Литература / (тоже супер) физосновы для экз

В соответствии с этим уравнением можно построить вольт-амперную характеристику резистора Rс:

Изменяя напряжение Uс от нуля до Eс, получим зависимость Iс(Uс), называемую линией нагрузки. Эту линию обычно строят по двум точкам: Uс = 0 при Iс = Eс/Rс и Uс = Eс при Iс = 0 (рис. 4.12б). Поскольку ток резистора Rс, определяемый линией нагрузки, равен току стока Iс полевого транзистора, определяемому стоковыми характеристиками, графическим решением уравнения для выходной цепи рассматриваемого усилительного каскада являются точки пересечения линии нагрузки со стоковыми характеристиками. Определяя по этим точкам значения тока Iс для различных значений напряжения Uз между затвором и стоком, можно легко построить динамическую переходную характеристику Iс(Uз) (рис. 4.12а) для данного значения сопротивления резистора Rс. Рабочая точка А в режиме покоя обычно соответствует середине линейного участка динамической характеристики, так как при этом нелинейные искажения усиливаемого напряжения минимальны. Выбрав положение рабочей точки, находят сопротивление резистора звена автоматического смещения:

Емкость конденсатора звена автоматического смещения рассчитывают по формуле

где fн — наиболее низкая частота усиливаемого напряжения.

При подаче на вход усилительного каскада переменного напряжения uвх появится переменная составляющая тока стока iс (рис. 4.12). Изменение этого тока приводит к изменению напряжения Uс между стоком и истоком; его пере-

менная составляющая uс, равная по величине и противоположная по фазе падению напряжения на резисторе Rс, является выходным напряжением усилительного каскада:

Видно, что выходное напряжение противофазно входному, причем его величина значительно больше величины входного напряжения, так как напряжение в цепи стока значительно больше, чем в цепи затвора.

Коэффициент усиления и другие параметры усилительного каскада могут быть найдены с помощью схемы замещения для переменных составляющих тока и напряжения.

С целью получения схемы замещения рассмотрим выражение для приращений тока стока Iс, зависящего от напряжения Uз между истоком и затвором и напряжения Uс между стоком и истоком. Это выражение для функции двух переменных Iс(Uз, Uс) имеет вид

Используя выражения для основных параметров полевого транзистора S = ∂Iс/∂Uз и Ri = ∂Uс/∂Iс, перепишем (4.28) в виде

Если под действием входного напряжения uвх напряжение между затвором и истоком изменяется во времени Uэ(t) = uвх, то ток стока также будет изменяться во времени, т. е. появится переменная составляющая Iс(t) = iс. Вследствие этого будет изменяться во времени напряжение между стоком и истоком: Uс(t) = uс = –Rсiс. Подставляя в (4.28а) вместо приращений Iс, Uэ и Uс переменные составляющие тока и напряжений iс, uвх и uс = –Rсiс,

получим

Решая это уравнение относительно iс, получим выражение

которому соответствует схема замещения, приведенная на рисунке 4.13. В этой схеме полевой транзистор замещен источником тока Suвх. Схема получена без учета влияния звена автоматического замещения Rи – Cи и разделительных конденсаторов C и Cс.

Из анализа схемы замещения видно, что коэффициент усиления по напряжению

усилительного каскада с общим истоком

Входное сопротивление полевых транзисторов, т.е. сопротивление между затвором и истоком, имеет величину порядка107 Ом,поэтомувходноесопротивлениерассматриваемого усилительного каскада определяется сопротивлением резистора Rз, который подключен параллельно входным зажимам полевого транзистора: Rвх ≈ Rз = 105–106 Ом.

Выходное сопротивление современных полевых транзисторов, т. е. сопротивление между стоком и истоком, имеет величину порядка 105 Ом, поэтому выходное сопротивление усилительного каскада на полевом транзисторе определяется сопротивлением резистора Rс: Rвых ≈ Rс = 103– –104 Ом, т. е. Rвых Rвх, что является важным преимуществом усилительных каскадов на полевых транзисторах.

Помимо усилительных каскадов с общим истоком в устройствах промышленной электроники применяют усилительные каскады с общим стоком (рис. 4.14). В этом каскаде нагрузочный резистор Rи включен в цепь истока, а сток по переменным составляющим тока и напряжения соединен с общей точкой усилителя. Выходное напря-

жение, равное переменной составляющей падения напряжения на резисторе Rи, снимается через конденсатор связи Cс. Усилительный каскад на полевом транзисторе с общим стоком аналогичен по своим свойствам эмиттерному повторителю. Он обла-

дает большим входным сопротивлением и коэффициентом усиления по току, малым выходным сопротивлением, его коэффициент передачи напряжения близок к единице, а фаза выходного напряжения практически равна фазе входного напряжения. Усилительный каскад с общим стоком часто называют истоковым повторителем.

Истоковые повторители, так же как и эмиттерные повторители, чаще всего применяют в качестве вспомогательных усилительных каскадов для согласования высокоомных источников усиливаемого напряжения с низкоомными нагрузочными устройствами.

Усилительный каскад с общим затвором в устройствах промышленной электроники практически не используют, поэтому он не рассматривается.

4.1.5. Режимы работы усилительных каскадов

В зависимости от положения рабочей точки в режиме покоя на характеристиках транзисторов, а также величины усиливаемого напряжения, различают три основных

режима работы усилительных каскадов или классов усиления: А, В и С. Основными характеристиками этих режимов являются величины нелинейных искажений и ко-

эффициента полезного действия (КПД).

Режим А. Режим А характеризуется тем, что рабочую точку А выбирают на линейном участке (обычно посередине) переходной характеристики транзистора. На рисунке 4.15 для режима А показано положение рабочей точки на переходной характеристике, линии нагрузки и выходных характеристиках транзистора. Величина входного напряжения в режиме А должна быть такой, чтобы

Рис. 4.15

Работа усилительного каскада в режиме А

работа усилительного каскада происходила на линейном участке характеристики. В этом случае нелинейные искажения усиливаемого напряжения будут минимальными, т. е. при подаче на вход усилительного каскада гармонического напряжения форма выходного напряжения будет практически синусоидальной. Благодаря этому режим А широко применяют в усилителях напряжения. Однако он имеет и существенный недостаток — очень низкий КПД усилителя.

КПД усилителя определяется отношением выходной мощности к мощности, потребляемой усилителем от источника питания. Выходная мощность, создаваемая усилительным каскадом на транзисторе в режиме А,

где Uкm, Iкm — соответственно амплитуды коллекторных напряжения и тока.

Потребляемая усилителем мощность частично преобразуется в выходную мощность, а частично переходит в тепло, выделяемое в элементах усилительного каскада. Эта мощность равна произведению постоянных составляющих коллекторных напряжения и тока транзистора:

Как видно из рисунка 4.15, амплитуды переменных составляющих коллекторных напряжения и тока в режиме А меньше соответствующих постоянных составляющих, т. е. Uкm U0 и Iкm I0. Следовательно, КПД усилительного каскада в режиме А всегда меньше 0,5, в действительности он редко превышает 0,35. Поэтому в усилителях мощности, для которых КПД имеет существенное значение, режим А используют очень редко.

Режим В. Режим В характеризуется тем, что рабочую точку А выбирают в начале переходной характеристики транзистора (рис. 4.16), когда ток усилительного элемента равен нулю. Эта точка называется точкой отсечки. В режиме В переменные составляющие тока и напряжения усилительного элемента возникают лишь в положительные полупериоды входного напряжения. Выходное напряжение усилительного каскада при синусоидальном входном напряжении имеет форму полусинусоиды, т.е. нелинейные искажения очень большие. Поэтому режим В используют, как правило, только в двухтактных усилителях мощности.

Режим В характеризуется значительно более высоким КПД усилителя по сравнению с режимом А, так как ток покоя в этом случае практически равен нулю, а постоянная составляющая тока усилительного элемента при наличии входного напряжения имеет сравнительно небольшую величину. КПД усилителя, работающего в режиме В, может достигать 80%.

Режим С. Режим С характеризуется тем, что рабочую точку выбирают за точкой отсечки и ток в усилительном элементе возникает только в течение некоторой части положительного полупериода входного напряжения (рис. 4.17).

Рис. 4.16

Работа усилительного каскада в режиме В

Рис. 4.17

Работа усилительного каскада в режиме С

Этот режим сопровождается большими искажениями усиливаемого напряжения, но КПД устройства может быть очень высоким и приближаться к единице. Режим С применяют в избирательных усилителях и автогенераторах, которые благодаря наличию колебательных контуров или других частотно-зависимых устройств выделяют лишь основную гармонику из несинусоидального напряжения, возникающего вследствие больших нелинейных искажений.

4.2.УСИЛИТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ И ИХ ОБРАТНЫЕ СВЯЗИ

4.2.1. Усилители напряжения

срезистивно-емкостной связью

Врассмотренных усилительных каскадах коэффициент усиления по напряжению, как правило, равен нескольким десяткам. Однако для многих устройств промышленной электроники требуются усилители с более высокими коэффициентами усиления по напряжению. В этих случаях используют многокаскадные усилители. Наиболее рас-

соединенных между собой с помощью конденсатора связи Сc1, заключенного между коллектором транзистора T1 и базой транзистора T2. Конденсатор Сc1 не пропускает постоянную составляющую коллекторного напряжения транзистора T1 в базовую цепь транзистора T2. Конденсатор связи Cс2 не пропускает постоянную составляющую коллекторного напряжения

транзистора T2 на нагрузочное устройство усилителя, которое подключают к конденсатору Cс2.

В каждом усилительном каскаде применена эмиттерная температурная стабилизация, обеспечиваемая элементами Rэ и Cэ. На рисунке 4.19 приведена схема замещения транзисторного двухкаскадного усилителя с резистивно-емкостной связью без нагрузочного устройства. Поэтому на схеме не показан конденсатор связи Cс2.

Рис. 4.19

Схема замещения транзисторного двухкаскадного усилителя напряжения с резистивно-емкостной связью

Емкостный элемент C0 учитывает входную емкость Свх второго каскада и емкость монтажа Cм:

где KU2 — коэффициент усиления по напряжению второго каскада; Ск2 — емкость коллекторного перехода второго транзистора.

Для определения коэффициента усиления транзисторного усилителя заменим усилительный каскад эквивалентным генератором (рис. 4.20) с ЭДС, равной выходному напряжению ненагруженного усилительного

каскада Uвых.хх = KUхх Uвх,

и внутренним сопротивлением, равным выходному сопротивлению усилительного каскада с общим эмиттером, т. е. Rвн = Rвых.

Как было показано ранее, коэффициент усиления по напряжению ненагруженного усилительного каскада