7.1.3. Усилительный каскад со сложением входных напряжений.

Схема, непосредственно реализующая аналоговый режим работы путем сложения входных напряжений, приведена на Рис.7.5.

Рис.7.5. Схема со сложением входных напряжений.

Сразу можно отметить, что данная схема не имеет никакого практического применения, а только демонстрационное.

Существенные недостатки схемы:

• необходимость дополнительного источника напряжения,

• отсутствие у одного из входных источников электрической связи с общим выводом ("землей"), имеющим потенциал 0В.

• при соблюдении условия наибольшего размаха возникают проблемы с получением больших коэффициентов усиления.

Действительно, как нетрудно показать, коэффициент усиления по напряжению в данной схеме

(7.15)

Если установить соотношения между R_Б и R_K такие, что U_КП≈0.5Е_К, то получим

(7.16)

Для получения больших значений нужно устанавливать значение достаточно близко к значению . C учетом условности самого значения 0.7В и сильной зависимости от температуры работа такого усилителя будет крайне нестабильной.

7.2. Схема с фиксированным током базы.

7.2.1. Режим постоянного тока.

Схема, приведенная на Рис.7.6, гораздо ближе к реальной, хотя имеет очень ограниченное, в основном, учебное применение. В качестве источника смещения используется напряжение питания Е_К.

Рис.7.6. Схема с фиксированным током базы.

Ток базы покоя в этой схеме

(7.17)

Значение Е_К для усилителей обычно выбирают из стандартного ряда 6В, 9В, 12В, 15В и т.д. Начиная с Е_К = 9В, значение U_БЭ ≈ 0.7В составляет менее 10% от Е_К, и в дальнейшем будем этим значением пренебрегать.

Ток базы покоя определяется только параметрами схемы – отсюда ее название.

Ток покоя коллектора

(7.18)

Напряжение покоя коллектора

(7.19)

Совокупность значений U_КП и I_КП образует рабочую точку усилителя, выбор которой – одна из основных задач при разработке усилителя. Соотношение между R_Б и R_K для получения наибольшего размаха на выходе

(7.20)

Внимание!!!

Условие (7.11) не является обязательным условием правильной работы усилителя. Его соблюдение просто обеспечивает максимально возможный размах выходного сигнала и принимается в качестве первого приближения.

7.2.2. Режим усиления сигнала.

Схема усилителя с подключенным генератором входного сигнала приведена на Рис.7.4. В ней появились два новых элемента – конденсаторы С_Р1 и С_Р2, т.н. разделительные конденсаторы.

Рис.7.7 Усилитель переменного напряжения.

Идеальный источник напряжения имеет нулевое внутреннее сопротивление, хороший реальный источник напряжения – малое внутреннее сопротивление. Конденсатор С_Р1 не позволяет источнику сигнала шунтировать точку Б по постоянному току. Наличие С_Р1 на входе этой схемы является обязательным. Конденсатор С_Р2 пропускает на выход только переменную составляющую, которая является полезным сигналом. При отсутствии этого конденсатора сам усилительный каскад будет работать нормально, но в последующих устройствах могут возникать нежелательные явления из-за прохождения постоянной составляющей.

Почему в данной схеме источник входного сигнала носит отдельное название , а не ?

Для того, чтобы сохранить корректным значение (7.15) для , необходимо, чтобы в качестве выступало напряжение, которое усиливается транзистором.

В данной схеме, в силу идеальности источника сигнала, значение будет совпадать с значением отдельно взятого . В реальных условиях всегда имеет место (см. пп.7.3.1).

Напряжение , поступающее непосредственно на вход усилителя, при подключении источника сигнала , всегда меньше, чем напряжение отдельно взятого источника , измеренного вольтметром.

В точке Б можно рассматривать только суммирование токов. Общий входной ток, он же ток базы создает в выходной цепи ток коллектора

(7.21)

Напряжение на коллекторе

(7.22)

Выражение в скобках является постоянной составляющей, которая не пропускается конденсатором С_Р2. Выходное напряжение усилителя

(7.23)

Знак " – " означает, что фазы входного и выходного сигналов противоположны.

Для определения коэффициента усиления по напряжению необходимо получить выражение для входного напряжения. Как уже ранее указывалось, при последовательном соединении электронных устройств

"каждое последующее устройство воспринимается предыдущим, как некоторое эквивалентное сопротивление и эквивалентная емкость".

Для источника сигнала транзистор представляется своим входным сопротивлением R_BX – Рис.7.8а. Входная емкость очень мала и учитывается только при анализе частотных свойств усилителя. Входное переменное напряжение

(7.24)

Названия относятся к одному и тому же току. Для источника это , для транзистора - , а для усилителя в целом - . Для определения сопротивления можно взять эффективные/амплитудные значения, которые обозначим просто , .

Рис.7.8. К определению входного сопротивления по переменному току.

На Рис.7.8б приведена эквивалентная схема входной цепи транзистора для переменных составляющих. Поскольку pn-переход Б-Э уже открыт постоянным напряжением, то в выражение для переменного тока значение U_БЭ ≈ 0.7В не входит.

(7.25)

Учитывая, что h_21Э >> 1, можно пренебречь единицей в скобках. В современных транзисторах значение сопротивления базы r_Б лежит в пределах (10 ÷ 20)Ом, т.е. слагаемым также можно пренебречь и принять

(7.26)

Входное сопротивление из (7.24) и (7.26)

(7.27)

Коэффициент усиления по напряжению

(7.28)

Выражение (7.17) не может быть основой для прикладных расчетов, т.к. в нем присутствует неочевидная величина r_Э. Само значение r_Э может быть определено из уравнение для pn-перехода Б-Э как

(7.29)

Приняв условия малого сигнала, т.е. изменения под влиянием входного сигнала , а также, что в любом случае получим

(7.30)

Окончательное выражение для коэффициента усиления по напряжению

(7.31)

Очень интересный результат!!! Получилось, что задавая режим по постоянному току, тем самым определяется коэффициент усиления переменного напряжения. Еще более интересные выводы получаются при включении в рассмотрение условия (7.11). Из него следует, что для получения максимального размаха выходного сигнала нужно выбирать . Это приводит к выражению

(7.32)

Выбор условия максимального размаха выходного сигнала при заданном значении напряжения питания определяет значение коэффициента усиления по напряжению независимо от параметров остальных элементов схемы.

Индекс "0", добавленный к , указывает на то, что это значение имеет место в идеальных условиях. В частности, источник сигнала не имеет внутреннего сопротивления, что приводит к условию