Андреевская Т.М. Полный курс основы аналоговой схемотехники

Подождите немного. Документ загружается.

как:

которое является уравнением прямой линии и на графике(рис.1.13) отображает так называемую линию

нагрузки усилительного каскада. Из рис.1.13 можно увидеть, что при максимальном входном сигнале

собственное сопротивление УЭ становится близким к нулю и ток ограничивается только величиной резистора

R, а при отсутствии входного сигнала сопротивление R стремится к бесконечности и выходное напряжение

становится близким напряжению источника питания.

Рисунок 1.13 - Линия нагрузки каскада

При подаче на вход УЭ постоянного сигнала Uвхп по цепи "R-УЭ-Еп" будет протекать постоянный

ток, который, за счет падения напряжения на сопротивлении R приведет к появлению на выходе

постоянного напряжения Uвыхп (рис.1.13). Значения Uвхп, Iвыхп, Uвыхп определяют так

называемый режим покоя или рабочую точку каскада, т.е. состояние схемы при отсутствии

переменного сигнала на входе. Переменный сигнал на входе( например синусоидальный рис.1.12б)

вызывает изменение сопротивления УЭ, а значит и тока , потребляемого от источника питания.

Процесс усиления основывается на преобразовании энергии от источника питания Еп постоянного

напряжения в энергию переменного тока в выходной цепи за счет изменения сопротивления УЭ по

закону, задаваемому входным сигналом. Для исключения нелинейных искажений сигнала должен

быть задан режим покоя или "рабочая точка " каскада, при котором Uп >/= Uвыхm и Iп >/= Im. При

работе в выходном токе создается переменная составляющая, вследствие чего образуется переменная

составляющая выходного напряжения.

Учитывая сказанное, в дальнейшем проводится анализ работы транзисторных каскадов

усиления , включенных по схеме с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и с общим

коллектором(ОК) ( эмиттерным повторителем). Название каскада определяется в зависимости от

того, какой электрод транзистора является общим по переменному току для входной и выходной

цепи.

5.4 Статический режим работы транзисторного каскада с общим

эмиттером (ОЭ)

Основным требованием выбора статического режима каскада является правильный выбор

положения рабочей точки , которая обеспечивает передачу переменного сигнала со входа на выход с

минимальными искажениями. В качестве примера рассмотрим простейший транзисторный каскад с

общим эмиттером (ОЭ), приведенный на рис. 1.14.

Рисунок 1.14 - Транзисторный каскад с общим эмиттером

Разделительные конденсаторы Ср1 и Ср2 установлены в схеме для исключения влияния на режим покоя

сопротивления источника сигнала Rг и сопротивления нагрузки Rн. Как показано на рис.1.13 рабочая точка

(П) должна находиться примерно посередине линии нагрузки по постоянному току. Причем при перемещении

рабочей точки по линии нагрузки после подачи переменного сигнала она не должна заходить в области

отсечки и насыщения, т.к. это приведет к существенным нелинейным искажениям сигнала. Кроме того,

рабочая точка не должна заходить в области допустимых значений тока и напряжения коллектора. Потенциал

покоя коллектора транзистора зависит от сопротивления Rк и изменяется в соответствии с уравнением линии

нагрузки по постоянному току (рис. 1.15а)

В зависимости от требуемых или допустимых значений Uкm выбирается Uкп таким образом, чтобы весь

ожидаемый переменный сигнал находился в линейной зоне усиления, т.е:

где – падение напряжение на коллекторно-эмиттерном переходе транзистора в режиме насыщения;

максимальный обратный ток коллекторного перехода в схеме с общим эмиттером. Режим покоя в

схеме задается на входных характеристиках (Рис.1.17б) током базы транзистора I

БП

, величина которого при

известном коэффициенте усиления транзистора по току определяется как:

Ток базы в схеме рис.1.14 задается сопротивлением Rб, величина которого определяется как:

, т.к.

Рисунок 1.15 – Вольт-амперные и нагрузочные характеристики каскада ОЭ

Обычно для анализа особенностей прохождения через каскад переменного сигнала на вольт-амперных

характеристиках строится линия нагрузки по переменному току (рис. 1.15а). Она имеет больший наклон, чем

линия нагрузки по постоянному току, так как ее ход определяется параллельно включенными резисторами R

и R

. При выборе режима работы транзисторного каскада необходимо учитывать, что на коллекторном

переходе выделяется мощность, величина которой может быть найдена как:

Эта величина не должна превышать значения допустимой мощности, приводимой в справочных

данных для используемого транзистора, поэтому при выборе режима работы каскада линия нагрузки не

должна пересекать линию допустимой мощности (рис. 1.15а).

5.5 Расчет усилителя по постоянному току.

Режим работы усилителя по постоянному току определяется элементами E

, R

и параметрами

транзистора VT.

Критерии выбора транзистора следующие:

– по значению граничной частоты усиления;

– по предельно-допустимым параметрам U

КЭдоп

, P

Рас.доп

, I

Кmax

При проектировании усилителя задаются U

Выхmax

, R

. Исходя из этого: E

>2U

Выхmax

;

Вых



;

Вых

Rк



; с учетом того, что R



(35)R

, получим

 

КтR

Кт

53

отсюда следует, что I

Кmax

5I

Нmax

. Граничная частота усиления транзистора должна быть в 35 раз

выше верхней граничной частоты усиливаемого сигнала f

. Выбор транзистора производят по

значениям параметров I

Кmax

, U

КЭmax

, P

Рас.доп

, и f

гр

Режим работы усилителя по постоянному току описывается системами уравнений.











).,(

;

БККЭ

КЭККК

IIU

URIE

)6.2(

)5.2(











).,(

;

КЭ

БЭ

)8.2(

)7.2(

По выходным характеристикам транзистора, с учетом ограничений (см. рис. 2.7), выбирают

положение нагрузочной линии по постоянному току. Е

рекомендуют брать порядка (0.8–0.9)U

Кэmax

Нагрузочную линию строят по двум точкам (Х.Х. и К.З.).

Iбп

Iк

IКП

Iб1

Iб3

P рас

ДОП

UКЭ

UКЭП

ЕК

IКЗ

UКЭ

m ax

Iк

m ax

Iб2

Рисунок 2.7 — Выходные ВАХ транзистора с ОЭ и

предельно-допустимые параметры

Из уравнения (2.5):

Х.Х. I

=0; U

КЭ

=Е

, (точка 1);

К.З. U

КЭ

=0;

КЗ

I 

(точка 2).

При работе усилителя в режиме малых сигналов рабочую точку целесообразно располагать в

середине рабочей области характеристик (точка "О"). Она определяется 3

мя

координатами I

Кп

, U

КЭп

Бп

. Этой точке соответствует точка "О" на входных характеристиках транзистора (см. рис. 2.8),

определяемая координатами I

Бп

, U

КЭп

. Для расчета величины резистора R

(по уравнениям (2.7) и

(2.8)) установим величину напряжения U

БЭп

по рис. 2.8. Поскольку величина этого напряжения

порядка (0.40.7) В, то проводить нагрузочную линию по уравнению (2.7) неудобно, т.к. напряжение

порядка (1020) В. Записав уравнения (2.7) для точки "О", рассчитаем требуемое значение

резистора R

ПП

БЭК

ББББЭК

RRIUE



 ;

Для маломощных транзисторов значения сопротивлений R

и R

составляют ориентировочно

единицы и десятки кОм соответственно.

IБ

IБП

UКЭ=0

UБЭUБ ЭП

UКЭ

UКЭ= -5

Рисунок 2.8 — Входные ВАХ транзистора с ОЭ

5.6 Динамический режим работы каскада с общим эмиттером

Характеристики каскада с общим эмиттером при усилении переменного синусоидального сигнала

рассмотрим на примере схемы рис.1.21. Разделительные конденсаторы С

р1

и С

р2

установлены, чтобы

исключить влияние нагрузки и источника сигнала на режим работы каскада по постоянному току,

причем величина емкостей такова, что в диапазоне средних частот Х

Ср1

= Х

Ср2

= Х

Сэ

0. При анализе

схемы принимаем, что внутреннее сопротивление источника питания равно нулю. Тогда каскад с

общим эмиттером (ОЭ) рис.1.21 при усилении переменного сигнала можно представить в виде

эквивалентной схемы замещения рис. 1.22.

Рисунок 1.21 - Каскад с общим эмиттером

Сопротивления R

и R

по переменному току включены параллельно между базой и

эмиттером ( R

|| R

), т.к. резистор R

соединяется с выводом эмиттера через источник питания , а R

и R

включены параллельно между коллектором и эмиттером транзистора. В схеме рис. 1.22

резисторы r

, r

и r

К(Э)

представляют собой дифференциальные сопротивления базы, эмиттерного и

коллекторного переходов соответственно, I

– эквивалентный источник тока, а CК(Э) - емкость

коллекторного перехода.

Рисунок 1.22 - Эквивалентная схема замещения каскада с общим эмиттером

Входное сопротивление каскада ОЭ определяется параллельно включенными делителем в цепи базы

и входным сопротивлением транзистора:

ВХ

= R

|| R

|| r

вх

Если не учитывать шунтирующего действия коллекторной цепи (т.к.r

>> r

), то для входной цепи

можно записать:

бэ

= I

+ I

С учетом того, что Iэ = ( + 1)I

бэ

= I

[ r

+ ( + 1) r

]

а разделив левую и правую часть уравнения на I

получим входное сопротивление транзистора:

С учетом реальных справочных значений r

, r

и , а также принимая во внимание, что в реальных

схемах обычно выбирают R

|| R

>/= (2 - 5) r

вх

, значение входного сопротивления каскада ОЭ не

превышает 1 - 3 кОм. Коэффициент усиления каскада по току определяется как:

Из эквивалентной схемы замещения:

вх

= I

вх

откуда:

Ток нагрузки может быть найден путем анализа выходной цепи эквивалентной схемы рис. 1.22. Так

как сопротивление rЭ весьма мало по сравнению с сопротивлениями элементов выходной цепи,

можно записать:

= I

( r

к(э)

|| R

)

Подставляя в выражение для коэффициента усиления по току значения входного тока и тока

нагрузки, с учетом того, что r

К(Э)

>> R

|| R

, находим:

Таким образом, коэффициент усиления по току каскада с общим эмиттером пропорционален

коэффициенту транзистора, зависит от шунтирующего действия входного делителя и величины

сопротивлений R

, R

. Для ориентировочной оценки К

можно принять R

ВХ

, тогда

коэффициент усиления по току:

т.е. он довольно велик и стремится в пределе к коэффициенту усиления транзистора  при R

|| R

Коэффициент усиления по напряжению схемы ОЭ:

Подставив в полученное выражение значение коэффициента усиления по току, получим:

Коэффициент усиления каскада по напряжению тем больше, чем выше коэффициент транзистора и

сопротивление выходной цепи по сравнению с сопротивлением входной цепи. В частности,

коэффициент усиления по напряжению возрастает с уменьшением внутреннего сопротивления

источника сигнала.

Выходное сопротивление каскада относительно выходных зажимов определяется как:

ВЫХ

= R

|| r

К(Э)

Поскольку r

К(Э)

>> R

, выходное сопротивление каскада ОЭ определяется только величиной R

Следует отметить также, что усилительный каскад ОЭ осуществляет поворот по фазе выходного

напряжения относительно входного на 180

Назначение элементов в схеме с ОЭ:

вх

, C

вых

– для выделения переменной составляющей входного и выходного

сигналов;

– блокирующий конденсатор (по переменному току данный конденсатор

делает однопотенциальными точки 1 и 2 т.е. по переменному току эмиттер

является общим для входа выхода схемы);

VT1 – предназначен для усиления сигнала по мощности (усиление происходит

за счѐт источника энергии E

);

R1, R2 – делитель – предназначен для задания тока базы I

по постоянному току

б0

;

, R

– определяют наклон нагрузочной прямой по постоянному току (R

определяет допустимый диапазон изменения напряжения, R

предназначен

для термостабилизации рабочей точки по постоянному току.

При расчѐте каскада по постоянному току в зависимости от требований нагрузки и

источника входного сигнала рассчитываются номиналы резисторов R1,R2,R3,R4. Далее

выбирается тип транзистора и положение рабочей точки по постоянному току. Затем все

элементы R1,R2,R3,R4 выбираются по ГОСТ из существующего ряда резисторов и расчѐты

уточняются.

5.7 Расчет усилителя по переменному току.