Схемотехника аналоговых электронных устройств (стр. 3 )

Рис.4.5. Схема комбинированной стабилизации рабочей точки.

Когда требуется уменьшить нестабильность тока покоя, вызы­ваемую лишь изменением температуры, используются схемы темпера­турной стабилизации (рис.4.6).

Рис.4.6. Схемы температурной стабилизации:

а – с помощью терморезистора; б – с помощью диода.

В принципиальной схеме усилителя с температурной стабилиза­цией, приведенной на рис. 4.6.а, в нижнем плече делителя устанавливается терморезистор с отрицательным температурным коэффициен­том. При повышении температуры его сопротивление падает, следо­вательно, уменьшается напряжение смещения, что вызывает уменьше­ние токов коллектора и эмиттера.

Температурная стабилизация может быть осуществлена с по­мощью полупроводниковых диодов (рис.4.6.б). С повышением темпера­туры возрастает обратный ток диода, следовательно, возрастает напряжение на сопротивлении и уменьшается напряжение смещения, компенсируя возрастания обратного тока транзистора.

Лекция №5

Предварительные усилители напряжения

5.1. Общие сведения о предварительных усилителях.

Предварительные каскады усиления предназначены для усиления тока или напряжения сигнала, создаваемого источником сигнала, до величины, необходимой для подачи на вход усилителя мощности. Предварительные усилители состоят из нескольких каскадов.

Для уменьшения количества каскадов предварительного усилите­ля коэффициент усиления каждого каскада желательно иметь наи­большим. Для этого в каскадах предварительного усиления ис­пользуют усилительные элементы с высоким коэффициентом усиления в режиме А.

Вследствие малой амплитуды сигнала в цепях каскадов предва­рительного усиления расчет коэффициента усиления по току и по напря­жению усиливаемого сигнала производят аналити­чески с использованием эквивалентных схем и малосигнальных параметров усилительных элементов.

Транзисторы в каскадах предварительного усиления обычно включают с общим эмиттером и с общим истоком, так как при работе на входную цепь следующего каскада это дает возможность получить наибольшее усиление. В каскадах предварительного усиления нахо­дят широкое применение резистивные схемы на электронных лампах, полевых и биполярных транзисторах. Редко применяются трансформа­торные схемы.

5.2. Принципиальные схемы предварительных усилителей.

В схеме на рис.5.1. цепь служит для создания автомати­ческого смещения. Нагрузкой выходной цепи является активное соп­ротивление . Усиленное переменное напряжение на вход следующе­го каскада снимается с клемм сток-корпус. Напряжение выход­ной цепи, кроме полезной переменной составляющей, имеет также постоянную составляющую. Чтобы на вход следующего каскада переда­вать лишь переменную составляющую и не пропускать постоянную сос­тавляющую, используется разделительный конденсатор С1, который должен иметь достаточно большую емкость, чтобы переменная состав­ляющая напряжения передавалась на вход следующего каскада без за­метного ослабления.

Рис.5.1. Предварительный каскад на полевом транзисторе

Сопротивление R1 создает замыкание цепи затвора по постоян­ной составляющей. Так как ток в цепи затвора очень мал и состав­ляет доли пикоампера, то в результате затвор имеет ту же постоянную составляющую потенциала, что и корпус усилителя. Исток имеет положительный потенциал относительно корпуса вслед­ствие действия цепи автоматического смещения. Поэтому между зат­вором и истоком возникает необходимое отрицательное напряжение смещения. Сопротивление R1 не должно быть слишком большим, но его нельзя выбирать и чересчур малым во избежание уменьшения перемен­ного напряжения вследствие шунтирования сопротивления нагрузки.

Сопротивление и конденсатор образуют Г-образный фильтр, который называется развязывающим. При наличии фильтра переменная составляющая выходного тока iвых(t) замыкается через и не протекает через источник питания, так как его цепь содержит . Вместе с тем фильтр отфильтровывает пульсации напряжения источника питания. Таким образом, фильтр устраняет нежелательные связи различных каскадов, пи­таемых от общего источника. Для этого и должны иметь как можно большие величины, но величина ограничивается допустимым падением на нем постоянного напряжения, а ограничивается приемлемыми габаритами.

Усилители на полевом транзисторе так же, как и ламповые уси­лители, имеют большое входное сопротивление , влиянием которого при анализе схем можно пренебречь. Схемы замещения для электронных ламп и полевых транзисторов в упрощенном варианте одинаковы. Ха­рактеризуются они также одинаковыми параметрами: коэффициентом усиления , крутизной S и внутренним сопротивлением . Между собой эти характеристики связаны соотношением . При дальнейшем анализе усилителей схемы этих усилителей рассмотрим параллельно.

При анализе переменных составляющих токов и напряжений пользуются эквивалентной схемой замещения. При составлении экви­валентной схемы учитывают цепи только по переменной составляющей. Эквивалентная схема одного каскада включает схему замещения вы­ходной цепи усилительного элемента, межкаскадной связи и входной цепи следующего элемента. Источник питания и элементы для подачи постоянных напряжений, как, например, сопротивление автоматичес­кого смещения , по переменной составляющей закорачиваются через блокирующие и шунтирующие емкости и в эквивалентную схему не вхо­дят. Выходная цепь замещается генератором ЭДС или тока и внутрен­ним сопротивлением. К выходным зажимам усилительного элемента подключается сопротивление нагрузки .

5.3. Эквивалентная схема усилителя.

Любой усилительный элемент может быть представлен четырехполюсником, (рис.5.2) который характеризуется системой параметров у, z и h. В нашем курсе мы будем пользоваться системой у параметров.

Рис.5.2. Линейный четырехполюсник.

В этом случае четырехполюсник описывается системой уравнений:

(5.1)

где - входная проводимость;

- обратная проводимость;

- прямая проводимость (S крутизна);

- выходная проводимость.

Таким образом, основные параметры усилительных элементов можно выразить через у - параметры четырехполюсника (рис.5.3.а).

Входная и выходная проводимости усилительного элемента состоят из активных и реактивных составляющих:

, (5.2)

(5.3)

Прямая проводимость определяется коэффициентом усиления БТ или крутизной проходной характеристики ПТ

. (5.4)

Влиянием обратной проводимости на низких частотах пренебре­гают, и эквивалентные схемы усилительного элемента входной и вы­ходной цепей рассматривают отдельно (рис. 5.3,б и 5.3,в).

Рис.5.3. Эквивалентная схема двойного усилительного элемента:

а – полная; б – выходной цепи; в – входной цепи

Свойства и характеристики усилительного каскада зависят от свойств и параметров усилительного элемента, схемы межкаскадной связи, а также от параметров нагрузки. Определение свойств и ха­рактеристик усилителя (анализ) проводят по его эквивалентной схе­ме. Эквивалентная схема одного каскада усилителя, приведенная на рис.5.4, состоит из эквивалентной схемы выходной цепи усили­тельного элемента рассматриваемого каскада, элементов схемы межкаскадной связи и эквивалентной схемы входной цепи усилительного элемента следующего каскада.

Рис.5.4. Эквивалентная схема резисторного усилителя.

Полная эквивалентная схема резистивного усилителя (рис.5.4) включает в себя, кроме выходной цепи, цепочку межкаскадной связи C1R1, входную цепь следующего усилительного элемента и ем­кость монтажа .

В ламповых усилителях и усилителях на полевом транзисторе влиянием можно пренебречь, так как его значение очень велико и ток по этой цепи не протекает.

Емкость выходной цепи представляет собой межэлектрод­ную емкость между анодом и катодом или между стоком и истоком .

Емкость монтажа зависит от габарита выбранных элементов и составляет порядка (10¸15) пФ для ламповых усилителей и (5¸7) пФ для транзисторных. Емкость входной цепи определяется межэлек­тродными емкостями затвор-исток и затвор-сток следующим выраже­нием: .

Если просуммируем параллельно включенные емкости , и , то получим общую паразитную емкость

. (5.5)

С учетом (5.5) эквивалентная схема резистивного усилителя примет вид, изображенный на рис. 5.5, где Ri=Rвых.

Рис.5.5. Эквивалентная схема резистивного каскада на ПТ.

5.4. Методика анализа резисторного каскада

предварительного усилителя.

Анализ резисторного предварительного каскада проводится на основе эквивалентной схемы. При этом считается, что входное напряжение Uвх и тип транзистора заданы в технических условиях. Важным этапом анализа является составление эквивалентной схемы для анализируемого каскада. Этот вопрос подробно рассмотрен в предыдущем подразделе. Для упрощения анализа амплитудно-частотной характеристики разделяют на три частотных диапазона: средние, нижние и высокие частоты. По эквивалентной схеме определяют основной показатель - комплексный коэффициент усиления. К(j), который определяется отношением комплексных значений выходного и входного напряжений: К(j)=Uвых/Uвх.

На нижних частотах основное влияние на АЧХ оказывает разделительная емкость С1. С уменьшением частоты емкостное сопротивлние, равное Xс=1/ jС, возрастает. Следовательно, увеличивается падение напряжения на этом элементе. Вследствие чего уменьшается Uвых и К(j).

На верхних частотах сопротивление C0 уменьшается, увеличи­вается шунтирующее действие C0, уменьшаются и коэффициент усиления. Но для качественной работы усилителя необходимо, чтобы его частотная характеристика приближалась к идеальной в области средних частот. Для этого реактивные элементы С1 и C0 должны быть выбра­ны так, чтобы на средних частотах сопротивление С1 и проводи­мость C0 были незначительными. Следовательно, эти элементы должны быть выбраны: С1®¥, C0→0.

Лекция №6

Анализ каскада предварительного усиления.

6.1. Анализ резисторного каскада в области средних частот.

Методика анализа резисторного каскада предварительного усиления рассмотрено в предыдущей лекции. Для упрощения математических выкладок анализ проводится отдельно на средних, высоких и нижних частотах. Проанализируем усилительный каскад на полевом транзисторе (рис.5.1). Для этого каскада построим полную эквивалентную схему (рис.5.5.).

В области средних частот влиянием всех емкостей мож­но пренебречь, так как сопротивление С1 близко к нулю, а сопро­тивление C0 бесконечно большое. Поэтому эквивалентная схема для средних частот будет иметь вид, изображенный на рис.6.1

Рис.6.1. Эквивалентная схема резисторного каскада на СЧ.

Общая проводимость параллельно включенных цепей определяется выражением:

. (6.1)

Коэффициент усиления на средних частотах является веществен­ным и определяется:

(6.2)

Для полевых транзисторов справедливы следующие соотношения: , , поэтому

. (6.3)

Таким образом, коэффициент усиления на средних частотах опреде­ляется произведением крутизны усилительного элемента S сопротив­ления и не зависит от частоты. Следовательно, чем больше крутизна S и сопротивление нагрузки , тем больше коэффициент усиления. Фазовый сдвиг на средних частотах равен нулю.

6.2. Анализ резисторного усилителя на высоких частотах.

В области высоких частот емкостное сопротивление 1/jωC1 конденсатора С1 становится еще меньше, чем в области средних частот, поэтому его можно по-прежнему заменить коротким замыка­нием. Однако в области высоких частот надо учитывать влияние ем­костей ,,См, так как их проводимости возрастают. Вследствие чего умень­шается емкостное сопротивление 1/jωCо, увеличивается шунти­рующее действие.

С учетом вышесказанного эквивалентная схема резистивного усилителя в области верхних частот примет вид, изображенный на рис.6.2

Рис.6.2. Эквивалентная схема резисторного каскада в области ВЧ.

По эквивалентной схеме (рис.6.2) определим выходное нап­ряжение и комплексный коэффициент усиления

(6.4)

где τв=С0R- постоянная времени в области ВЧ.

Модуль коэффициента усиления на верхних частотах определяется выражением:

(6.5)

и представляет собой частотную характеристику усилителя в области верхних частот (рис.6.3).

f

Рис.6.3. АЧХ в области ВЧ при различных значениях С0.

С увеличением частоты уменьшается, вследствие чего увеличивается шунтирующее действие. По этой причине уменьшается выходное напряжение и коэффициент усиления.

Найдем верхнюю граничную частоту усилителя, на которой мо­дуль коэффициента усиления . Следова­тельно, приравнивая (6.5.) к значению , получим:

. (6.6)

Из выражения (6.6) следует, что обратно пропорционально емкости C0. С уменьшением С0 увеличивается верхная граничная частота и полоса пропускания усилителя (см. рис.6.3). Для расширения полосы пропускания в область высших частот необходимо уменьшать постоянную времени . Емкость C0 складывается из емкостей ,,См и зависит от выбранного усилительного элемента. Следовательно, уменьшение постоянной времени возможно лишь за счет уменьшения . Однако это вызывает снижение коэффициента усиления (рис.6.4).

Рис.6.4. АЧХ в области ВЧ при различных значениях Rн.

Рассмотрим фазовый сдвиг, создаваемый усилителем в области верхних частот. Чтобы определить его, представим в виде суммы вещественной и мнимой частей, для этого выражение умножим и разделим на комплексную величину, сопряженную со знаме­нателем:

(6.7)

Тангенс угла фазового сдвига равен отношению мнимой части к
вещественной:

(6.8)

С увеличением частоты фазовый сдвиг асимптотически стремится к . При , имеем

; , (6.9)

т. е. верхней пороговой частоте соответствует фазовый сдвиг, рав­ный - 45° (см. рис.6.5.).

Рис.6.5. ФЧХ в области ВЧ.

Очевидно, при этой частоте модуль емкос­тной проводимости равен активной проводимости

Выражая через верхнюю пороговую частоту, можно записать уравнение фазочастотной характеристики для области высоких час­тот в виде

. (6.10)

Коэффициент частотных искажений на верхней граничной часто­те определяется

(6.11)

Если заданы и , то из выражения (6.11) можно опреде­лить необходимое значение и рассчитать требуемое сопротивление нагрузки:

. (6.12)

Таким образом, сопротивление нагрузки рассчитывается из необходимости удовлетворения основных технических условий усилите­ля в области верхних частот.

6.3. Анализ резисторного каскада в области нижних частот.

В области низких частот проводимость незначительна, и ею можно пренебречь. Сопротивление Хсо=1/jωC0 велико. Следовательно, эта цепь шунтирующего влияния не оказывает. Однако в области низких частот необходимо учитывать влияние реактивного сопротивления емкости С1, так как сопротивление ХС1= 1/jωC1 возрастает, на нем происходит падение нап­ряжения, вследствие чего уменьшается и коэффициент усиления. Поэтому эквивалентная схема в области нижних частот примет вид, изображенный на рис.6.6,а.

Рис.6.6.Эквивалентные схемы усилителя в области НЧ: а – с генератором тока; б – с генератором ЭДС.

Для упрощения дальнейших выкладок преобразуем эквивалентную схему с гене­ратором тока в эквивалентную схему с генератором ЭДС (рис.6.6,б), где Rэ=RiRн/(Ri+Rн),E=SUвхRэ

Ток и напряжение в выходной цепи:

(6.13)

Комплексный коэффициент усиления в области низких частот соответственно определяется:

(6.14)

где , т. к. Rэ<< R1;

Определим модуль комплексного коэффициента усиления в области низких частот

(6.15)

В соответствии (6.15) построим график АЧХ на нижних частотах, рис.6.7.

Рис.6.7. АЧХ в области НЧ при различных значениях разделительной емкости

Анализируя выражение (6.15), приходим к выводу, что частот­ная характеристика в области низких частот определяется в основ­ном значением разделительной емкости С1.

Для нахождения нижней граничной частоты приравниваем выра­жение (6.15) к значению :

(6.16)

Для расширения полосы пропускания усилителя в сторону низ­ких частот необходимо увеличивать постоянную времени . Однако это ограничивается несколькими факторами. Практически постоянная времени должна быть не больше 0,01¸0,1 сек., что не позволяет усиливать колебания с частотами ни­же нескольких герц.

Рассмотрим фазовый сдвиг , создаваемый усилителем в области низких частот. Тангенс фазового сдвига равен отношению мнимой части к его вещественной части :

(6.17)

По мере понижения частоты фазовый сдвиг (сверх ) асимп­тотически стремится к , рис.6.8.

Рис.6.8. ФЧХ в области НЧ.

При имеем

, (6.18)

т. е. нижней пороговой частоте соответствует фазовый сдвиг (сверх ), равный +45°. Очевидно, при этой частоте модуль емкостного сопротивления равен активному сопротивлению .

Выражая через нижнюю пороговую частоту, можно записать уравнение фазочастотной характеристики для области низких частот в виде:

(6.19)

Зависимость фазового сдвига от частоты, представлена на рис.6.8.

Коэффициент частотных искажений на нижней граничной частоте

. (6.20)

Решая выражение 6.20 относительно , получим расчетную формулу:

. (6.21)

Следовательно, разделительная емкость С1 рассчитывается из необходимости удовлетворения основных технических требований к усилителю в области низких частот.

Лекция №7

Импульсные и широкополосные усилители.

7.1. Общие сведения и принципы построения импульсных усилителей.

Импульсные и широкополосные усилители предназначены для уси­ления импульсных сигналов. Импульсные сигналы подразделяются на радиоимпульсы, используемые в радиолакационных станциях, и видиоимпульсы, применяемые в видеоаппарутуре. Основной характеристикой импульсных усилителей является переходная характеристика, рис.7.1.

Рис.7.1. Переходная характеристика импульсных усилителей.

Переходная характеристика – это зависимость мгновенного значения выходного напряжения от времени при подаче на вход единичного импульса

Uвх= (7.1)

К импульсным усилителям предьявляются жесткие требования по искажению усиливаего сигнала. Искажения усиленного сигнала в импульсных усилителях определяются количественными показателями переходной характерисики, а именно, временем установления tу и спадом плоской вершины Δсп. Передний фронт импульса формируется высокочастотными составляющими. Чем больше верхняя граничная частота fв, тем меньше искажение переднего фронта tу. Чем меньше нижняя граничная частота fм, тем меньше искажение усиленного сигнала в области плоской вершины импульса Δсп. Следовательно, для безыскаженного усиления сигналов импульсные усилители должны иметь широкую полосу пропускания от единиц Герц до десятков мегаГерц. Поэтому видеоусилители являются широкополосными.

В широкополосных усилителях применяются резисторные каскады с дополнительными цепями коррекции, построенные на специальных высокочастотных транзисторах с большой площадью усиле­ния. Площадью усиления называют произведение коэффициента усиления на средних частотах К0 на верхнюю граничную частоту

Площадь усиления опре­деляется параметрами S и Cо, которые задаются в справочниках.

В каскадах на биполярных транзисторах площадь усиления из-за внутрен­ней обратной связи не остается постоянной, поэтому при выборе биполярного транзистора лучше руководствоваться предельной частотой fh21б или fh21Э.

Как известно, резистивные схемы усилителей могут обеспечить широкую полосу пропускания с равномерной частотной характеристи­кой. Надо иметь в виду, что верхняя граничная частота зависит от выбора сопротивления нагрузки .В целях увеличения верхней граничной частоты в импульсных усили­телях сопротивление нагрузки выбирают небольшим:

Естественно, при этом коэффициент усиления импульсных усилителей получается также небольшим. Поэтому импульсные усилители состоят, как правило, из нескольких каскадов.

Принципиальная схема одного каскада импульсного усилителя без элементов коррекции по внешнему виду ничем не отличается от схемы резистивного усилителя низкой частоты, рис.7.2.

Рис.7.2. Импульсный усилитель.

7.2. Анализ импульсного усилителя в области малых времен

Если при анализе предварительных усилителей низкой частоты нас интересовали частотные характеристики и частотные искажения, то в импульсных усилителях основной характеристикой является пе­реходная характеристика и ее количественные показатели. Поэтому для анализа импульсных усилителей применяется временной метод. При этом в целях упрощения анализа рассматривают отдельно переходную характеристику в области малых времен и в области больших времен.

Область малых времен - это область больших частот, так как . Следовательно, для анализа переходной характеристики в области малых времен необходимо рассматривать эквивалентную схе­му усилителя в области высоких частот, рис.7.3., где E=SUвхRн

Рис.7.3.Эквивалентная схе­ма усилителя в области ВЧ.

Изменение после подачи на вход скачка напряжения определяет­ся процессом заряда емкости C0. Разделительная емкость С1 имеет большой номинал и заряжается значительно медленнее. Следовательно, за время уста­новления tу разделительная емкость С1 почти не успевает заря­диться и напряжение на ней близко к нулю. Поэтому влиянием С1 можно пренебречь и заменить коротким замыканием. Влиянием и R1 можно пренебречь, так как в импульсных усилителях выполняются условия .

При подаче на вход единичного импульса (Uвх=1) выходное напряжение на емкости будет изменяться по экспоненте:

(7.2)

С учетом того, что SRн=K0, нормированная переходная характеристика равна