67

Лекция 6

Экспресс - проверка знаний пройденного материала:

1 Нарисуйте П- образную физическую эквивалентную схему транзистора

( схему Джиколетто.)

2 Нарисуйте динамическую характеристику в семействе выходных

характеристик и входную динамическую характеристику .

3 Нарисуйте схему транзистора (а), эквивалентная схему четырёхполюсника

транзистора ( б) и формальную эквивалентную схему транзистора.

4 Напишите ключевые слова к теме лекции 5

После изучения лекции 6 студент должен знать : как работает резисторный каскад на биполярном и полевом транзисторе, как работает трансформаторный каскад.

Уметь: нарисовать схемы резисторных и трансформаторных усилителей

План ( логика ) изложения материала

1.4 Каскады усилителей звуковой частоты

1.4.1 Каскады предварительного усиления

1.4.1.1 Требования к предварительным каскадам

1.4.1.2 Резисторный каскад на биполярном транзисторе

( схема с общим эмиттером)

1.4.1.3 Резисторный каскад на полевом транзисторе

( схема с общим истоком )

1.4.1.4 Трансформаторный каскад

Дополнительный материал к лекции 6 для самостоятельной работы

Резистивный каскад усилителя на электронных лампах

1.4 Каскады усилителей звуковой частоты

1.4.1 Каскады предварительного усиления

1.4.1.1 Требования к предварительным каскадам

Требования к каскадам предварительного усиления вытекают из их назначения - усиливать напряжение или ток, создаваемые источ­ником сигнал на входе, до величины, необходимой для возбуждения каскадов усиления мощности. Поэтому наиболее важными показателя­ми для предварительных каскадов является коэффициенты усиления напряжения и тока, частотная характеристика и частотные искажения.

Амплитуда сигнала в предварительных каскадах обычно мала, по­этому в большинстве случаев нелинейные искажения невелики и коэф­фициент гармоник не определяют. А также каскад предварительного усиления работает в пределах линейного участка входной характеристи­ки усилительного элемента.

Ток покоя I_о в каскадах предварительного усиления обычно превы­шает амплитуду усиленного сигнала. Это значит, что КПД каскада оказывается низким. Но поскольку потребляемая мощность источника электропитания этих каскадов небольшая, то потери энергии в них нез­начительны. Поэтому КПД каскадов

68

предварительного усиления не оп­ределяют.

Необходимое предварительное усиление не может быть обеспече­но одним каскадом. Для уменьшения числа требуемых каскадов вы­бираются транзисторы с большим статическим коэффициентом уси­ления тока. Для первых каскадов

обязательным условием также яв­ляется малый собственный шум транзистора. Поэтому для первых каскадов выбирают малошумящих транзисторов и снижают по воз­можности ток покоя I_ко и напряжение U_ko.

Наибольшее распространение в предварительных каскадах получи­ла схема включения транзистора с общим эмиттером, позволяющая получать наибольшее усиление и имеющее достаточно большое входное сопротивление, так что каскады можно соединять без согласующих трансформаторов, не теряя в усилении.

При большом числе предварительных каскадов также важно, что­бы схема отличалась простотой, компактностью, строилась на деталях массового производства , имеющих небольшие габариты, массу и стои­мость. Этим требованиям отвечает резисторный каскад., который мо­жет обеспечить усиление в широкой полосе частот при малых искажениях и не подвержен наводкам магнитных полей.

1.4.1.2 Резисторный каскад на биполярном транзисторе ( схема с общим эмиттером)

Резисторный каскад ОЭ обычно является частью многокаскадного усилителя. На передачу сигнала таким каскадом влияют элемен­ты межкаскадной связи и входной цепи следующего каскада. Полная электрическая схема резисторного каскада на биполярном транзисторе приведена на рисунке 1.28.

Рисунок 1.28 – Полная принципиальная схема резисторного каскада на

биполярному транзисторе

69

Назначение элементов данной схемы следующее: VT-биполярный транзистор - усилительный элемент ; R_к - резистор коллекторной нагрузки;

R₁,R₂- образуют делитель для по дачи на базу транзистора VT₁ напряжения смещения, обеспечивающего исходный режим, т.е. для смещения рабочей точки покоя А в заданный участок характеристики;

R_1сл.,R_2сл-образуют делитель для подачи на базу транзистора VT₂ напряжения смещения и являются нагрузкой усилительного каскада собранного на транзисторе VT₁;

C₁, C₂-разделительные конденсаторы (являются элементами меж­каскадных связей, предотвращают проникновение постоян­ной составляющей сигнала с выхода одного каскада усиле­ния на вход другого, могут использоваться для коррекции частотных характеристик);

R_э, R_э.сл.- резисторы обеспечивают температурную стабилизацию режима покоя каскада.;

С_э, С_э.сл- конденсатор шунтирует резистор R_э по переменному току, исключая отрицательную обратную связь по I току. Отсутствие конденсатора С_э вызывает уменьшение коэф­фициента усиления вследствие наличия отрицательной обрат­ной связи .Уменьшает сопротивление переменному току в цепи эмиттера. Может использоваться для частотной коррек­ции.; С_ф1, R_ф1,С_ф2, R_ф2 - развязывающие фильтры предназначены для уменьшения

паразитной связи в цепи электропитания коллекторов тран­зисторов. Если не применять развязывающие фильтры, то кол­лекторы транзисторов VT_l и VT₂ будут подключены к источ­нику электропитания параллельно и они окажутся связанными между собой через внутреннее сопротивление источника электропитания. Такая связь является паразитной и может привести к ухудшению показателей усилителя;

Е - источник электропитания.

Принцип действия резисторного каскада основан на свойствах схемы с общим эмиттером.

Постоянная составляющая тока коллектора протекает от положи­тельного полюса источника электропитания +Е , общий провод, через R_э, эмиттерный и коллекторный переходы VT₁ и R_k , резистор филь­тра R_ф2 к отрицательному полюсу источника -Е

( рассматриваются цепи электропитания применительно к транзистору р-п-р ).

+Е→ ┴ → R_э → ( э-б-к )VT₁ → R_к→R_ф2→-Е.

При подаче сигнала на вход в коллекторной цепи появляется переменная составляющая тока. В схеме ОЭ отрицательной полуволне сигнала на базе соответствует положительная полуволна усиленного сигнала на коллекторе ( знаки в скобках). Переменная составляющая тока в этот полупериод проходит от коллектора по внешней цепи к эмиттеру (волнистые стрелки на схеме ). Для переменного тока коллекторная цепь представляет ряд параллельных ветвей.

1) коллектор (+)VT₁→C₂—>база-эмитгер VT₂ —>С_э.сл—>общий провод— >С_э— эмиттер (-)VT_l ;

70

2) коллектор (+)VT₁—>R_к—>С_ф2→ общий провод —>С_э—эмиттер (-)VT_l;

3) коллектор (+)VТ₁→С₂→R_2сл→общий провод —>С_э—”эмиттер (-)VTl;

4) коллектор (+)VТ₁→С₂→R_1сл—>С_ф2—>общий провод — >С_э —> эмиттер(-)VТ₁.

. Таким образом, общим сопротивлением нагрузки для переменного тока R_k~ является эквивалентное сопротивление параллельно вклю­ченных R_к,R_1сл,R_2сл и R_вx.сл. Полезной является только составляющей выходного переменного тока Iвых = Iб.сл, протекающая по первой из названных ветвей.

Эквивалентная электрическая схема резисторного каскада для переменной составляющей тока коллектора (рисунок 1.29) может быть составлена, если транзистор заменить схемой замещения его выходной цепи и подключить к ней все элементы, нагружающие транзистор по переменному току.

При этом следует пренебречь сопротивлением источника электро­питания для переменного тока, а также сопротивлением параллельно включенных R₃ и С_э, так как при больших ёмкостей конденсаторов С_ф и С_э можно считать При этом следует пренебречь сопротивлением источника электро­питания для переменного тока, а также сопротивлением параллельно включенных R₃ и С_э, так как при больших ёмкостей конденсаторов С_ф и С_э можно считать обкладки замкнуты накоротко для частот сиг­нала.

Объединить все включенные параллельно после С_с активные соп­ротивления в одно эквивалентное входное сопротивление следующе­го каскада R_вх2:

R_вх2 = 1 / (1/R_1сл+1/R_2сл+1/R_вх.сл), ( 1.43 )

во вторых, заменить ёмкости С_м и С_вх.сл, а также С_к, подклю­ченную у ним через очень малое сопротивление ёмкости С₂, суммарной эквивалентной входной ёмкостью следующего каскада С_о:

С_о = С_вх.сл +С_м +С_к. ( 1.44)

Со стороны выхода транзистор может быть представлен эквива­лентным генератором, ЭДС которого равна К_хх·U_вых, а внутреннее сопротивление равно R_вых транзистора при включении ОЭ. В эквивалентной схеме, приведенной на рисунке 1.29 имеются частотно-зависимые элементы С₂ и С_о. Это означает, что при посто­янной амплитуде напряжения на входе, напряжение на выходе U_вых зависит от частоты входного напряжения, т.е. коэффициент усиления каскада зависит от частоты. При уменьшении частоты сигнала сопротивление конденсатора С₂ увеличивается, падение напряжения на нем возрастает, в результате напряжение на выходе U_вых уменьшается. Поэтому с понижением частоты коэффициент усиления каскада уменьшается.

71

Рисунок 1.29 - Упрощенная эквивалентная схема резисторного каскада

На высоких частотах проявляются шунтирующие действие ёмкос­ти C_o. С повышением частоты входного сигнала сопротивление ёмкости уменьшается, а следовательно, и падение напряжения сигнала на ней уменьшается. Поэтому с повышением частоты коэффициент уси­ления каскада уменьшается.

В области средних частот потери напряжения на конденсаторе С₂ невелики.

Для того чтобы коэффициент усиления резисторного каскада в рабочем диапазоне частот оставался постоянным, ёмкость раздели­тельного конденсатора С₂ выбирают по возможности большей, а па­разитную ёмкость монтажа С_о стремятся уменьшить.

Рисунок 1.30 - Характеристики амплитудно –частотная (а) и фазо-частотная ( б) резисторного каскада

72

Все резисторные каскады, независимо от типа используемых в них транзисторов, имеют одинаковый вид частотных и фазовых харак­теристик. Все различие в характеристиках этих каскадов носят только количественный характер.