книги из ГПНТБ / Любивый В.И. Усилительные устройства учеб. пособие
.pdf
|
|
- н о - |
|
*ко |
- |
п&дение напряжения на |
нагрузке1за |
|
счес неуправляемого тока; |
||
|
|
||
Ua m |
- |
максимально допустимая |
амплитуда |
|
|
выходного синусоидального напря |
|
|
|
жения. |
|
Обычно величина |
UM . |
составляет |
(0,5*1)в, а ве- |
||
личиной |
I R. |
|
К-гп |
|
|
можно пренебречь. |
|
||||
Поэтов |
* |
|
Р |
, |
|
|
|
Uam |
Е |
—Со,5 т О |
|
|
|
6 — £ |
------а------------- |
• |
|
«Коэффициенты «усиления тока и мощности соответственно опре деляются выражениями
Iam |
|
|
U.а т ? к |
К |
(2.28) |
|
К «1' |
|
|
V |
(Г |
0 ^Езс |
|
im |
|
|
tmg&oc. |
Б60с |
|
|
Р |
|
I |
|
U |
= и . W |
|
а |
_ |
|
gm |
am |
(2.29) |
|
|
|
I |
itn и ,im |
o t," 0 |
|
|
|
|
|
|
|||
где U |
U |
im |
a m |
im и Ia m
соответственно амплитуды синусоидаль ного напряжения на входе, и выходе транзистора,; со тветственно амплитуды токов,те
кущих через входное сопротивление и сопротивление нагрузки
I^m ^мощиость, расходуемая во входной цепи;
Patn г мощность, потребляемая нагрузкой. Известно, что входная проводимость определяется по
формуле
+ ? i a K o ■
При малом коэффициенте усиления К входная проводимоств] мало изменяется. При изменении коэффициента усиления от нуля до 0,1 ju она практически остается неизменной. С ростом
- I l l -
R H усиление каскада стремится к ju . Входная проводимость в этом случае определится выражением
Так как наиболее часто коэффициент усиления *0 ограни чен величиной 0, 1}* , практически входная проводимость мало
отличается от |
. |
|
|
|
|
При нагрузке, |
равной |
£„ = |
4 |
.определяющей |
|
величиной является |
главным образом входная проводимость тран |
||||
зистора, fax как она обычно значительно больше (порядка |
|||||
на 2 * 3, а то и больше) |
его выходной проводимости* |
больше |
|||
проводимостей |
и g-g и примерно |
одного |
порядка с |
. |
|
Максимально |
возможный коэффициент усиления можно по |
||||
лучить при пренебрежении |
проводимостями |
g K , g 6 и |
. Тогда |
||
К_*_ _S_ _ _„ ____
оm aoc cr„ »
|
|
|
а®*» |
ь « ,г |
так |
как обычно |
|
|
|
|
|
? 6эс * |
. |
|
|
|
. |
2 |
|
|
Отношение - g ^ |
определяет коэффициент усиления базо |
||
вого |
тока |
транзистора |
( £ ) и является предельно возможной |
|
величиной |
коэффициентаI |
усиления |
К 0 , т . е . |
|
|
|
|
К с л * • |
|
|
• Проводимость |
g t 4 ^выбирают из услошй температур-; |
||
ной стабилизации рабочей точки транзистора. Известно, что для повышения стабильности режима работы транзистора необхо-:
димо проводимость повышать , что ведет к увеличению
шунтирующего действия входа этой проводимостью. Чаще всего
выбирают g g а (0 ,2 * 0 ,3 ) , что ограничивает макси
мальное усиление величиной (0*7*0,8 ) j|. Последнее можно усмот*
реть |
из того |
факта, что обычно g t n g |t« |
, |
поэтому в |
|
зтом |
случае коэффициент усиления |
К оп р едел я ется |
b Ijchobhov |
||
крутизной S |
и проводимостями |
g g и |
|
|
|
|
Коэффициенты у си пения тока и мощности |
соответственно |
|||
определяются |
выражениями |
|
|
|
|
^ am
K o i =
1ш
р
К,
п
[12 -
1
3
к j К • ot о
Шея з виду, что для одинаковых транзисторов |
даже при раз |
|
ных усилениях этих каскадов |
g 'g^ |
» получим |
^& т?ёзса |
^ ^ |
(2.30) |
^1ГГ! |
|
|
|
|
|
и |
|
|
К р |
|
(2.31) |
Область нижних частот
В области нижних частот сопротивление конденсатора представляет ощутимую величину, а параметры транзисто
ра не зависят от частоты, т .е . являются активными. Эквива лентная схема в области нижних частот с учетом сказанного будет иметь вид, изображенный на рис.2.19.
с*
Объединяя в этой схеме проводимости & и а д ад«у* получим схему, аналогичную схеме для нижних частот лампового
каскада. 3vj позволяет воспользоваться всеми зависимостями , полученными для лампового каскада. В соответствии с ферму ла мп частотная и фазовая характерстики, а также коэффициент частотных искажений определяются соответственно выражениями:
к |
н- |
• |
(2.3?) |
|
|||
V |
a r c t g |
9 |
(2.33) |
|
|
||
V |
I1 * |
• |
(2.3Ф) |
Из этих соотношений можно получить все, необходимые за висимости и построить графики аналогичьс тому, как это сдеяа*- но для области нижних частот ламповой схемы.
Область верхних частот
В области верхних частот сопротивление.конденсатора представляет небольшую величину, которой можно пренебреч^,
С учетом сказанного эквивалентная схема реостатного каскада на транзисторе будет иметь вид, изображенный на р с . 2.20.
Рис. 2.20
Вследствие того, что емкость монтажа представляет нет большую величину по сравнению с выходной и входной емкостями трнзистора, она на схеме не показана.
Пользуясь приемами предыдущего параграфа, определим коэффициент усиления каскада для области верхних частот
•S
где сумма проводимостей |
является |
нагрузкой к а с - ; |
||
када. |
|
' 15- |
|
|
Подставляя в это выражение нескопько упрощенные комп |
||||
лексные |
величины параметров |
транзистораг |
|
|
v |
i a C S*.S r 5 v |
|
^ |
8 |
11 ® |
i ♦ j ыЧ, |
1 - j с о а |
|
l+ j o o ^ |
Г 12 J |
и делая несложные преобразования, получим форму ваши |
|||
си коэффициента усиления такую же, как и для ламповой схе |
||||
мы (см. |
рис. 2.16) |
|
|
|
К ,* |
j |
i |
^ |
! + |
|
(г.З б ) |
6~ i * |
|
|
||||
где |
|
|
Ч - |
Гй ГэбСэб |
|
|
ели |
|
|
|
*V Гэо |
|
|
|
- постоянная времени транзистора; |
|||||
|
|
- |
постоянная времени выходной цепи каска - |
|||
|
2 . |
|
да, |
аналогичная |
величине |
для лампо |
'6ос< |
|
вого каскада; |
|
|
||
Г* |
- |
постоянная цепи, |
связанная |
со входной |
||
V |
%9 |
|||||
|
|
цепью последующего каскада. |
|
|||
|
|
|
|
|||
Очевидно, |
что |
по форме записи и |
по графическому изобра-! |
|||
аению частотные и фазовые характеристики транзисторного кзе-. када усиления совпадают с аналогичными ламповыми характерис-*
таками, |
поэтому нет нужды их приводить. |
||
Из соотнояения |
|
определяющего коэф-* |
|
фициент частотных искажений, |
определим граничную частоту |
||
каскада |
«*»>, при допустимом коэффициенте искажения |
||
|
|
% |
& . ю |
|
|
V 4 |
|
ЙЗ этого соотношения легко установить, что при измене
нии Ем 01 00 0 частота tCg меняется в ограничен ных пределах, а именно:
при |
с з со |
граничная |
частота |
и |
6 таос |
п р |
Ъ К |
граничная |
частота |
|
|
З к = ° |
|
|
|||
|
|
|
|
|
й й [ Т
|
10F |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ь m m |
|
|
C5k S rg |
|
V r f |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
g f &6*g63ea |
? i* ? 6 * 8 'b a e ? |
|
|
|||||
|
арн |
g v |
когда усиление минимально, коэффициент |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
транзисторный каскад обладает максимаяь- |
||||||||||
ной граничной частотой |
00 6 тазе’ т .е . обладает |
наибольшей |
||||||||||||||
полосой пропускания. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
При g K = 0 |
когда усиление максимально, коэффициент |
||||||||||||||
усиления |
К |
|
= |
„ |
|
ге„ |
|
каскад |
имеет минималь |
|||||||
■ |
|
|
о mane |
Ъь |
|
на,г |
|
|
|
|
|
|
||||
ную полосу. |
|
|
|
|
%Ь*а |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
Ограниченность максимальной частоты |
является |
особен- ■ |
|||||||||||||
ностью транзисторного |
каскада. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
Следовательно, у транзисторного каскада существует прер |
|||||||||||||||
депьно максимальная частота со feo|ea<, |
больше которой |
нельзя |
|
|||||||||||||
получить ни при какой активной нагрузке. |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
Решая уравнение |
(2.37) относительно |
g K |
и опуская |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
получим |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
to^ |
C6KS r S * y r S ) |
Г ?п |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
i^ifT |
----------« |
|
(2.33 ) |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
По известным |
параметрам транзистора, |
допускаемым’ измене^- |
|||||||||||||
ниям |
Mg |
|
и |
заданной |
граничной |
частоте |
|
выражение |
|
|
||||||
(2.38 |
) позволяет |
выбрать |
. |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
либо |
Расчет по формуле |
|
(2.38 ) |
может дать |
либо |
сг |
> о |
|
|
|||||||
* « < • |
|
• |
то |
это говорит о том, что |
/ й Г Г |
> а |
|
|||||||||
|
|
|
||||||||||||||
т .е . |
Ейли |
|
|
^>0 |
|
|
|
Ь’ |
||||||||
|
|
|
|
^ 6 < ^ &т » ас |
|
|
|
|
|
|
||||||
В этом |
|
|
|
обеспечивается |
|
|||||||||||
|
|
|
случае |
необходимая |
частота |
|
||||||||||
транзистором,,толтчо при |
определенной |
нагрузке и усиление касг |
||||||||||||||
када уже не может бить произвольным. Для нахождения коэффи
циента усиления |
нужно значение |
из (2.38 ) подставить |
в (2 .2 6 ),тогда |
получим |
|
|
- 116 - |
|
s |
S O / n \ - i - v # . ) |
(£.39) |
|
|
|
K o “ g ,t* g s * S n ~ |
w b<CeKe r e * V rj> |
|
Из соотношений (2.37) и (2.39) видно* что выбираемый транзистор для обеспечения заданных я К 0 дол-; вен отвечать двум требованиям;
УйТ7 > > 1 |
|
s <VS[ 4 |
(г.4 о ) |
|
" е г |
И |
Ко “ ~**1<с б * * Ч 'У г 6> ' |
|
|
Полученные выражения несколько упростим, |
сделав |
их б о -: |
||
лее удобными для расчетов. |
|
|
||
Обозначим " |
|
Подставим это |
значение |
в |
(2 .3 9 ), получим |
6 |
|
|
|
1 S < G - О
К
E iid T iL ,* /,
Обычно -E-S-— «-* |
, поэтому |
|
—= ^ |
St's |
|
cv |
|
|
мым знаменателя, |
получим |
|
G- i
*бСб* + 1 Syg
пренебрегая первым слагав-
v |
s r ^ - l >- |
Таким образом, дня тойо .чтобы транзистор обеспечил усиление не менее заданного, необходимо, чтобы
МS r 6 ( G - l ) .
Итак, для обеспечения нормальной работы промевуточного кас када ; транзистор выбирают по двум условиям:
|
/гр Г Г > i y |
(2.41) |
|
‘Ь id 6 |
|
|
5 г 6( 0 - 1 ) ^ 1 4 о . |
|
Первое условие обеспечивает нуяную граничную частоту |
||
и». |
. а второе =- необходимый коэффициент усиления; |
|
® т |
- |
|
А
- II? -
КОНТРОЛЬШЕ ВОПРОСЫ
1. Пояснить отличие эквивалентной схемы реостатного транзисторного усилителя с общим эмиттером от аналогичной схемы лампового каскада с общим катодом.
2. Написать различные варианты коэффициента усиления реостатного транзисторного усилителя в области средних час тот.
3. Выразить коэффициенты усиления тока К-^и мощности Кр в области средних частот через коэффициент усиления н а -: пряжения.
4 . Влияние входного сопротивления последующего реостатоного транзисторного каскада усиления на коэффициент усиле
ния предыдущего, |
• |
|
|
5 . Написать зависимость проводимости нагрузки от заданр |
|
кого |
коэффициента усиления. |
1 |
|
6. Какие причины ограничивают сверху выбор сопротивле |
|
ния |
нагрузки реостатного усилителя |
на транзисторах? |
7.Соображения по выбору максимального выходного на пряжения усилителя.
8.Показать графически зависимость коэффициентов уси-
Ям сг» пения тока и мощности от отношения _ 2 L * ■§£•
9. Написать формулы, определяющие частотные, фазовые и переходные характеристики для реостатного каскада на транзисторе.
10.Написать коэффициент усиления реостатного каскада на транзисторе в области верхних частот и пояснить сущность/ величин, определяющих его.
11.Вывести формулу для верхней граничной частоты тран зисторного усилителя.
12.Пояснить пределы изыенекп граничной частоты сэ в транзисторном каскаде,
13.Написать выражеше для входной проводимости реостат-! ного каскада в области верхних частот.
-118 -
§2 . 4 . УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДУ С КОРРЕКЦИЕЙ
Коррекция характеристик усилителя
Часто возникает необходимость производить равномерное усиление в весьма широкой полосе частот (порядка единиц и больше Десятков мегагерц). Рассмотренные схемы не обеспечи вают этого усиления. Поэтому для усиления широкополосных сигналов используют реостатные каскады, обладающие наилуч шими частотно-фазовыми характеристиками среди других усили телей, с введением в них корректирующих цепей.
Каскад, усиливающий сигнал с полосой частот порядка мегагерц и выше, называют широкополосным каскадом. Он мо жет использоваться для усиления коротких импульсов, а так же гармонических сигналов с широкой полосой частот.
Из соотношения
о х К - J L « S&1U .
С Э |
I'M |
следует,
что увеличение высшей граничной частоты возможно лишь за счет снижения коэффициента усиления в области средних час тот.
Поэтому широкополосные усилители, как правило, имеют небольшой коэффициент усиления. Путем нагружения каскада сопротивлением, величина которого увеличивается с ростом частоты, можно увеличить граничную частоту, не снижая коэф фициент усиления в области средних частот. Аналогично можно уменьшить низшую граничную частоту, нагружая каскад сопро тивлением., которое растет с убыванием частоты.
Изменение сопротивлений нагрузки с частотой осуществ ляют за счет введения так называемых корректирующих цепей.
Физически действие корректирующей цепочки заключается в том, что она компенсирует действие паразитных емкостей, которые вызывают западание частотной характеристики.
При применении транзисторных каскадов необходимо дополни- 'тельно компенсировать еще уменьшение крутизны с ростоп
- 119 -
частоты.
Эти противоположные действия на какой-то частоте компен сируют друг друга. Вблизи этой точки изменения характеристи ки минимальны. Аналогичные рассуждения применимы и к фазовой характеристике.
Эта сущность коррекции воплощена в методе, предяоженьш» советским ученым Г.В. Брауде. Метод Брауде позволяет найти параметры корректирующей цепочки, обеспечивающей равномер ность частотной или линейность фазовой характеристик в наи большей области частот.
Математически метод основывается на разложении в ряд Тейлора аналитической зависимости частотной и Фазовой характе ристик вблизи частоты со0 , .. которую для простоты анали за полагают равной нулю. Тогда он превращается в ряд Маклоре-
ка
к"(о> |
а К™<о> |
«= К(о) -*К(о.мо ♦ —— |
CJ + ------— с Л . . . (2.42; |
но идеальную частотную и фазовую характеристики, а остальныеотклонения реальной характеристики от идеальной. Приближение действительной характеристики к идеальной будет тем лучше, чем больше членов ряда, начиная со второго, обратятся в нуль Практически число производных, которое можно приравнять н у л ю , равно количеству корректирующие параметров каскада. Следует иметь в виду, что корректирующие элементы,обеспечивающие луч шую фазовую характеристику, га совпадают по величине о элемен тами, при которых будет наилучшей частотная характеристика.
Квадрат коэффициента |
усиления можно представить в виде |
|
дробнорациональной функции |
or и |
, т .е . |
(2.44)