Министерство науки и образования Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова
К.С. Артемов, Н.Л. Солдатова
Усилительные каскады
на
биполярных транзисторах
Методические указания
Ярославль 2007
УДК 621.375.4
ББК З 844
А 86
Рекомендовано Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного издания. План 2007 года
Рецензент
|
Артемов К.С., Солдатова Н.Л.
|
К 78 |
Усилительные каскады на биполярных транзисторах: методические указания/ К.С. Артемов,Н.Л. Солдатова; Яросл. гос. ун-т. – Ярославль: ЯрГУ, 2007. 45 с. |
|
ISBN
Излагаются основы теории транзисторных усилительных устройств. Включает три лабораторные работы и задание по расчету усилительных каскадов. Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 5504 Телекоммуникация и будет полезно также студентам специальности 013800 Радиофизика и электроника, (дисциплина «Основы схемотехники», блок ОПД), очной и заочной форм обучения.
|
УДК 621.375.4
ББК З 844
|
© Ярославский государственный университет, 2007 © К.С. Артемов, Н.Л. Солдатова, 2007 |
Введение
Транзистор (Т), как элемент схемы, представляет собой активный трехполюсник, имеющий три внешних электрода: эмиттер, коллектор и базу. В электронных схемах Т используют как четырехполюсник. В зависимости от того, какой из трех электродов транзистора оказывается общим для входной и выходной цепей, различают три схемы включения Т и три схемы усилительных каскадов:
схема с общим эмиттером (ОЭ);
схема с общей базой (ОБ);
схема с общим коллектором (ОК).
При рассмотрении работы Т в усилительных схемах обычно речь идет о работе с малыми сигналами. Сигнал считается малым, если при его изменении в два раза, величина измеряемого параметра (например, коэффициента передачи по напряжению) остается неизменной в пределах точности измерения. При этом можно считать характеристики триода (в области перемещения рабочей точки) прямолинейными, а триод может быть представлен эквивалентной схемой, содержащей линейные элементы цепи и источники энергии.
Необходимыми
элементами схемы любого каскада являются
цепи смещения, определяющие режим работы
Т по постоянному току (рабочую точку Т
в области линейных участков вольт-амперных
характеристик Т). К таким элементам в
общем случае относятся резисторы в
цепях базы (
),
эмиттера (
)
и коллектора (
),
а также источники питания постоянного
тока (
,
,
).
В конкретных схемах задания рабочей
точки используются не все указанные
элементы.
Для
анализа схем усилительных каскадов
применяется хорошо разработанная теория
четырехполюсников. Наиболее удобной
является система h-параметров,
так как при их практическом определении
для Т может быть достигнута наибольшая
точность. Системе
-параметров
соответствует эквивалентная схема,
делающая расчет каскадов более наглядным.
Для практических расчетов схем на транзисторах нашли широкое применение также эквивалентные схемы, в которые входят физические параметры Т.
а
)
б
)
Рис. 1. Эквивалентные схемы транзисторов ОБ (а) и ОЭ (б)
На рис. 1 показаны:
–
дифференциальное
сопротивление эмиттерного перехода;
–
омическое
сопротивление базы;
– дифференциальное
сопротивление коллекторного перехода
в схеме ОБ,
–
то же для схемы ОЭ (рис. 1,б);
– статический
коэффициент передачи тока эмиттера;
– статический
коэффициент передачи тока базы;
– коэффициент
обратной связи Т по напряжению.
Для
схемы ОБ
для схемы ОЭ:
Связь между некоторыми параметрами схем ОБ и ОЭ:
;
;
.
В радиоэлектронике находят применение как одиночные каскады, так и многокаскадные усилительные устройства или просто усилители. Усиливаемыми параметрами являются ток, напряжение или, в конечном итоге, мощность. По роду усиливаемых сигналов их подразделяют на усилители гармонических сигналов и усилители импульсных сигналов. Существует деление усилителей на усилители постоянного тока и усилители переменного тока. Классифицируют усилители также по частотным диапазонам (низкой, высокой частоты, широкополосные, избирательные), по назначению и пр.
Усилители характеризуются усилительными, частотными и временными параметрами. Рассмотрим основные параметры.
1. Коэффициент
передачи – отношение выходного
сигнала к однородному входному:
коэффициенты передачи по напряжению
(отношение напряжения на выходе к ЭДС
генератора или напряжению на входе),
току
(отношение тока в нагрузке к томку
генератора или входному), мощности
.
Если коэффициент передачи больше
единицы, его называют коэффициентом
усиления. Коэффициенты передачи выражают
в относительных единицах или в
логарифмических единицах – децибелах
[дБ]:
,
,
.
2. Входное сопротивление – сопротивление, которое оказывает усилитель действию генератора сигнала, являясь для него нагрузкой.
3. Выходное сопротивление – сопротивление усилителя по отношению к нагрузке, для которой усилитель рассматривается как генератор, т. е. источник сигнала.
На рис. 2 дана
схема замещения (эквивалентная схема)
усилителя, показывающая параметры
,
,
и содержащая источник сигнала (генератор
э.д.с.) с сопротивлением
и нагрузку
.
Рис. 2. Эквивалентная схема усилительного каскада
4. Амплитудно-частотная
характеристика усилителя – это
зависимость модуля коэффициента передачи
от частоты входного сигнала (рис. 3а).
На рисунке показана область средних
частот, где
не зависит от частоты и равен
,
области низших и высших частот.
а
)
в)
б) г)
Рис. 3. АЧХ (а), ФЧХ (б), переходная (в) и амплитудная (г) характеристики
Частоты, на
которых коэффициент передачи равен
,
называются граничными –
и
.
Для области
низших частот:
– нижняя граничная частота;
– циклическая нижняя граничная частота;
комплексный коэффициент передачи,
амплитудно-частотная характеристика
(АЧХ) и фазочастотная характеристика
(ФЧХ) коэффициента передачи
:
;
;
,
где
– коэффициент передачи по напряжению
в области средних частот;
– постоянная времени в области нижних
частот;
– переходная характеристика
,
– время.
Для области высших частот:
– верхняя граничная частота;
– циклическая верхняя граничная частота;
комплексный коэффициент передачи по
напряжению, его АЧХ и ФЧХ:
;
;
.
– переходная характеристика
.
5. Фазочастотная характеристика – зависимость угла сдвига фазы между входным и выходным сигналом (например, между напряжением) от частоты. Пример фазочастотной характеристики показан на рисунке 3, б.
6. Амплитудная характеристика – зависимость амплитудного значения напряжения первой гармоники выходного напряжения от амплитуды синусоидального входного напряжения (рис. 3, г).
7. Переходная характеристика – зависимость от времени выходного напряжения при подаче на вход скачка напряжения (рис. 3, в).
На рисунке
показана переходная характеристика.
Максимальный коэффициент
условно принят за единицу (нормирован).
Искажение в области малых времен
характеризуется временем установления
,
а искажение в области больших времен –
спадом плоской вершины
.
8. Коэффициент нелинейных искажений – корень квадратный отношения мощностей всех высших гармоник выходного сигнала, появляющихся из-за нелинейных искажений (нелинейности вольтамперной характеристики усилительного элемента), к полной выходной мощности.
.
9. Коэффициент гармоник – корень квадратный из отношения мощностей всех гармоник выходного сигнала (кроме первой) к мощности первой гармоники:
где
– мощность n–й гармонической составляющей
выходного сигнала;
,
–
амплитуды напряжений и тока n–й
гармонической составляющей выходного
сигнала.
10. Коэффициенты частотных искажений:
;
.