Электроника и схемотехника (Ерёменко В.Т

Выражение КU в децибелах позволяет определять результирующий КU для нескольких последовательно соединенных каскадов сложением коэффициентов, а не умножением их:

КU,дБ = КU1,дБ + КU2,дБ +· ··· +· КUN,дБ.

2. Коэффициент усиления по току:

Коэффициенты усиления по току и напряжению, определяемые для гармонических входных воздействий, как правило, рассматриваются в виде комплексных величин, завися-

щих от частоты – K jω или K ω .

5. Коэффициент преобразования (передачи) – более общее понятие, частным случаем которого является коэффициент усиления, это отношение величины выходного сигнала к величине входного, например:

S = IВЫХ /UВХ – коэффициент преобразования напряжения UВХ

в ток IВЫХ; W = PВЫХ / IВХ – коэффициент преобразования тока в мощность.

6. Динамический диапазон усиления:

D = UВХ MAX / UВХ MIN; D, дБ = 20lgD.

Это отношение наибольшего допустимого входного напряжения

к его наименьшему значению: UВХ MAX – ограничено сверху возникновением искажений на выходе; UВХ MIN – ограничено снизу уровнем собственных шумов, когда уже невозможно различить шум и полезный сигнал.

7. Коэффициент полезного действия (КПД) – это отношение выходной мощности, отдаваемой усилителем в нагрузку, к общей мощности, потребляемой от источника питания:

η = РВЫХ / Р0.

КПД характеризует энергетические показатели усилителя.

8. Напряжение шумов и помех усилителя.

Наличие шумов на выходе усилителя при отсутствии входного сигнала объясняется несколькими причинами:

–тепловым шумом сопротивлений, обусловленным хаотическими движениями носителей заряда в проводнике, находящимся при температуре выше абсолютного нуля;

–шумами электронных приборов, также обусловленными тепловым действием и неоднородностями структуры;

–шумами, создаваемыми за счет пульсаций напряжения источников питания.

Шумовые свойства оценивают коэффициентом шума:

Коэффициент шума показывает во сколько раз ухудшается отношение сигнал/шум на выходе усилителя по сравнению с отношением сигнал/шум источника сигнала.

Ввиду того, что коэффициенты усиления – величины комплексные, важнейшими характеристиками усилителей являются амплитудные, амплитудно-частотные (АЧХ), фазочастотные (ФЧХ), амплитудно-фазо-частотные (АФЧХ) характеристики.

9. Амплитудная характеристика – это зависимость амплитудного значения напряжения первой гармоники выходного напряжения от амплитуды синусоидального входного напряжения (рис. 7.4).

Рис. 7.4. Амплитудная характеристика усилителя (UШ – напряжение шума)

10. АЧХ – это зависимость модуля комплексного коэффициента усиления K f от

частоты f входного сигнала (рис. 7.5, а).

и входным напряжениями от частоты f (рис. 7.5, б). На рис. 7.5 обозначено: К0 – коэффициент усиления на средней частоте f0; КН, КВ – коэффициенты усиления на нижней (fН) и верхней (fВ) границе полосы пропускания усилителя; φН, φВ – фазовый сдвиг, соответственно на нижней и верхней частотной границе.

12. АФЧХ – это построенная на комплексной плоскости зависимость модуля коэффи-

циента усиления K f и угла сдвига фазы между входным и выходным напряжениями от

частоты. АФЧХ объединяет АЧХ и ФЧХ (рис. 7.6).

Рис. 7.6. АФЧХ усилителя переменного тока

АФЧХ представляет собой годограф вектора K f на комплексной плоскости, длина

которого соответствует модулю коэффициента усиления на данной частоте, а угол поворота относительно оси действительных чисел соответствует сдвигу фаз между входным и выходным сигналами.

Свойства усилителей по быстродействию характеризуются переходной характеристикой (ПХ).

13. ПХ – это зависимость от времени выходного напряжения усилителя, на вход которого подан мгновенный скачок напряжения UВХ(t) (рис 7.7).

Рис. 7.7. Переходная характеристика усилителя

На рис. 7.7 обозначено: выброс δ – величина максимального превышения над установившимся значением; tУ – время установления от уровня 0,1 UВЫХ УСТ до уровня 0,9 UВЫХ УСТ;

К– относительный коэффициент усиления (за 1 принята величина

К=UВЫХ /UВЫХУСТ ).

Таким образом, форма сигнала не искажается, если фазовый сдвиг, вносимый усилителем, изменяется прямо пропорционально частоте. Идеальной ФЧХ является прямая, проходящая под углом к горизонтальной оси. Мерой фазовых искажений является разность ординат действительной

и идеальной ФЧХ – Δφ (рис. 7.8). Частотные и фазовые искажения относятся к линейным искажениям.

Рис. 7.8. Отклонение реальной ФЧХ (показана пунктиром) от идеальной

17. Наряду с линейными искажениями в усилительных устройствах присутствуют и нелинейные искажения, обусловленные нелинейностью амплитудной характеристики усилителя. Их оценивают либо коэффициентом нелинейных искажений КНИ, либо коэффициентом гармоник КГ.

где P1 – мощность первой гармоники выходного сигнала;

Pn – мощность n-й гармоники выходного сигнала.

В обоих случаях в числителе подкоренного выражения стоит сумма мощностей гармоник с порядком, большим единицы.

7.3.Усилительные каскады на биполярных транзисторах

Принципы построения и действия различных каскадов поясним на примере структурной схемы для усилительного каскада на каком-либо усилительном элементе (УЭ).

Рис. 7.9. Структурная схема усилительного каскада и осциллограммы сигналов на его входе и выходе

Основным элементом каскада (рис. 7.9) является управляемый (усилительный) элемент (УЭ) – это может быть, в частности, биполярный или полевой транзистор. Резистор R ограничивает ток источника питания ЕП. Усиливаемый входной сигнал UВХ подается на вход УЭ. Выходной сигнал снимается с выхода УЭ или резистора R. Выходной сигнал UВЫХ создается в результате изменения сопротивления УЭ, т.е. в результате изменения тока i в выходной цепи под воздействием UВХ.

Процесс усиления основывается на преобразовании энергии источника постоянного напряжения ЕП в энергию переменного напряжения в выходной цепи за счет изменения внутреннего сопротивления УЭ по закону, задаваемому входным сигналом. Переменный ток и напряжение выходной цепи (пропорциональные току и напряжению входной цепи), следует рассматривать как переменные составляющие суммарного тока и напряжения, состоящего из постоянной и переменной составляющих.

Таким образом, для обеспечения работы усилительного каскада при переменном входном сигнале в его выходной цепи должны быть созданы постоянные составляющие тока IП и напряжения UП. Эти составляющие определяют режим покоя усилительного каскада. Параметры покоя по входной и выходной цепи характеризуют статический режим схемы при отсутствии входного сигнала. Если усилительный элемент – транзистор, то параметры усилительного каскада зависят от способа включения транзистора, выполняющего роль управляемого элемента. Для биполярных транзисторов различают три вида каскадов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК), общей базой (ОБ).

Усилительный каскад с общим эмиттером (схема ОЭ). Упрощённая схема каскада с общим эмиттером показана на рис. 7.10.

В схеме эмиттерная цепь является общей для входного контура, образованного источником сигнала и цепью база-эмиттер транзистора, и для выходного контура, содержащего цепь коллектор-эмиттер транзистора, разделительный конденсатор CC2 и резистор RН.

Рис. 7.10. Схема усилительного каскада с транзистором, включённым по схеме с общим эмиттером

Назначение и обозначения элементов в схеме (рис. 7.10): ЕК – ЭДС источника питания; UК – напряжение на коллекторе;

UБЭ – напряжение между базой и эмиттером; ЕВХ – ЭДС источника входного сигнала; UВХ, UВЫХ – входное и выходное напряжение;

RВИ – резистор в цепи источника сигнала; RБ – резистор для cоздания начального тока базы IБЗ; RК – резистор для ограничения тока в цепи коллектора; RН – резистор нагрузки; СC1 – разделительный конденсатор на входе; СC2 – разделительный конденсатор на выходе;

iВХ, IВЫХ – входной и выходной токи; IК – коллекторный ток. Разделительный конденсатор на входе СC1 исключает прохождение постоянного тока от источника питания в цепь источника входного сигнала.

Конденсатор СC2 обеспечивает прохождение в резистор нагрузки переменной составляющей UВЫХ коллекторного напряжения UК, не пропуская в нагрузку постоянный ток от источника питания ЕК. Величина ЕК обычно составляет (5 – 30) В, а токи транзисторов малой мощности обычно не превышают несколько десятков миллиампер.

Для коллекторной цепи транзистора при отсутствии входного сигнала справедливо уравнение, называемое уравнением покоя выходной цепи:

Процесс усиления входного сигнала удобно представить графо-аналитическим способом, используя ВАХ транзистора. Подробное описание и иллюстрация такого способа представлены на рис. 7.11.

Рис. 7.11. Иллюстрация процесса усиления входного сигнала в схеме ОЭ

Для проведения анализа работы схемы, изображенной на рис. 7.10, уравнение (7.9) выходной цепи (UК = EК – RК IК) изобразим на плоскости выходных характеристик транзистора в виде прямой линии с координатами точек (UК = Eк, IК = 0) и (UК = 0, IК = ЕК / RК). Эта линия является вольт-амперной характеристикой (ВАХ) резистора RК и называется линией нагрузки. Точки пересечения линии нагрузки с выходными характеристиками дают графическое решение уравнения покоя (7.9) для данного сопротивления RК и различных значений тока базы IБЗ.

Во втором квадранте строим характеристику IК = f(IБЗ) по точкам пересечения а/, п/, в/. Затем в третьем квадранте строим по току IБЗ входную характеристику IБЗ = f(UБЭ), повернутую на 900 против часовой стрелки по сравнению с её обычным изображением.

Сопротивление резистора RК выбирают, исходя из того, чтобы линия нагрузки располагалась ниже линий IК МАХ,UК МАХ, РК МАХ. В то же время участок а/в/ должен быть достаточно протяженным.

Резистор RБ обеспечивает режим покоя базы. С помощью этого резистора можно выбрать положение точки п// на линейном участке входной характеристики, при этом:

При подаче на вход каскада переменного напряжения UВХ(t) ток базы будет изменяться в соответствии с входной характеристикой и будет иметь постоянную и переменную составляющую. В транзисторе будут изменяться

коллекторный и эмиттерный токи, а также коллекторное напряжение UК. Переменная составляющая коллекторного напряжения UК(t) = UВЫХ будет по амплитуде значительно больше UВХ и противоположна по фазе (рис. 7.11).

Если UВХ(t) укладывается в линейный участок характеристики IБЗ = f(UБЭ), то искажений формы сигнала не будет. Если UВХ(t) больше некоторого значения, появятся искажения формы – срезы, т.е. будут возникать нелинейные искажения. Оценку диапазона изменений входных напряжений, усиливаемых без искажения (динамического диапазона), делают по

амплитудной характеристике. Диапазон работы без искажений ограничивается линейным участком амплитудной характеристики (рис. 7.12, б).

При работе усилительного каскада в режиме, соответствующем линейным участкам характеристик, т.е. при отсутствии искажений, параметры усилителя можно рассчитать аналитически по

h-параметрам транзистора. Для этого используем схему замещения транзистора, включенного по схеме ОЭ, а в схеме каскада мысленно «закорачиваем» выводы конденсаторов и источника питания. Схема замещения приобретает вид, показанный на рис. 7.12, а.

Рис. 7.12. Cхема замещения каскада в h-параметрах (а) и определение диапазона неискаженной работы (б)

Система уравнений, соответствующая схеме замещения, имеет вид:

Определяем коэффициент усиления по напряжению, учитывая, что RК · h22 << 1. В этом случае

КU = UВЫХ / UВХ = h21 / h11 · RК / (1 + RК h22) ≈ RК · h21 / h11; (7.13)

Как правило, RВХ составляет сотни Ом – несколько кОм; RВЫХ обычно больше RВХ.

Низкое входное сопротивление создает трудности в работе источника сигнала, если его внутреннее сопротивление велико. В этом случае образуется делитель напряжения входного сигнала, и лишь его малая доля попадает во входную цепь транзистора (рис. 7.10):

UВХ = eВХ · RВХ / (RВИ + RВХ) << eВХ.

При высоком выходном сопротивлении каскада требуется, чтобы сопротивление нагрузки RН было еще больше, иначе существенно уменьшается коэффициент усиления по напряжению.

Если RН << RК, то|КU| = h21/ h11 · (RН || RК ) << h21 / h11 · RК.

Температурная стабилизация каскада ОЭ. С ростом температуры в полупроводнике увеличивается число неосновных носителей заряда, и в транзисторе увеличивается коллекторный ток IК. С ростом IК напряжение UК = EК – RК · IК уменьшается (рис. 7.13).

Рис. 7.13. Смещение точки покоя с ростом температуры

Со смещением точки покоя увеличивается вероятность искажений. Для уменьшения влияния температуры на характеристики каскада используют схемы температурной стабилизации (рис. 7.14).

Рис. 7.14. Схема каскада ОЭ с эмиттерной термостабилизацией

Сопротивление RЭ создаёт зависимость UБЭ от IЭ, однако при этом часть входного сигнала теряется из-за отрицательной обратной связи по току эмиттера. Включение CЭ препятствует снижению коэффициента усиления.

Принцип температурной компенсации состоит в следующем.

В режиме покоя UБЭ = EК R/Б / (R/Б + R//Б) – RЭIЭ. Температурное увеличение тока IЭ вызывает уменьшение управляющего транзистором напряжения UБЭ, препятствующее этому увеличению. Исходное состояние транзистора сохраняется, однако часть коллекторного (выходного) напряжения теряется в виде падения напряжения на резисторе RЭ, что снижает коэффициент усиления схемы. При наличии входного сигнала UБЭ = UВХ – ZЭ IЭ, где ZЭ – эквивалентное сопротивление в цепи эмиттера. Если конденсатор СЭ отсутствует, то ZЭ = RЭ

и коэффициент усиления для переменной составляющей выходного напряжения будет снижен. Если параллельно резистору RЭ подключить конденсатор СЭ, имеющий сопротивление