12

Исследование транзисторного усилителя.

1. Параметры и характеристики усилителей

Усилителем называют устройство, предназначенное для увеличения мощности электрических колебаний (Сигналов) без изменения их формы или частотного спектра.

Процесс усиления состоит в преобразовании энергии постоянного тока источника питания усилителя в энергию создаваемых выходных сигналов, изменяющихся во времени по закону изменения входных сигналов. В схеме усилителятранзисторвыполняет рольпеременного сопротивления, включенного в цепь источника постоянноготока и изменяющегося под действием входного сигнала. Изменение сопротивления транзистора приводит к изменению тока в выходной цепи транзистора, содержащей сопротивление нагрузки. При этом мощность, управляющая сопротивлением транзистора, значительно меньше управляемой мощности источника питания, передаваемой в нагрузку.

Источник энергии, расходуемой на управление транзистором, называют источником усиливаемых колебаний или источником сигнала, а также генератором сигнала. Любой генератор сигнала характеризуется ЭДСe_ги внутренним (выходным) сопротивлениемR_г.

Форма ЭДС реального сигнала, подводимого ко входу усилителя, обычно бывает довольно сложной и разнообразной. Такой сигнал содержит много гармонических составляющих. Для упрощения теоретических расчетов усилителей обычно считают, что входной сигнал является синусоидальным. Изменяя его частоту и величину (амплитуду) на входе усилителя, можно исследовать прохождение гармонических составляющих реального сигнала через усилитель и судить о степени искажений, вносимых усилителем в усиливаемый сигнал.

В самом общем виде усилитель нужно рассматривать как активный четырехполюсник, на вход которого подается усиливаемый сигнал, а к выходу присоединяется внешняя нагрузка R_н (рис 1)

Эффективность работы усилителя оценивается рядом его показателей. К ним относятся: коэффициенты усиления по напряжению K_u, по токуK_i, по мощностиK_p, входныеR_вхи выходныеR_выхсопротивления, нелинейные, линейные (частотные и фазовые) искажения и др.

В усилителях напряжения увеличение мощности определяется главным образом за счет усиления напряжения.

Коэффициент усиления напряжения

(1)

показывает во сколько раз амплитуда или действующее значение гармонического напряжения на выходе усилителя больше амплитуды (действующего значения) напряжения входного сигнала.

Входное сопротивление усилителя– это сопротивление между его входными зажимами:

(2)Error: Reference source not found

Здесь Uвх иIвх – действующие значения напряжения и тока входного синусоидального сигнала.

Error: Reference source not foundError: Reference source not found

Для источника сигнала Rвх является нагрузкой. Из рис.1 ясно, что

Error: Reference source not foundError: Reference source not found Uвх=Е(3)

где Eг – действующее значение ЭДС источника. Из (2) видно, что Uвх тем ближе к Ег (и, следовательно, меньше потери сигнала от генератора), чем больше Rвх. и меньше Rг Этот важнейший вывод необходимо помнить, когда приходится сталкиваться с передачей сигнала от одного электронного узла(играющего роль источника) к другому , который служит нагрузкой для первого.

Выходным сопротивлениемусилителя называют сопротивление между его выходными зажимами. Определяется оно аналогично входному сопротивлению.

Нелинейные искажениявозникают в усилителе при усилении сигналов с большой амплитудой. Основной причиной их появления в транзисторном каскаде является нелинейность входных и выходных характеристик транзистора.

Для оценки диапазона изменений входныхнапряжений, усиливаемых без искажений, используют амплитудную характеристику, представляющую собой зависимость амплитуды или действующего значения выходного напряжения от амплитуды или действующего значения входного гармонического напряжения (рис.2)

Из рис.2 видно, что приUвх >Uвх.maxрост выходного напряжения замедляется, т.е. коэффициент усиления уменьшается. Форма выходного сигнала перестает быть синусоидальной , что свидетельствует о наличиинелинейных искаженийсигнала.Uвх.maxзадается для каждого конкретного усилителя допустимым значениемкоэффициента гармоник

где U1 – действующее значение первой гармоники выходного напряжения, аUn– высшие гармонические составляющие выходного сигнала.

Минимальное значение входного напряжения определяется уровнем собственных шумов на входе усилителя.

Отношение D= (Uвх.max/Uвх.min) характеризуетдинамический диапазонусилителя. Часто величинаDоценивается в децибелах:

Error: Reference source not found

К линейным искажениям, приUвх <Uвх.max,относятся амплитудо-частотные(сокращенно частотные искажения) ифазо-частотные (фазовые) искажения.

Частотные искажениявозникают в усилителе при усилении сложных сигналов, состоящих из многих простейших гармонических колебаний.Частотные искаженияпроявляются в виде изменениякоэффициента усиления на разных частотах ввиду наличия в схеме усилителя реактивных сопротивлений, величина которых зависит от частоты. Частотные искажения нарушают нормальные соотношения амплитуд элементарных составляющих усиливаемого сигнала, поэтому его форма на выходе усилителя оказывается иной, чем на входе,хотя частотный состав сигналов в процессе усиления не изменяется.

Количественно частотные искажения оцениваются коэффициентом частотных искажений, который определяется отношением коэффициента усиления на средних частотах (где обычно он практически постоянен в широкой области частот) к коэффициенту усиления на заданной частоте:

Error: Reference source not found

На граничных рабочих частотах, нижней f^*_ни верхнейf^*_в, усилителя допустимо иметь:

Спектр частот заключенных между граничными частотами, называют полосой пропускания усилителя: Error: Reference source not found

Фазовые искажения возникают в усилителе одновременно с частотными, так как обусловлены одними и теми же элементами схемы. Они нарушают фазовые сдвиги между различными гармоническими составляющими усиливаемого сигнала и дополнительно изменяют форму выходного сигнала. _____________________________ _ 2. Транзисторный каскад с общим эмиттером

Наиболее часто для усиления напряжения применяются транзисторы, включенные по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Такое название обусловлено тем, что цепь эмиттера(для переменного тока) является общей как для источника сигнала , так и для нагрузки.Типичный усилительный каскад изображен на рис.3. Резистор Rк служит нагрузкойтранзистора T, аRн – нагрузкой усилительного каскада в целом. КонденсаторCp₁необходим для разделения постоянного тока цепи источника сигнала с ЭДСEг и внутренним сопротивлениемRг и входной цепи каскада. С помощью источника постоянного напряженияEк осуществляется питание коллекторной цепи постоянным током.Питаниепостоянным токомбазовой цепи осуществляетсяот этого же источникачерез делитель напряжения R₁R_2. Путем выбора соотношения плеч делителя напряженияR₁R₂и резистораRк обеспечивается нужный режим покоя (величина постоянного тока и напряжения в цепи базы и цепи коллектора при отсутствии сигнала).Резистор Rэслужит для стабилизации режима покоя.Конденсатор Cэ шунтирует резистор Rэ (Хс<<Rэ)по переменному току и, благодаря этому эмиттер транзистора оказывается подключенным кземле. Нагрузочный резисторRн включается на выходе каскада через разделительный конденсаторCp₂, не пропускающий постоянный ток в цепь нагрузки.. При повышении входного напряжения в усилителе увеличивается ток базы и , соответственно, ток коллектора (Ik=ВIб), а это приводит к понижению коллекторного напряжения.Таким образом, фаза сигнала в усилителе с общим эмиттером (ОЭ) меняется на на всех частотах.

При работе усилительного каскада в режиме, соответствующем линейным участкам амплитудной характеристики, то есть в отсутствии искажений, коэффициент усиления можно рассчитать если воспользоваться схемой замещения усилительного каскада для переменных составляющих токов и напряжений в области средних частот (Рис.1) (без учета влияния паразитных емкостей) и рис.3, где Iвх =Iб – переменная составляющая тока базы,Iвых =Iк =ВIб– переменная составляющая тока коллектора,Uвх=Uб иUвых=Uк – переменные составляющие напряжения , соответственно, на базе и на коллекторе. Генератор Евых. отражает усилительные свойства каскада.

Для определения коэффициента усиления рассмотрим уравнение для входной и выходной цепей усилительного каскада, составленные на основе эквивалентной схемы :Uвх=IвхRвх

Uвых=Eвых, гдеEвых=IвыхRвых(еслиRн=0 ).Error: Reference source not foundError: Reference source not found

Учитывая, что Iвых=Iк=ВIвх иRвых=Rк для ненагруженного каскада (приRн >>Rк) получим для коэффициента усиления уравнение

Кхх = = -В(8)Error: Reference source not found

Знак “-” в выражении (11) означает, что выходное напряжение колеблется в противофазе с входным. Коэффициент усиления каскада, работающего в режиме холостого хода (Rн >>Rк):

Error: Reference source not foundЭто выражение показывает, что коэффициент усиления по напряжению пропорционален коэффициенту усиления по току В транзистора и отношению сопротивления коллекторного резистора Rк к входному сопротивлениюRвх транзистора.Выходное сопротивление усилительного каскада с общим эмиттером определяется , в основном, величиной Rк, поскольку внутреннее сопротивление транзистора велико и в расчете его можно не учитывать .

Проведем анализ усилительных свойств каскада при учете влияния Ср и реально существующей паразитной емкости Со, шунтирующей нагрузку, в качестве которой чаще всего выступает входное сопротивление следующего усилительного каскада Rвх.(Рис.4).Error: Reference source not foundError: Reference source not found

На рис.4 приведена выходная часть эквивалентной схемы усилителя , к которой через переходную емкость Ср подключена комплексная нагрузка Со и Rвх.

Error: Reference source not foundНа этой схеме усилительный каскад заменен эквивалентным генератором сигнала с ЭДС, равной выходному напряжению ненагруженного усилительного каскада

Uвых,хх =KххUвх

и внутренним сопротивлением, равным выходному сопротивлению каскада с общим эмиттером Rвых.

Представление об амплитудно-частотной характеристике усилителя проще всего получить , если провести упрощения схемы , которые можно допустить на краях частотного диапазона . В области низких частот емкостное сопротивление

очень велико в сравнении сRн, поэтому следует оставить в схеме последнее, а из элементов последовательной цепи оставим Ср, а резисторомRвых пренебрежем. Оставшаяся схема представляет собой фильтр высоких частот (ФВЧ) с коэффициентом передачи:

. , гдеt_н=СрRвхError: Reference source not found

Из этой формулы видно, что на коэффициент усиления сильное влияние оказывает емкость конденсатора связи Cp, входящая в выражение постоянной времени t_н . С уменьшением частоты, сопротивление конденсатора связи

Xс_p = 1/wCpвозрастает, падение напряжения на нем увеличивается, выходное напряжение уменьшается, что приводит к снижению коэффициента усиленияKн.

В области верхних частот, по аналогии, имеет смысл учитывать элементы(Rвых и Со) образующие фильтр низких частот

и выражение для коэффициента усиления Kв имеет вид:

,гдеtв=RвыхСо.Error: Reference source not foundError: Reference source not found

Это означает, что на коэффициент усиления оказывает влияние емкость C₀,входящая в выражение для постоянной времениtв. Сопротивление емкостного элементаXс₀= 1/wС₀ на нижних частотах много большеRвх, поэтому оно не влияет на величину выходного напряжения. На верхних частотах сопротивлениеXс₀становится

соизмеримым с сопротивлением Rвх.Cростом частотысопротивление Xс₀уменьшается, шунтирует сопротивлениеRвх,поэтомувыходное напряжение, а следовательно, и коэффициент усиления Kвснижаются. На средних частотах влиянием Ср и Со можно пренебречь и коэффициент усиления не меняется. Таким образом, суммарная АЧХ (амплитудно-частотная характеристикаK(w) и, соответственно, ФЧХ (фазо-частотная характеристикаj(w)) усилителя напряжения с резистивно-емкостной связью изображена на (рис.5 ).

Снижение коэффициента усиления в области нижних и верхних частот можно оценить коэффициентами частотных искажений Mн и Мв.На нижних частотах:

На верхних частотах:

Error: Reference source not foundError: Reference source not found

Очень часто допустимое значение частотных искажений принимают равным. Подставляя это значение в формулы (11) и (12), найдем граничные частоты, определяющие полосу пропускания усилителя.

Dfп =fв.гр –fн.гр;wн.гр =1/tн; wв.гр = 1/tв; илиfн.гр. = 1 / (2ptн);fв.гр. = 1 /(2ptв).

Фазо-частотная характеристика (рис5 снизу) показывает, что в области нижних частот выходное напряжение опережает по фазе входное напряжение, а в области верхних частот оно отстает по фазе от входного.