5 сем САУ Л2М1

Модуль 1. Схемотехника элементов аналоговых электронных устройств

Лекция 2

ПРОСТЕЙШИЕ УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ

Время проведения – 6 часов

1 часть (3 часа)

Учебные вопросы:

1. Анализ усилительных каскадов в малосигнальном режиме методом эквивалентных схем.

2. Каскады на биполярных транзисторах.

3. 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 R_фC_ф 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 С_ф на средних и верхних частотах имеет очень малое сопротивление по сравнению с R_к. На низких частотах (рис. 3.1, б) сопротивление емкости С_ф становится значительным, и сопротивление коллекторной нагрузки транзистора возрастает, что компенсирует снижение усиления каскада от влияния С_р2. На очень низких частотах, где сопротивление емкости С_ф много больше R_ф, нагрузкой транзистора является R_к + R_ф. Это сильно поднимает усиление каскада на низких частотах, тем самым расширяя его полосу пропускания в сторону НЧ при неизменной емкости С_р2. В реальных схемах рекомендуется брать R_ф = (1…2) R_к.

Емкость С_ф должна оказывать как можно малое сопротивление переменному току на СЧ и ВЧ и иметь строго определенное оптимальное значение С_{ф 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 С_кор и R_кор в цепи эмиттера (рис. 3.2, а).

а б

Рис. 3.2

Для осуществления ВЧ коррекции емкость С_кор выбирают такой, что на НЧ и СЧ последовательная ООС по току (образованная R_кор) сохраняется, а на ВЧ – уменьшается (рис. 3.2, б). Это приводит к увеличению КУ в области ВЧ и увеличению f_в до значения f_{в кор}.

Литература:

1. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. – М: Додека-XXI, 2005.

2. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника. – М: Горячая Линия Телеком, 2007.

3. Павлов В.Н., Ногин И.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств. – М: Горячая Линия Телеком, 2001.

Разработал: доцент кафедры РЛ1 Чепурнов И.А.