)fвh21эср, а для каскада усиления импульсных сигналов — не ниже (0,1—0,3) h21эср/ty
Полевые транзисторы используют при необходимости получения очень высокого входного сопротивления каскада (выше десятков килоом) или для обеспечения наименьшего уровня собственных шумов каскада. Однако не следует забывать, что вследствие малой крутизны характеристики полевой транзистор дает хорошее усиление только при работе на следующий каскад с достаточно большим входным сопротивлением (не ниже нескольких килоом).
В каскадах предварительного усиления звуковых частот применяют маломощные низкочастотные транзисторы, в широкополосных каскадах — маломощные высокочастотные. Ток покоя коллектора (стока) I0 выбирают достаточным для обеспечения расчетной амплитуды входного тока сигнала следующего каскада с небольшим запасом, гарантирующим малые нелинейные искажения:
, (2.4.30)
где I~m — амплитуда переменной составляющей выходного тока, равная сумме переменных составляющих тока всех цепей, нагружающих транзистор. Найденное значение I0 не должно превышать допустимого для транзистора; однако ток покоя не следует брать ниже (0,7-1)мА для низкочастотных транзисторов и (2—3) мА для высокочастотных, так как при меньших токах ухудшаются усилительные свойства транзисторов и не гарантируются указанные в справочнике параметры. Для получения от каскада максимального усиления сопротивление резистора R в выходной цепи транзистора (рис. 2.4.7) берут возможно большим, но допустимым по падению на нем напряжения питания, а также допустимым по частотным искажениям на верхней рабочей частоте или по времени установления каскада.
Рис. 2.4.7. К расчету резисторного каскада предварительного усиления: а — на биполярном транзисторе; б — на полевом транзисторе.
В транзисторных резисторных каскадах без высокочастотной коррекции сопротивления резисторов (рис. 2.4.7) обычно рассчитывают исходя из допустимого падения на них напряжения питания:
Rэ или ;
, (2.4.31)
где Е — напряжение питания, подводимое к рассчитываемому каскаду; I0 — ток покоя выходной цепи транзистора; Iф — постоянная составляющая тока, протекающая через резистор Rф. Значения коэффициентов при Е в формулах (2.4.31) для R и Rэ (или Rи) желательно брать такими, чтобы сумма коэффициентов составила 0,5—0,6; в этом случае напряжение покоя между выходными электродами транзистора U0, равное разности Е и падения напряжения питания на R и Rэ (или Rи), окажется равным (0,5— 0,4) Е. При этом уменьшается возможность выхода рабочей точки из линейного участка характеристики при изменении температуры или напряжения питания и старении или замене транзистора в каскаде. Коэффициент усиления по току Кт в этом случае обычно лежит в пределах (0,65—0,9)h21э. Напряжение питания, подводимое к каскаду, не должно превышать допустимое для используемого транзистора, чтобы исключить возможность его пробоя при сильных запирающих транзистор сигналах.
Максимально допустимое значение сопротивления резистора R при заданных частотных искажениях Мв на верхней рабочей частоте fв или при заданном времени установления каскада ty можно найти, решив нижнюю формулу (2.4.16) относительно R:
. (2.4.32)
Величина Rэкв.в=Rэкв.вmax определяется по формулам (2.4.17) или (2.4.28).
Напряжение смещения база — эмиттер U0б, необходимое для получения выбранного тока покоя коллектора I0к, находят по входной характеристике транзистора для I0Б=I0к/h21эmin. В случае полевого транзистора со схемой истокового смещения напряжение смещения находят по проходной характеристике для транзистора с наименьшим напряжением отсечки.
Коэффициенты усиления каскада определяют по формуле (2.4.7) или (2.4.9) и (2.4.10), расчетную амплитуду входного тока сигнала и амплитуду входного напряжения сигнала при биполярном транзисторе рассчитывают по следующим выражениям:
. (2.4.33)
Частотные искажения на нижних частотах в каскадах рис. 2.4.7 будут создаваться как конденсатором межкаскадной связи С, так и конденсатором схемы стабилизации Сэ или Си; конденсатор фильтра Сф в полосе рабочих частот обычно не вносит искажений. Емкость конденсатора С рассчитывают по формуле (2.4.13) или (2.4.23) исходя из допустимых частотных искажений Мн.с, вносимых им на низшей рабочей частоте, или из Δт; при этом считают Rэкв.н~R; R0=Rвх.сл. Вследствие низкого входного сопротивления каскадов с биполярными транзисторами в них конденсаторы С можно применять электролитические, соблюдая правильность полярности их включения; во входной цепи полевых транзисторов, разделительные конденсаторы С следует брать с высоким сопротивлением изоляции, имеющие бумажный, пластмассовый или слюдяной диэлектрик и хорошо защищенные от влаги; электролитические конденсаторы здесь не пригодны из-за сравнительно большого и непостоянного тока утечки, который может очень сильно изменить напряжение смещения на затворе или сетке.
В случае промежуточного каскада с биполярным транзистором это можно сделать лишь после расчета предыдущего каскада, так как для расчета Сэ нужно знать сопротивление источника сигнала Rист во входной цепи рассчитываемого каскада. Полный коэффициент частотных искажений каскада Мн на низшей рабочей частоте можно считать равным произведению Мн.с и Мн.э, найденных по формулам (2.4.12) и (2.4.14); при полевом транзисторе Мн=Мн.сМн.и.
Вносимые каскадом частотные искажения Мв на высшей рабочей частоте определяются по формуле (2.4.15), а входящую в нее емкость С0~Сб.э.сл – по формуле (2.4.14); при биполярном транзисторе искажения будут максимальны для транзистора с fеmin и h21эmax.