Схемотехника аналоговых устройств (стр. 11 )

5.1.1 Анализ схемы усилителя с ОЭ

Проанализируем схему, приведенную на рис. 5.3.

1.  Исходя из напряжения питания UКК = 20 В и значений резисторов делителя R1 и R2, определяем напряжение смещения базы транзистора: UБ = 1,6 В.

2.  Определяем UЭ = UБ − 0,6 В = 1 В (для n-p-n-транзистора).

3.  Определяем ток покоя

4.  Определяем напряжение покоя UК = UКК – IКRК = 10 В. Проверяем выполнение условия симметричности изменения выходного сигнала. Условие выполняется в пределах максимально возможного динамического диапазона выходного сигнала.

5.  Проверяем правильность выбора делителей R1 и R2. где RБ = ßRЭ. Выбор правильный, так как RДЕЛ ≤ 10 к, а RБ = 100 к при ß = 100.

6.  Определяем частотный диапазон схемы , где – входное сопротивление схемы.

7.  Определяем выходное сопротивление схемы: RВЫХ ≈ RК = 10 к. Таким образом, схема работает на нагрузку RН ≥ 100 к = 10 RК.

8.  Определяем коэффициент усиления схемы .

Рис. 5.3. К анализу схемы усилителя с ОЭ

5.1.2. Расчет усилителя с ОЭ
при небольшом коэффициенте усиления (КU ≤ 10)

Выбор тока покоя IОК, соблюдение условия симметричности UК = 0,5UКК, обеспечение достаточно высокого потенциала в эмиттере UЭ » 0,1UК, что соответствует RЭ » 0,1RК, а также необходимого коэффициента усиления часто находятся во взаимном противоречии и требуют взаимного учета.

В целом может быть рекомендована следующая последовательность расчета:

1. Выбираем ток покоя транзистора .

2. Исходя из условия симметричности UК = 0,5UКК = UКК – IОКRК, определяем сопротивление RК.

3. Исходя из требуемого КU и стремясь одновременно обеспечить величину UЭ = IОЭRЭ достаточно высокой для достижения температурной стабильности схемы, выбираем RЭ. Необходимо иметь в виду, что величина UЭ ≤ 0,1UК не обеспечивает хорошей температурной стабильности усилителя.

4. Определяем напряжение смещения на базе с учетом типа транзистора. Так, для n-p-n-транзистора UБ = UЭ + 0,6 В, а для p-n-p − UБ = UЭ − 0,6 В.

5. Выбираем величины сопротивлений делителя R1 и R2, исходя из условия где RБ ≈ ßRЭ.

6. Обеспечиваем частотные свойства каскада, выбирая С1 таким, чтобы , где . Обычно С1 выбирают с 3–5-кратным запасом для обеспечения единичного коэффициента передачи ФВЧ в заданном диапазоне частот.

5.1.3. Графический метод определения смещения транзистора

в усилителе с ОЭ

По выходным и входным характеристикам транзистора можно определить величину смещения в усилителе. Для схемы с общим эмиттером напряжение на коллекторе относительно земли равно .Данное выражение называют уравнением нагрузочной прямой, которую можно построить на выходных характеристиках.

Для определения первой точки нагрузочной прямой примем UК = 0 (режим насыщения). Тогда ток коллектора определяется следующим выражением: . Для определения второй точки нагрузочной прямой примем IK = 0 (режим отсечки). Тогда напряжение на коллекторе . Соединив данные точки, найдем точки А и В – пересечения верхней и нижней выходных характеристик с построенной прямой. Рабочая точка О выбирается посередине отрезка АВ для симметричности изменения выходного сигнала и определяет значения напряжения покоя коллектора UOK, тока покоя коллектора IOK и тока покоя базы IOБ.

Рис. 5.4. Построение нагрузочной прямой на выходных характеристиках транзистора

Рис. 5.5. Определение напряжения смещения усилителя с ОЭ
по входным характеристикам транзистора

Для определения напряжения покоя базы (напряжения смещения) воспользуемся входной характеристикой транзистора. Отложив на оси ординат значения тока покоя базы IОБ и выбирая характеристику, соответствующую напряжению покоя на коллекторе UОК, определим напряжение покоя на базе UОБ. Зная напряжение покоя базы, можно рассчитать параметры делителя, который поделит напряжение питания UКК в нужной пропорции и создаст необходимое смещение транзистора.

5.1.4. Схема расщепления фазы
с единичным коэффициентом усиления (парафазный каскад)

С помощью данной схемы можно получить два сигнала одинаковой величины с единичным коэффициентом усиления, но с противоположными фазами.

Рис. 5.6. Парафазный каскад

Для единичного коэффициента усиления сопротивления в коллекторе и в эмиттере должны быть одинаковы. На эмиттере сигнал будет повторяться, а на коллекторе – инвертироваться.

Рис. 5.7. К выбору напряжений коллектора и эмиттера в парафазном каскаде

Для того чтобы сигнал изменялся симметрично, необходимо устанавливать постоянное напряжение коллектора UK ≈ 0,75UКК, а напряжение эмиттера – UЭ ≈ 0,25UКК.

При данных номиналах схемы ток покоя равен IOK ≈ IOЭ = 1 мА, напряжение на эмиттере UЭ = UБ – 0,6 В = 5 В, а напряжение на коллекторе UК = UКК –
– IOKRК = 15 В.

5.1.5. Фазовращатель

Для построения фазовращателя, обеспечивающего изменение фазы выходного сигнала в пределах 0° < φ < 180°, можно использовать парафазный каскад, к выходам которого подключена RC-цепь с регулируемым сопротивлением R. Распределение напряжений в схеме можно показать с помощью векторной диаграммы на полукруге, где uС – напряжение на конденсаторе, uR – напряжение на резисторе, uВЫХ – результирующее напряжение.

Рис. 5.8. Принцип работы простейшего фазовращателя

Изменяя величину сопротивления, можно менять соотношения напряжений uR и uС, а значит, и угол наклона φ результирующего вектора uВЫХ. При этом амплитуда сигнала при регулировке фазы остается постоянной. Однако простейший фазовращатель не обеспечивает изменения фазы во всем диапазоне из-за ограниченного линейного участка АЧХ.

5.1.6. Представление усилителя с ОЭ
в виде двух независимых усилителей: с передаточной проводимостью
и с передаточным сопротивлением

Рассмотрим схему усилителя с коэффициент усиления которого определяется выражением . Левая часть усилителя (без нагрузки) может быть охарактеризована как управляемый источник тока, имеющий крутизну ВАХ , и названа усилителем с передаточной проводимостью, или крутизной, – S. Правая часть схемы усилителя (нагрузка RН) может рассматриваться как усилитель с передаточным сопротивлением, который преобразует ток в напряжение. Такой подход позволяет проектировать левую и правую части схемы отдельно друг от друга.

Рис. 5.9. Представление усилителя с ОЭ в виде двух независимых усилителей:
с передаточной проводимостью и с передаточным сопротивлением

При этом общий коэффициент усиления будет равен . Для данной схемы RН = 10 к, S = 1 мА/В, а КU = S RH = 1 (мА/В) 10 к = 10, что соответствует .