книги из ГПНТБ / Левичев В.Г. Радиопередающие и радиоприемные устройства [учеб. пособие]

нйя точки исходного режима, т. е. для Нахождения величин / к 0 й

U«o.

Для построения истинной КДХ, т. е. характеристики, показы­ вающей реальную связь между изменениями величий iK и ик, необ­ ходимо иметь ее уравнение.

При наличии усиливаемого сигнала коллекторный ток и кол­ лекторное напряжение изменяются. Они пульсируют в противофазе.

Математически это можно записать так:

тельное, а у транзистора п-р-п оно положительное. Из уравнения (2.69) имеем

Из схемы следует, что амплитуда коллекторного напряжения

где R N — сопротивление нагрузки транзистора Т\ для переменного тока коллектора.

Поэтому

Это и есть уравнение реальной коллекторной динамической ха­ рактеристики. Именно оно правильно отражает взаимную связь между изменениями коллекторного напряжения и коллекторного тока.

Из уравнения (2.73) легко найти три характерные точки, через которые проходит КДХ:

Данные точки показаны на рис. 2.33. Там же изображены гра­ фики мгновенных значений токов и напряжений. Они позволяют определить коэффициенты усиления и входное сопротивление кас­ када. Для этого следует воспользоваться соотношениями:

250

Если амплитуда сигнала на входе транзисторного усилителя до­ статочно мала, то его основные показатели целесообразно опреде­ лять аналитически, т. е. по формулам. При их выводе предпола­ гают, что рабочие участки динамических характеристик усилителя (транзистора) линейны. Для выполнения данного условия на прак­ тике требуется правильно выбрать исходный режим каскада.

Основные формулы можно вывести, используя теорию четырех­ полюсников. Для этого уоилительный каскад (независимо от его конкретной схемы) можно изобразить, как показано на рис. 2.34.

Рис. 2.34. Схема усилителя в виде четырех­ полюсника

На этом рисунке стрелками показаны условные положительные направления переменных токов и напряжений. Заметим, что поло­ жительному направлению тока i\ соответствует положительная по­ лярность напряжения и\. Но положительному направлению тока i2 соответствует отрицательная полярность напряжения и2. Под со­ противлением Rn понимается результирующая нагрузка для пере­ менного выходного тока транзистора.

Системы параметров четырехполюсника могут быть различные. На низких (звуковых) частотах часто отдают предпочтение системе /i-параметров. Одно из достоинств ft-параметров состоит в том, что именно они указываются в справочниках для низкочастотных тран­ зисторов. Систему /г-параметров называют гибридной, т. е. смешан­ ной. В этой системе за независимые переменные четырехполюсника принимают входной ток i\ и выходное напряжение и2. Тогда функ­ циями от них являются входное напряжение щ и выходной ток i2. Математически это записывается так:

(2.74)

Дифференцируя данные, функции (пока неизвестные нам), по­ лучим уравнения для их полных приращений:

йи

(2.75)

dz2

"251

Если на вход усилителя подается испытательный сигнал, то мгновенные значения всех токов и напряжений изменяются по си­ нусоидальному закону. В этом случае можно считать, что

т. е. за изменения синусоидально меняющихся величин допустимо принять их действующие значения.

Частные производные полученной системы двух уравнений обо­ значим так:

Тогда исходные уравнения получают следующий вид:

Из первого уравнения системы видно, что параметр

Следовательно параметр hn есть входное сопротивление тран­ зистора (или усилителя) при коротком замыкании его выхода.

Параметр

Очевидно, что это безразмерная величина. Параметр h\2 назы­ вают коэффициентом обратной связи по напряжению при разомк­ нутом входе. Чем лучше транзистор, тем меньше /г! 2 .

Из второго уравнения системы следует, что параметр

коэффициентом усиления транзистора по переменному току при

может быть отнесен и к усилителю, но работающему в статическом

Реальные величины /г-параметров транзистора можно измерить экспериментально или определить по его статическим характери-

252

стикам. Понятно, что они различны для различных схем включе­ ния транзистора. Они также зависят от режима работы каскада.

Для большего приближения четырехполюсника к'принципиаль­ ным схемам усилителей запишем уравнения системы (2.76) в сле­ дующем виде:

ного тока соответствует отрицательный полупериод выходного на­ пряжения, и наоборот.

Решая совместно обе системы уравнений, можно получить не­ обходимые расчетные формулы для основных показателей усили­

2)Коэффициент усиления по току

3)Коэффициент усиления по напряжению

жение £ц и сопротивление Re обеспечивают работу каскада в типовом режиме. Необходимо определить основные показатели (параметры) усилителя при на­ личии малого входного сигнала.

Ре ш е и и е.

1.Определение параметров транзистора. Они узнаются из справочника. Их величины соответствуют типовому режиму усилителя. Для транзистора П14 с

общим эмиттером они таковы:

Л 1 1 э = 775 ом; hii3 = 3-Ю-1, Л 2 ] э = 24; Л г 2 э = 20 мкмо*

253

2. Определение вспомогательного параметра:

3. Определение сопротивления нагрузки транзистора для переменного тока коллектора (применительно к рис. 2.30):

Рис. 2.35. Зависимость коэффициентов уси­ ления резисторного усилителя на транзи­ сторе от сопротивления нагрузки

5. Расчет коэффициента усиления по току:

6. Расчет коэффициента усиления по напряжению:

* н . _ 9 П . J ° l

15

7. Расчет коэффициента усиления по мощности:

Кр = Ki • Ки = 20 • 280 = 5600.

Анализ уравнений (2.85), (2.86), (2.87) показывает, что коэф­ фициенты усиления резисторного усилителя зависят от сопротив­ ления нагрузки так, как это изображено на рис. 2.35.

Из приведенных кривых видно, что для получения максималь­ ного усиления мощности сигнала необходимо выбрать вполне опре­ деленное сопротивление нагрузки транзистора. Его величина назы­ вается оптимальной.

Можно показать, что при малых входных сигналах

Пример. Определить оптимальное сопротивление нагрузки резисторного ка­ скада с общим эмиттером, на транзисторе П14.

-254

Р е ш е н и е .

На практике в резисторных каскадах часто /?И <С Ни. опт и тогда расчет их основных параметров допустимо производить по следую­

сколько завышены. Однако порядок величин сохраняется правиль­ ным с достаточной точностью. Заметные расхождения точных и приближенных величин параметров в приведенном примере объяс­ няются тем, что в данном случае сопротивление Rn только в 7 раз меньше оптимального. Читателю предлагается самому сравнить результаты расчетов параметров усилителя по приведенным фор­ мулам при сопротивлении RB = 2 ком.

да на лампе частотные характеристики по внешнему виду анало­ гичны. Они отличаются только количественными соотношениями в области верхних частот.

В ламповом каскаде уменьшение сопротивления R& сопровож­

255

это тем, что основной нагрузкой транзистора по переменному току является входное сопротивление следующего каскада. Обычно оно заметно меньше сопротивления R K . В этих условиях резистор R K определяет только исходный режим каскада.

Паразитная емкость схемы транзисторного каскада, подключен­ ная параллельно небольшому сопротивлению нагрузки транзисто­ ра, не проявляет своего наличия вплоть до очень высоких частот. Поэтому при расчете резисторного каскада УНЧ на транзисторе ее можно не учитывать. Несмотря на это, усиление каскада с повы­

каскада зависят от переходной цепи. При этом следует иметь в виду, что она состоит из конденсатора Сп и входного сопротивле­ ния следующего каскада.

С понижением частоты усиливаемых колебаний сопротивление конденсатора * Са возрастает и напряжение на выходе каскада уменьшается. На нижней граничной частоте (и .г реактивное сопро­ тивление конденсатора С„ оказывается равным входному сопро­ тивлению следующего каскада. Следовательно, получается равен­ ство

2* - / „ . г - С„ —

Откуда

иметь емкость С п порядка десятков микрофарад. Поэтому на прак­

так как изменение температуры окружающей среды может приве­ сти к значительному изменению исходного режима транзистора.

256

Вследствие этого усилительный каскад может оказаться неработо­ способным.

название означает, что постоянное напряжение на базе UQQ остает­

1КО + 1БО+1Д

Рис. 2.36. Схема резисторного каскада на транзисторе с общим эмиттером (с фиксированным напряжением сме­ щения)

Сопротивления делителя обычно бывают порядка единиц или десятков килоом. Поэтому данный вариант схемы менее экономи­ чен. Но зато она успешно работает при изменении температуры окружающей среды на ±20-н30° от номинальной.

Стабилизация исходного режима транзисторных усилителей в широком интервале температур достигается применением отрица­ тельной обратной связи. Такие схемы рассматриваются в § 6.

§5. УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ

1. Особенности усилителей мощности низкой частоты

Врадиоприемниках усилителем мощности низкой частоты на­ зывают оконечный (выходной) каскад, работающий на какой-либо акустический прибор. Задача усилителя мощности заключается в эффективном преобразовании энергии постоянного тока источника питания в энергию переменного тока звуковой частоты, выделяе­ мую на полезной нагрузке. Такой типичной нагрузкой является электродинамический громкоговоритель. Его сопротивление весьма мало (единицы ом). В дальнейшем оно считается активным по ха­ рактеру. Это допущение верно в области средних звуковых частот.

Выделение значительной мощности на малом сопротивлении нагрузки возможно только при большом токе полезного сигнала. Поэтому в оконечном каскаде приемника могут возникать замет­ ные нелинейные искажения усиливаемых колебаний. Наиболее ча­ сто они бывают несимметричные (рис. 2.12). Изменение формы по­ лезных сигналов означает, что на выходе усилителя появляются новые частоты (высшие гармоники), которых нет на входе. Их уро­ вень оценивают при помощи коэффициента гармоник (см. § 2).

Для теоретического расчета коэффициента гармоник разрабо­ таны специальные методы. Один из них поясняется рис. 2.37, где показан график искаженного выходного тока сигнала.

В соответствии с принятыми там обо­ значениями

*--J-imP- <2-95>

Точность определения коэффициента гармоник по данной формуле получает­ ся невысокой, но она вполне достаточна для ориентировочных расчетов.

Коэффициент гармоник обычно много меньше единицы. Его часто выражают в процентах. Допустимая величи­ на Кг зависит от назначения приемника.

Для уменьшения нелинейных искажений, возникающих в усили­ теле, принимают специальные меры.

Основными показателями оконечного усилителя приемника яв­ ляются:

—выходная полезная мощность при заданном коэффициенте гармоник;

—мощность, потребляемая от источника питания;

—мощность потерь, расходуемая на нагрев усилительного при­ бора (или приборов);

—коэффициент полезного действия;

—коэффициенты частотных искажений на граничных частотах полосы пропускания.

В современных приемниках усилители мощности выполняются по однотактной или двухтактной схеме. Наиболее часто они явля­ ются трансформаторными каскадами. Бестрансформаторные усили­ тели мощности используются значительно реже.

Основное достоинство всех трансформаторных усилителей за­ ключается в том, что они позволяют получать на малом активном сопротивлении нагрузки большую выходную мощность полезного сигнала, так как с помощью трансформатора можно осуществить согласование небольшого сопротивления полезной нагрузки с боль­ шим выходным сопротивлением усилительного прибора.

Для упрощения графического и аналитического анализа свойств усилителей мощности будет использоваться испытательный синусо­ идальный сигнал средней звуковой частоты.

258