Осипов Базовые каскады електронных шем. Учебное пособие 2009

Так как ток затвора мал ( Iз << Iс , Iи ), то можно считать, что Uзи = − Iс Rи . На рис. 1.5,б показана стоко-затворная характери-

стика и нагрузочная прямая. Их пересечение определяет рабочую точку полевого транзистора. Такое смещение, по существу, определяемое одним лишь резистором Rи , называется автоматиче-

ским. Напряжение на стоке будет определяться уравнением: Uси =Uип −Rс Iс . С увеличением входного напряжения растет ток

стока, а напряжение Uси уменьшается. Блокирующий конденсатор Си поддерживает потенциал истока почти постоянным. Поэтому

напряжение на стоке и, соответственно, на нагрузке убывает. Таким образом, каскад ОИ изменяет фазу входного сигнала на 180°. Этот каскад может служить для усиления напряжения, тока, мощности.

На рис. 1.6 показана схема с

общим стоком (ОС) — истоковый повторитель. Сопротив-

ления Rз и Rи1 обеспечивают автоматическое смещение. Резистор Rи2 предназначен для уве-

личения коэффициента передачи каскада, который меньше единицы. Конденсаторы С1 и С2 являются разделительными. Истоковый повторитель не изменя-

ет фазы входного сигнала, он Рис. 1.6 усиливает мощность и ток. По-

вторитель обладает большим входным и малым выходным сопротивлениями. Поэтому он используется во входных и выходных цепях многокаскадных усилителей.

1.2. Общие характеристики линейных усилителей

Усилитель можно рассматривать как активный четырехполюсник, а источник сигнала и нагрузку как двухполюсники. Источник сигнала можно представить либо в виде генератора ЭДС Uг с внут-

11

ренним сопротивлением Rг (рис. 1.7,а), либо в виде генератора тока Iг также с внутренним сопротивлением Rг (рис. 1.7,б). Если обе эквивалентные схемы характеризуют один и тот же источник сигнала, то Uг = Iг Rг .

а)

б)

Рис. 1.7

Основными характеристиками любого электронного усилителя являются следующие.

Коэффициент усиления по напряжению Ku = UUнг , где Uн —

напряжение на нагрузке; Uг — напряжение холостого хода источника сигнала. В справочниках указывается модуль этого коэффициента Ku = Ku .

	Ki =	I
Коэффициент усиления по току		н	— отношение тока
		Iг

нагрузки Iн к току короткого замыкания источника сигнала Iг .

Величины Ku и Ki являются в общем случае комплексными.

Входной сигнал усилителя управляет передачей энергии от источника питания в цепь нагрузки. Без источника питания сигнал не может быть усилен. Все усилители предназначены для управления мощной нагрузкой маломощным источником сигнала.

Коэффициент усиления по мощности K p = Pн — отношение

Pг

мощности отдаваемой в нагрузку Pн = (Uн Iн) к мощности, расходуемой источником сигнала Pг = (Uг Iвх). Величины Pн и Pг пред-

12

ставляют собой скалярные произведения. Коэффициенты Ku , Ki и K p характеризуют систему: источник сигнала—усилитель—

нагрузка. Поэтому они зависят не только от параметров самого усилителя, но и от величины сопротивления Rн , нагрузки, сопро-

тивления источника сигнала Rг .				Характеристики собственно уси-
лителя получаются, если для K				u	положить	R = 0,	R = ∞ или
для K						г	н
	i	R = ∞,	R = 0.
		г	н

Входной импеданс (комплексное входное сопротивление) уси-

лителя Zвх =	U	вх	— отношение напряжения на входных зажимах
	Iвх

усилителя Uвх ко входному току Iвх .

Выходной импеданс (комплексное выходное сопротивление)

U
усилителя Zвых =	хх	— отношение напряжения при холостом
	Iкз
ходе Uхх к выходному току при коротком замыкании Iкз.
На практике часто		Zвх и Zвых не зависят от частоты. В этом

случае усилитель характеризуется входным и выходным сопротив-

лениями: Rвх = Uвх и Rвых = Uхх .

Iвх Iкз

Точность воспроизведения формы сигналов при усилении

определяется уровнем искажений, вносимых усилителем. Различают линейные и нелинейные искажения. Линейные искажения обусловлены наличием реактивных элементов в схеме (емкостей, индуктивностей) и зависят от скорости изменения сигнала во времени (частоты) и не зависят от уровня (амплитуды) входного сигнала. Нелинейные искажения обусловлены наличием нелинейных элементов в схеме (диодов, транзисторов) и зависят от уровня входного сигнала — увеличиваются с его увеличением.

Линейные искажения описываются следующими характеристиками.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) — это зависи-

мость от частоты модуля коэффициента усиления (рис. 1.8). Для краткой характеристики частотных искажений вводится понятие

13

нижней fн и верхней fв граничных частот. Это частоты, при кото-

	рых модули Ku ,				Ki уменьшаются до значения	Ku	и	Ki	, а для
						2		2
			K p
	K p — до			от своих номинальных значений Ku ,			Ki ,	K p . Вели-
		2
					называют полосой пропускания усилителя. Раз-
	чину f	= fв − fн
	личают	область			низших частот f < fн ,	средних			частот

fн < f < fв и высших частот f > fв . Область средних частот характеризуется малыми линейными искажениями ( Ku , Ki , K p сла-

бо зависят от частоты).

По виду АЧХ можно классифицировать усилители: если fн = 0,

Рис. 1.8

то усилитель называется усилителем постоянного тока (УПТ).

К УПТ относятся операционные и дифференциальные усилители; если fв − fн << 0,5 ( fн + fв), то усилитель является избиратель-

ным. Если fв >> fн , то усилитель называется широкополосным.

Фазочастотная характеристика (ФЧХ) — это зависимость от частоты фазы коэффициента усиления. Она характеризует зависимость фазового сдвига между входным и выходным сигналами усилителя от частоты. Пример ФЧХ показан на рис. 1.9. АЧХ и ФЧХ полностью описывают поведение усилителя при подаче на его вход гармонического сигнала.

14

Рис. 1.9

При анализе широкополосных и многокаскадных усилителей, их устойчивости, а также в ряде других случаев удобны логарифмические характеристики (ЛАХ). Логарифмическая АЧХ строится в логарифмическом масштабе по обеим осям. ФЧХ строится в линейном масштабе по оси ординат и в логарифмическом — по оси абсцисс.

Рис. 1.10

Переходная характеристика (ПХ) — это графическое изобра-

жение реакции усилителя (выходного напряжения во времени) на идеальный перепад (ступеньку) напряжения или тока. Аналитиче-

15

скую запись этой реакции называют переходной функцией. ПХ удобно пользоваться для характеристики искажений, возникающих при передаче импульсных сигналов. На рис. 1.10 дан пример ПХ, которая имеет следующие параметры:

• номинальная амплитуда Uном = Ku Uвх , где Ku выбирается для средних частот;

• время задержки tз — время, прошедшее от момента подачи

входного сигнала до момента достижения выходным сигналом определенного уровня от установившегося номинального значения.

Обычно для линейных схем это 0,1Uвых. ном ;

• время нарастания фронта (длительность фронта) — время, в течение которого выходной импульс нарастает от уровня a1 Uном

до уровня a2 Uном (наиболее часто a1 = 0,1; a2 = 0,9 ) установивше-

гося значения.

Задержка и фронт характеризуют искажения при резких изменениях амплитуды сигнала — в области малых времен. При медленном изменении сигнала — в области больших времен, искажения определяются относительным спадом плоской вершины импульса

δ =	Uвых = Uном −Uвых(tи) ,
	Uном	Uном

где tи — длительность входного импульса. После завершения

входного импульса образуется срез. Его также характеризуют длительностью. В линейных схемах длительности фронта и среза одинаковы. Переходная характеристика определяет наибольшие линейные искажения, вносимые усилителем при передаче импульсных сигналов.

Связь частотных и импульсных линейных искажений. Частот-

ные и переходные характеристики описывают искажения для разных форм входного сигнала.

Малые искажения фронтов импульса означают хорошее воспроизведение высоких частот; малые искажения вершины импульса означают хорошее воспроизведение низких частот. В первом приближении можно считать, что время нарастания фронта обратно пропорционально верхней граничной частоте, а спад пропорционален нижней граничной частоте. В частности, УПТ, у которых

16

fн = 0, передают плоскую часть вершины импульса без искажений, т.е. без спада.

Для идеального усилителя коэффициент усиления Ku должен

быть постоянным на средних частотах.

Фазочастотные искажения отсутствуют, если постоянен временной сдвиг t0 между гармониками входного и выходного сигналов (рис. 1.11,а). Поэтому идеальная ФЧХ линейна (рис. 1.11,б).

а)

б)

Рис. 1.11

Нелинейные искажения характеризуют следующим образом.

Амплитудная характеристика — зависимость выходного на-

пряжения (тока) от входного напряжения (тока), измеренная на одной из средних частот (рис. 1.12,а). Максимальный сигнал, переда-

ваемый без существенных искажений Uвх. макс или Uвых. макс определяет так называемый динамический диапазон усилителя. На рис. 1.12,б показана стокозатворная характеристика МОП транзистора (с индуцированным каналом n типа) и искажения сигнала при разных уровнях входного напряжения переменного тока на затворе. В первом случае (1) сигнал прикладывается в линейной области — форма выходного сигнала повторяет форму входного. Во втором случае (2) — сигнал большой величины, транзистор попадает в осечку. В результате происходит искажение формы выходного сигнала.

17

а)

б)

Рис. 1.12

Количественной мерой нелинейных искажений является коэф-

фициент нелинейных искажений

	∞		∞		∞
	∑ Pn		∑Un2		∑ In2
Kн. и =	n =2	=	n =2	=	n =2	,
	P1		U1
					I1

где индексами отмечены токи, напряжения, мощности соответствующих гармоник выходного сигнала.

В результате нелинейных искажений появляются дополнительные гармоники и изменяются соотношения между амплитудами гармоник.

Минимум нелинейных искажений является свойством линейных усилителей.

Нагрузочная характеристика усилителя — это зависимость выходного напряжения усилителя от тока нагрузки. По отношению к нагрузке усилитель можно представить в виде источника ЭДС Uхх (напряжение холостого хода) с выходным сопротивле-

нием Rвых (рис. 1.13,а). Легко видеть, что Uн =Uхх − Iн Rвых (рис. 1.13,б). Причиной уменьшения выходного напряжения является падение напряжения на выходном сопротивлении усилителя.

18

Наклон этой характеристики равен Rвых = − Uн . В идеальном

Iн

случае наклон равен нулю. Поэтому желательно, чтобы усилитель имел минимальное выходное сопротивление. При усилении тока, наоборот, требуется усилитель с максимально высоким выходным сопротивлением.

а)

б)

Рис. 1.13

Легко также показать, что при усилении напряжения входное сопротивление усилителя должно быть максимальным, а при усилении тока — минимальным.

1.3.Режимы усилительного каскада

Вусилительном каскаде рабочую точку выбирают на основании статических характеристик транзисторов. Положение рабочей точки (совокупность напряжений и токов в отсутствие входных сигналов) устанавливается соответствующим выбором напряжений источников питания и сопротивлений резисторов в цепях питания усилительных элементов. Рассмотрим подробнее режим по постоянному току на примере каскада ОЭ (см. рис. 1.3).

Резисторы R1 и R2, а также Rэ задают начальный ток в транзисторе. Резистор Rк предназначен для преобразования коллектор-

ного тока в напряжение на выходе схемы. Конденсаторы С1 и С2 осуществляют гальваническую развязку цепей источника сигнала от усилителя и усилителя от нагрузки, т.е. они не пропускают сиг-

19

налы с частотой f > fн . Конденсатор Cэ шунтирует резистор Rэ

по переменному току. Таким образом, для среднечастотных сигналов эмиттерный электрод транзистора «соединен» накоротко с земляной шиной и является общим. Отсюда и название схемы — ОЭ.

Выбор режима диктуется той задачей, которая решается усилителем. Рабочая точка должна удовлетворять условиям: Uкэ <

<Uкэдоп , Uкэ Iк < Pкдоп. Токи Iэ , Iк и напряжение Uкэ в линейном усилителе должны быть такими, чтобы обеспечивался максимальный динамический диапазон, а параметры βN и верхняя гра-

ничная частота fα были также максимальными. Рассчитаем режим по постоянному току.

Iэ = Uэ , Uэ =Uб −Uбэ ,

Rэ

Uб =Uип R1R+2R2 − Iб R1 || R2 + IкоR1 || R2 .

Наиболее существенно первое слагаемое, поэтому ток эмиттера определяется в основном так:

Iэ ≈ Uип	R2	.
Rэ	R1 + R2

Напряжение Uкэ определяется из соотношения Uкэ =Uип − Iк Rк −

− IэRэ . Учитывая, что Iк = αN Iэ + Iко , где αN = 0,98 ÷0,99, а Iко <1 мкА, получаем:

Uкэ ≈Uип −(Rк + Rэ) Iк .

Вплоскости ВАХ транзистора это будет выглядеть так, как показано на рис. 1.14. Зная Uип , Rк , Rэ , и рассчитав Iк , можно найти

рабочую точку. Когда на вход схемы подается сигнал, то при заданном напряжении на коллекторе его ток увеличится на величину тока нагрузки. Приращения напряжения на эмиттере не будет, так как резистор Rэ шунтирован конденсатором Cэ. В результате

связь между током коллектора Iк и напряжением Uкэ будет харак-

20