3. Каскады предварительного усиления

3.1. Особенности каскадов предварительного усиления

Назначение каскадов предварительного усиления (КПУ) – повышение уровня входного сигнала до значения, при котором обеспечивается нормальное возбуждение мощного выходного каскада. Поэтому основным параметром КПУ является коэффициент усиления, а такие параметры как КПД, выходная мощность и нелинейные искажения не являются определяющими.

Основной режим работы КПУ – режим А.

Так как КПУ работают с низкими уровнями сигналов, то их можно считать линейными устройствами и для их анализа использовать соответствующие методы (разд. 3 в [1]): узловых потенциалов; четырехполюсника; операторный и др.

Усилители гармонических сигналов (разд. 1 в [1]) работают в установившемся (стационарном) режиме. Целью анализа этих усилителей является нахождение уравнений АЧХ и ФЧХ, которые позволяют предъявить требования к элементам КПУ, исходя из допустимого уровня частотных и фазовых искажений и необходимого коэффициента усиления.

В импульсных усилителях основным методом анализа является операторный метод (разд. 3.3 в [1]). Его цель – получение уравнения переходной характеристики и на основании этого уравнения – предъявление требований к элементам усилителя, исходя из допустимого уровня переходных искажений.

В усилителях на БТ в основном используется схема включения ОЭ, так как она обеспечивает усиление как по току, так и по напряжению. От нее можно получить максимальное усиление мощности. Схема ОК применяется либо в выходных каскадах, работающих на низкоомную нагрузку (кабель, громкоговоритель, большая емкость) или на входе усилительного устройства, при работе от высокоомного источника сигнала. Если же источник сигнала имеет низкое сопротивление, то в качестве входного каскада имеет смысл применить схему с ОБ. Аналогичные замечания можно сделать и об областях применения ПТ, заменяя ОЭ на ОИ, ОК на ОС и ОБ на ОЗ.

В КПУ используются как усилители постоянного (УПТ), так и переменного тока. УПТ более универсальны, и имеют лучшую форму АЧХ и ФЧХ в области низких частот и ПХ в области больших времен. Однако отсутствие гальванической (по постоянному току) развязок между каскадами усложняет настройку такого усилителя и может привести к появлению значительного дрейфа (разд. 2.8 в [1]) выходного напряжения (тока).

3.2. Резисторный каскад на биполярном транзисторе

3.2.1. Принципиальная и эквивалентная схемы

Достоинством резисторного каскада кроме простоты и малых размеров, является способность создавать равномерное усиление в широкой полосе частот и нечувствительность к воздействию переменных магнитных помех.

На рис. 3.1 приведена схема резисторного каскада для самого распространенного варианта: схема включения с ОЭ и эмиттерная стабилизация рабочей точки. Штриховыми линиями изображены эквивалентные схемы источника сигнала и нагрузки.

Н азначение элементов задания и стабилизации режима работы R_Б1, R_Б2, R_Э и C_Э рассматривалось в разд. 2.6. Конденсаторы C_Р1 и C_Р2 осуществляют развязку каскадов по постоянному току, они исключают передачу от одного каскада к другому медленных изменений напряжений, обусловленных нестабильностью режима. Наличие развязки позволяет осуществить питание каскадов от одного источника с предельно низким напряжением.

Д ля определения качественных показателей каскада, т.е. для нахождения коэффициента усиления, уравнений АЧХ, ФЧХ и ПХ необходимо составить его эквивалентную схему для малого переменного сигнала (рис. 3.2). При составлении этой схемы было сделано допущение о малости сопротивления источника питания переменному току. УЭ заменен линейным активным трехполюсником, свойства которого описываются у- матрицей (разд. 4.1.3 в [1]).

Э лементы R_Н, С_Н имитируют входное сопротивление следующего каскада. Качественные показатели каскада оцениваются передаточной функцией: , поэтому в эквивалентную схему не вошли элементы R_Б1, R_Б2, С_Р1, R_Г, которые не влияют на эту функцию (напряжение U₁ приложено непосредственно к базовому выводу УЭ). Анализ схемы на рис. 3.2 вызывает серьезные затруднения в виду её сложности. Поэтому, как правило, работают с частными эквивалентными схемами, которые справедливы для определенных областей частот (рис. 3.3).

Естественно, что анализ таких частотных схем, позволяет получить расчетные соотношения, которые справедливы только для конкретного диапазона частот.

В области средних частот выходное напряжение, а значит и коэффициент передачи не зависит от частоты, т.е. эквивалентная схема не должна содержать реактивные элементы (рис. 3.3, а). С понижением частоты возрастают сопротивления конденсаторов С_Р и С_Э и ( и ).

Возрастания сопротивления вызывает увеличение глубины ООС (последовательной по току) за счет конечного сопротивления переменному току в цепи эмиттера и уменьшение выходного напряжения.

К уменьшению этого напряжения приводит и возрастание сопротивления , т.к. все большая часть полезного сигнала будет выделяться на этом сопротивлении.

Эквивалентная схема для нижних частот (больших времен) приведена на рис.3.3,б.

В

U₁

области верхних частот (малых времен) на форму АЧХ и ПХ оказывают влияние частотные (инерционные) свойства УЭ и ёмкость нагрузки С_Н (рис.3.3, в).

U₁