Конспект лекций по электронике В.А. Куликов

Порядок построения эквивалентной схемы усилителя для переменного сигнала.

При построении эквивалентной схемы усилителя учитывают следую-

щее.

1.Сопротивление конденсаторов переменному сигналу много меньше сопротивления других компонентов схемы, поэтому его считают равным нулю, и конденсаторы в эквивалентной схеме заменяют перемычками.

2.Источник питания Eк считают идеальными источниками напряже-

ния с нулевым внутренним сопротивлением, поэтому по переменному сигналу шина питания эквипотенциальна общему проводу и в эквивалентной схеме ее соединяют с общим проводом.

3. Вместо реального БТ используют малосигнальную физическую модель или модель в виде линейного четырехполюсника. Используем упрощенную малосигнальную модель (рис. 3.9, б), полагая, что условия для ее применения выполняются.

На рис. 8.3, а представлена эквивалентная схема усилителя на БТ с ОЭ, полученная путем применения указанных выше правил. Здесь и далее токи и напряжения представляют собой малые приращения соответствующих величин.

а)

б)

Рис. 8.3

Для упрощения схемы резисторы цепи смещения R1,R2 могут быть отнесены к источнику сигнала. Используя преобразования по методу эквивалентных источников, получаем новые значения параметров источника сигнала

EгI Eг (Rг ||R1 ||R2 ) и RгI Rг ||R1 ||R2 . Эквивалентная схема принимает вид

Rг

рис. 8.3, б.

Параметры усилителя для переменного сигнала.

Найдем параметры усилителя через параметры компонентов эквивалентной схемы на рис. 8.3, б.

1. Входное сопротивление. Определяется выражением Rвх Uвх . Пред-

Iвх

ставим входное напряжение как сумму падений напряжений на элементах rб

и rэ : Uвх Iбrб Iэrэ Iб (rб (1 )rэ ). Учитывая, что входной ток – это ток базы, получаем

Если в схеме усилителя отсутствует конденсатор C3 , то в эквивалентной схеме последовательно с сопротивлением rэ появляется сопротивление Rэ . Тогда входное сопротивление определится в виде

Во многих случаях хорошее приближение при расчете входного сопротивления дает упрощенная формула Rвх (1 )Rэ .

Найденное сопротивление является входным сопротивлением транзистора со стороны базы. Для того, чтобы найти общее входное сопротивление усилителя, необходимо учесть резисторы цепи смещения как параллельные входному сопротивлению транзистора:

2. Выходное сопротивление. Определяется при отключенной нагрузке в

соответствии с выражением Rвых Uвых . Поскольку выходная цепь усилителя

Iвых

в эквивалентной схеме отделена от входной цепи идеальным источником тока Iб с бесконечно большим сопротивлением, то входная цепь не влияет на выходное сопротивление. Тогда выходное сопротивление будет определяться только сопротивлением Rк , то есть

Экспериментально выходное сопротивление можно определить, используя два последовательно подключаемых к выходу резистора нагрузки

разного номинала Rн1 и Rн2 и соответствующие им два значения выходного напряжения Uвых1 и Uвых2 . Представляя выход усилителя в виде эквивалентного источника напряжения с параметрами Eвых и Rвых , можно составить систему уравнений

и, разрешив ее, найти Rвых .

3. Коэффициент усиления по напряжению. Без учета параметров ис-

усиления с учетом сопротивления источника сигнала: Ku Uвых .

EгI

Выходное напряжение усилителя для принятого в эквивалентной схеме направления тока коллектора можно записать в виде Uвых Iб (Rк ||Rн ). Напряжение источника сигнала представляет собой сумму напряжений на его внутреннем сопротивлении RгI и входном сопротивлении усилителя Rвх :

EгI Iб (RгI Rвх ). Тогда коэффициент усиления по напряжению запишется в виде

Минус в формуле показывает, что усилитель является инвертирующим.

В частном случае, когда RгI Rвх (условие согласования источника сигнала и усилителя по напряжению) и Rэ rэ при отсутствии в схеме C3 формула (8.5) упрощается до вида

Если на выходе усилителя выполняется условие согласования по напряжению, то есть Rвых Rк Rн , то последняя формула сводится к виду

4. Коэффициент усиления по току. Преобразуем эквивалентный источник напряжения на входе усилителя в эквивалентный источник тока. Выход-

ную цепь усилителя также представим эквивалентным источником тока. Получаем другой вариант эквивалентной схемы усилителя (рис. 8.4).

Рис. 8.4

Коэффициент усиления по току найдем виде Ki Iн . Рассматривая фрагмен-

IгI

следние выражения в формулу для коэффициента усиления по току, получаем

Как следует из формулы (8.9), максимально возможное значение коэффициента равно и достигается при выполнении условий согласования по

току на входе RгI Rвх и выходе Rк Rн усилителя. В этом случае весь ток

IгI источника втекает в базу БТ, а весь ток коллектора Iк протекает через нагрузку.

5. Коэффициент усиления по мощности. Может быть найден как произведение коэффициентов усиления по напряжению и току

если эти коэффициенты определены при неизменных условиях согласования источника сигнала с усилителем и усилителя с нагрузкой.

Как следует из проведенного анализа, усилитель по схеме с ОЭ обладает усилением по напряжению, току и мощности. Этим он отличается от усилителей на БТ с ОБ и ОК и поэтому применяется наиболее часто.

8.2 Усилитель по схеме ОБ

Схема, назначение элементов и принцип работы усилителя ОБ.

Схема усилителя представлена на рис. 8.5.

Рис. 8.5

Назначение элементов.

Здесь Eг , Rг - эквивалентные параметры источника сигнала; Rн - эквивалент нагрузки; Rэ, Eэ - цепь смещения; Rэ - резистор термостабилизации рабочей точки; Rк - нагрузка БТ по постоянному току; С1,С2 - разделительные конденсаторы.

Принцип работы поясняется диаграммами на рис. 8.6.

При нулевом входном напряжении Uвх 0 цепью смещения обеспечивается начальный ток в цепи эмиттера

БТ находится в активном режиме; протекает начальный коллектора

Напряжение на коллекторе составляет

Выходное напряжение равно нулю, так как конденсатор C2 не пропускает постоянный ток с коллектора на выход.

При положительной полуволне входного усиливаемого сигнала Uвх 0 напряжение на эмиттере увеличивается относительно начального отрицательного значения; падение напряжения на эмиттерном переходе БТ умень-

шается, БТ призакрывается, Токи эмиттера и коллектора БТ уменьшаются относительно своих начальных значений, а напряжение на коллекторе увеличивается. Конденсатор C2 пропускает переменную составляющую напряжения с коллектора, и на выходе формируется положительная полуволна усиленного сигнала.

При отрицательной полуволне входного сигнала Uвх 0 напряжение на эмиттере уменьшается относительно начального значения. БТ дополнительно приоткрывается, соответственно увеличиваются токи эмиттера и коллектора, а напряжение на коллекторе уменьшается. На выходе формируется положительная полуволна напряжения.

Uвх Uвх=0 Uвх>0 Uвх<0

t

Uэ

U0э t

Малосигнальная эквивалентная схема. Параметры усилителя по переменному сигналу.

Малосигнальная эквивалентная схема усилителя ОБ представлена на

рис. 8.7.

Рис. 8.7

1) Входное сопротивление определяем как для схемы ОЭ, используя формулы:

2) Выходное сопротивление совпадает со схемой ОЭ, т.к. выходные цепи схем усилителей одинаковы:

3) Коэффициент усиления по напряжению может быть найден из соотношений

При согласовании усилителя со стороны входа по напряжению коэффициент усиления сводится к выражению

иможет быть существенно больше единицы.

4)Коэффициент усиления по току.

Преобразованная схема усилителя с учетом определенного входного сопротивления представлена на рис. 8.8.

5) Коэффициент усиления по мощности.