5 сем САУ Л2М1
.docx
Модуль 1. Схемотехника элементов аналоговых электронных устройств
Лекция 2
ПРОСТЕЙШИЕ УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ
Время проведения – 6 часов
1 часть (3 часа)
Учебные вопросы:
-
Анализ усилительных каскадов в малосигнальном режиме методом эквивалентных схем.
-
Каскады на биполярных транзисторах.
-
Способы коррекции АЧХ.
1. Анализ усилительных каскадов в малосигнальном режиме
методом эквивалентных схем
В схемах усилителей токи и напряжения содержат как постоянные, так и переменные составляющие (рис. 1.1):
, ,
, .
Рис. 1.1
Постоянные составляющие и необходимы для того, чтобы обеспечить нужное смещение транзистора. Переменные составляющие и содержат полезную информацию. Эти составляющие необходимо усилить и передать без искажения.
Для упрощения анализа усилителей используют метод наложения, т.е. рассчитывают схему отдельно для переменной и постоянной составляющих. Переменные (сигнальные) составляющие имеют значительно меньшую величину, чем постоянная. Поэтому расчет по переменной составляющей называют анализом в малосигнальном (линейном) режиме. Модели транзистора для малосигнального режима содержат только линейные элементы.
Параметры транзисторных усилителей, характеризующие их работу в малосигнальном режиме, называют малосигнальными параметрами. При воздействии малого сигнала транзистор рассматривают как линейный активный несимметричный четырёхполюсник (рис. 1.2). Этот четырёхполюсник (ЧП) имеет ту особенность, что у него всегда один из выводов является общим для цепей входа и выхода.
Рис. 1.2
В соответствии с теорией ЧП входные и выходные напряжения и токи транзистора однозначно связаны между собой системой из 2-х уравнений, содержащих 4 параметра четырёхполюсника. Существует ряд систем параметров ЧП. Анализ работы транзисторов в малосигнальном режиме обычно проводят на базе систем Y- и H-параметров:
В области низких и средних частот взаимосвязи между сигнальными (переменными) составляющими токов и напряжений в транзисторных усилителях определяются вещественными значениями малосигнальных параметров g и h:
Данные соотношения удобно в целях наглядности представить в виде эквивалентных схем замещения ЧП (рис. 1.3). В этих схемах независимые генераторы тока характеризуют степень управляющего воздействия входного напряжения (обратной связи) на выходной (входной) ток.
а б
Рис. 1.3
Физический смысл g-параметров определяют следующим образом:
– входная проводимость транзистора;
– проводимость обратной связи транзистора;
– крутизна транзистора;
– выходная проводимость транзистора.
Система g-параметров удобна тем, что в ней все малосигнальные параметры имеют размерность проводимости.
Физический смысл h-параметров:
– входное сопротивление транзистора при коротком замыкании (КЗ) на выходе;
– коэффициент обратной связи по напряжению;
– дифференциальный коэффициент передачи по току;
– выходная проводимость транзистора при холостом ходе (ХХ) на входе.
Система h-параметров удобна тем, что требует обеспечения ХХ на входе транзисторного усилителя () и КЗ на выходе (), что легко осуществимо на практике.
Отметим, что g- и h-параметры являются дифференциальными. На высоких частотах между переменными составляющими токов и напряжений появляются фазовые сдвиги, и параметры становятся комплексными (Y, H).
2. Каскады на биполярных транзисторах
2.1. Схема с общим эмиттером
В схеме УК с общим эмиттером (ОЭ) входной сигнал поступает на входы база-эмиттер, а выходной снимается с коллектора (рис. 2.1):
, .
Ток эмиттера примерно равен току коллектора:
, .
Входное сопротивление схемы равно:
,
и обычно составляет единицы кОм.
Рис. 2.1
Выходное сопротивление схемы с ОЭ определяется обратно включенным коллекторным переходом и составляет обычно сотни кОм, поэтому .
КУ схемы по току:
,
где (иногда обозначают ) – коэффициент передачи тока из базы в коллектор.
Так как , то .
КУ по напряжению:
,.
КУ по мощности равен произведению коэффициентов и :
, .
Выводы:
-
схема с ОЭ обеспечивает усиление входного сигнала по току, напряжению и мощности;
-
схема с ОЭ используется в усилителях, генераторах, формирователях сигналов и является самой распространенной.
2.2. Схема с общей базой
В схеме УК с общей базой (ОБ) входной сигнал поступает на эмиттер, а выходной снимается с коллектора (рис. 2.2):
, .
Входным сопротивлением схемы с ОБ является сопротивление открытого эмиттерного p-n-перехода, которое обычно составляет десятки Ом. Входное сопротивление схемы с ОБ значительно меньше, чем в схеме с ОЭ:
.
Рис. 2.2
Выходное сопротивление схемы с ОБ определяется обратно включенным коллекторным переходом и составляет обычно несколько МОм (самое большое из трех видов схем!), И, конечно же .
КУ схемы по току:
,
где – коэффициент передачи тока из эмиттера в коллектор (для схемы с ОБ составляет 0,95…0,99).
КУ по напряжению:
.
Поскольку , то и составляет обычно несколько сотен или тысяч.
КУ по мощности:
.
Выводы:
-
схема с ОБ абсолютно не обеспечивает усиление входного сигнала по току, но обладает максимальным усилением по напряжению;
-
схема с ОБ используется на наиболее высоких частотах, а также при работе на высокоомную нагрузку.
2.3. Схема с общим коллектором
В схеме УК с общим коллектором (ОК) входной сигнал поступает на входы база-коллектор, а выходной снимается с эмиттера (рис. 2.3):
, .
Входное сопротивление схемы с ОК велико (сотни и тысячи кОм) и равно:
.
Рис. 2.3
Выходное сопротивление схемы с ОК составляет десятки Ом, т.е. .
КУ схемы по току:
.
КУ по напряжению:
.
КУ по мощности:
.
Выводы:
-
схему с ОК обычно называют эмиттерным повторителем, т.к. нагрузка включена в цепь эмиттера;
-
схема обеспечивает усиление входного сигнала по току и мощности, но не обеспечивает усиление по напряжению;
-
схема отличается высоким входным и малым выходным сопротивлениями;
-
схема с ОК широко используется в качестве согласующего каскада.
2.4. Представление параметров УК с различными схемами включения через g- и h-параметры
Представление параметров УК с различными схемами включения через g- и h-параметры приведено в табл. 2.1.
Таблица 2.1
Тип схемы |
gвх |
gвых |
KU |
KI |
ОЭ |
|
|
|
|
ОК |
|
|
|
|
ОБ |
|
|
|
|
3. Способы коррекции АЧХ
Нередко АЧХ УК требуется расширить либо в сторону ВЧ, либо в сторону НЧ, либо в обе стороны. Изменение АЧХ (а следовательно и ПХ) УК называют коррекцией. УК с коррекцией, усиливающие сигналы с очень широкой полосой частот (), называют широкополосными каскадами. Широкополосные каскады применяют как для усиления непрерывных широкополосных сигналов, так и для усиления импульсных сигналов с малым временем установления и большим диапазоном длительности импульсов.
Изменение АЧХ каскада в области низких частот, а следовательно, и его ПХ в области больших времен, называют НЧ коррекцией.
Изменение АЧХ каскада в области верхних частот, а следовательно, и его ПХ в области малых времен, называют ВЧ коррекцией.
3.1. Низкочастотная коррекция АЧХ
Простым и наиболее часто применяемым способом НЧ коррекции для УК является включение цепи RфCф в выходную (коллекторную для БПТ) цепь усилительного элемента (рис. 3.1, а). Эта цепь также сглаживает пульсации и выполняет роль развязывающего НЧ фильтра, уменьшающего связь между каскадами по переменному току через общий источник питания.
а б
Рис. 3.1
Емкость Сф на средних и верхних частотах имеет очень малое сопротивление по сравнению с Rк. На низких частотах (рис. 3.1, б) сопротивление емкости Сф становится значительным, и сопротивление коллекторной нагрузки транзистора возрастает, что компенсирует снижение усиления каскада от влияния Ср2. На очень низких частотах, где сопротивление емкости Сф много больше Rф, нагрузкой транзистора является Rк + Rф. Это сильно поднимает усиление каскада на низких частотах, тем самым расширяя его полосу пропускания в сторону НЧ при неизменной емкости Ср2. В реальных схемах рекомендуется брать Rф = (1…2) Rк.
Емкость Сф должна оказывать как можно малое сопротивление переменному току на СЧ и ВЧ и иметь строго определенное оптимальное значение Сф opt. В противном случае АЧХ может иметь недопустимо большую неравномерность (кривая 1 на рис. 3.1, б) или потенциальные свойства коррекции будут недоиспользованы (кривая 2 на рис. 3.1, б).
3.2. Высокочастотная коррекция АЧХ
Наиболее распространенным видом ВЧ коррекции в УК на БПТ является эмиттерная коррекция, образованная параллельным соединением элементов Скор и Rкор в цепи эмиттера (рис. 3.2, а).
а б
Рис. 3.2
Для осуществления ВЧ коррекции емкость Скор выбирают такой, что на НЧ и СЧ последовательная ООС по току (образованная Rкор) сохраняется, а на ВЧ – уменьшается (рис. 3.2, б). Это приводит к увеличению КУ в области ВЧ и увеличению fв до значения fв кор.
Литература:
-
Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. – М: Додека-XXI, 2005.
-
Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника. – М: Горячая Линия Телеком, 2007.
-
Павлов В.Н., Ногин И.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств. – М: Горячая Линия Телеком, 2001.
Разработал: доцент кафедры РЛ1 Чепурнов И.А.