6.4 Запитання та завдання для самоконтролю

1. Яким чином впливає на режим роботи підсилювального каскаду резистор навантаження та його зміна?

2. Визначте, які схеми підсилювальних каскадів забезпечують найбільшу стійкість до впливу дестабілізуючих факторів.

3. Нарисуйте електричні схеми та поясніть принцип дії і призначення елементів: а) схеми живлення з автоматичним зміщенням підсилювачів на польових транзисторів; б) схеми живлення МДН-транзисторів у режимах збідення та збагачення; в) підсилювача на біполярному транзисторі з фіксованим струмом бази; г) підсилювача на біполярному транзисторі з фіксованою напругою база-емітер; д) підсилювача на біполярному транзисторі з фіксованим струмом емітера; е) підсилювача на біполярному транзисторі з колекторною стабілізацією.

4. Які принципи функціонування схеми ГСС?

5. Яким чином здійснюється керування струмом ГСС?

6. Нарисуйте електричні схеми послідовного й паралельного живлення базового кола підсилювача на біполярному транзисторі й посніть призначення елементів.

7. Які методи здійснення температурної компенсації застосовують у схемах каскадів підсилення?

8. Яким чином розраховують ККД підсилювача по його динамічних характеристиках?

9. Розробити схему підсилювального каскаду спільний виток–затвор або спільний емітер, що забезпечує задане полонення робочої точки. Характеристики різних типів транзисторів зображені на рис. 6.4.

Література [19-27]

7 Каскади попереднього підсилення

7.1 Аналіз властивостей каскаду зі спільним витоком в частотних областях

Використання еквівалентних схем для аналізу каскадів попереднього підсилення

Попередні підсилювальні каскади призначені для підсилення малої напруги вхідного сигналу до значення, достатнього для функ­ціонування кінцевих (звичайно потужних) каскадів (рис. 7.1). Однією а основ­них вимог, що ставляться до таких підсилювачів, є реалізація най­більшого підсилення від кожного каскаду. Малий рівень підсилюваних сигналів дає можливість вважати активні елементи схеми пристроями лінійними та замінювати їх для аналізу лінійними схемами заміщен­ня генератора напруги або генератора струму.

Рисунок 7.1 – Електрична схема двокаскадного підсилювача на польових транзисторах (а) і еквівалентна схема його першого каскаду (б)

Розрахунки каскадів попереднього підсилення внаслідок малого рівня сигналів, як правило, виконуються аналітично, без використан­ня динамічних (навантажувальних) характеристик. Нелінійними спотво­реннями у таких підсилювачах нехтуємо і їх розрахунки не виконуємо.

Схема принципова електрична резисторного підсилювального каскаду (рис. 7.1, а) може бути перетворена у еквівалентну (рис. 4.1, б). Заміна ПТ його еквівалентною схемою і збереження у схемі тільки принципово необхідних елементів для роботи приводить до загальної еквівалентної схеми резисторного каскаду для змінного струму. У цій схемі

,

де ;;.

З цієї еквівалентної схеми можна бачити, що підсилення кас­каду зменшується за частотою з двох причин: у смузі нижніх частот — у зв’язку зі зростанням опору розділового конденсатора ; на верхніх — у зв’язку зі зменшенням опору ємності, що шунтує навантаження.

Існує смуга так званих «середніх» частот, де ємність не чинить помітної шунтуючої дії, а конденсатормає опір, яким нехтуємо.

У цій смузі частот підсилення каскаду зберігається практично незмінним. Таким чином, аналіз каскаду значно спрощується, якщо проводити його для кожної ділянки частот окремо.

Резисторний підсилювальний каскад зі спільним витоком в області «середніх частот»

Смузі середніх частот відповідає простіша еквівалентна схема підсилювального каскаду (рис. 7.2). Через те, що та, з’являється можливість виключити ємністьта закоротити конденсатор. Об’єднуючи всі провідності в одну, ще більш спрощуємо схему.

Рисунок 7.2 – Спрощена еквівалентна схема підсилювального каскаду зі спільним витоком у області «середніх частот»

Вихідна напруга схеми становить , тому коефі­цієнт підсилення

.

Враховуючи статичний коефіцієнт підсилення, дістанемо

.

З цього виразу видно, що коефіцієнт підсилення резисторного каскаду завади менший за статичний коефіцієнт підсилення. Якщо вико­нується умова , тоді

,

де — коефіцієнт навантаження.

Залежність (рис. 7.3) показує, що припідсилення лінійно зростає зі збільшенням, потім зростання значеннясуттєво сповільнюється, бо робоча точка ПТ зі зменшенням нахи­лу навантажувальної прямої перемішується у нелінійну область, непри­датну для підсилення. Згідно з цим навіть при дуже великихпід­силення каскаду практично не збільшується (а в реальних умовах на­віть зменшується). За умовоювираз дляще більш спрощується

,

(7.2)

звідки навантаження, необхідне для досягнення , становить

.

Рисунок 7.3 – Нормована навантажувальна характеристика підсилювального каскаду в області «середніх частот»

Резисторний підсилювальний каскад зі спільним витоком в області «верхніх частот»

В еквівалентній схемі каскаду для області верхніх частот (рис. 7.4) навантаженням транзистора є комплексна провідність

.

Рисунок 7.4 – Спрощена еквівалентна схема підсилювального каскаду зі спільним витоком у області «верхніх частот»

Коефіцієнт підсилення на верхніх частотах

,

(7.3)

Поділивши у рівнянні (7.3) чисельник і знаменник на , дістанемо

,	(7.4)

де — стала часу каскаду для області верх­ніх частот; — коефіцієнт підсилення в області середніх частот.

З виразу (7.4) можна здобути відповідно модуль та аргумент

,	(7.5)
.	(7.6)

Вирази (7.5) та (7.6) являють собою аналітичні вирази АЧХ та ФЧХ підсилювального резисторного каскаду на польовому транзисто­рі (рис. 7.5, а, б).

Рисунок 7.5 – Графіки АЧХ і ФЧХ підсилювального резисторного каскаду на польовому транзисто­рі

З виразу (7.5) знаходимо вираз для коефіцієнта частотних спо­творень

.

(7.7)

Зменшення підсилення зі зростанням частоти спричиняється дією ємності : її опірзнижується і шунтує. Зменшення частотних спотворень згідно з (7.7) можливо зниженнямта, за цього зменшуватикраще, але неможливо в значних межах. Змен­шеннямможна необмежено розширити смугу пропускання підсилюва­ча, оскільки

.

(7.8)

З виразу (7.8) виходить, що чим менше та більше, тим більше. Але також очевидно, що зменшенняза рахунок зменшеннясупроводжується відповідним зменшенням підсилення. Ємністьобмежує здобуття великого підсиленняза даною часто­тою.

Гранична частота підсилювального каскаду , що відповідає, може бути визначена з (7.7)

, .

Аналогічно з (7.8) може бути знайдено вираз, що відображає зв’язок між можливостями активного елемента та реальною схемою під­силювача

; ;;.

Добуток потрібного коефіцієнта підсилення на граничну частотустановить собою площу підсилення, що є потрібною від підсилювального каскаду; оскільки

, то ,

де — потрібна площина підсилення.

У свою чергу відношення характеризує доступну площу підсилення, або площу підсилення транзистора. Очевидно, що вона повинна бути завжди більше потрібної, тобто неможливо здобути від підсилювального каскаду площу підсилення, більшу за доступну

.

(7.9)

Під час вибору підсилювального елемента необхідно обов’язково перевірити виконання умови (7.9).

Резисторний підсилювальний каскад зі спільним витоком в області «нижніх частот»

У процесі аналізу схеми підсилювача в області нижніх частот зручніше використати схему еквівалентного генератора напруги (рис. 7.6), де припускається, що .

З еквівалентної схеми дістаємо

.

.

Рисунок 7.6 – Еквівалентні схеми підсилювального каскаду зі спільним витоком у області «нижніх частот» з генератором струму (а) та напруги (б)

Виносячи зі знаменника та враховуючи, що, дістаємо

,

(7.10)

де — стала часу резисторного каскаду в області нижніх частот. Звичайно, тому.

АЧХ та ФЧХ з (7.10) відповідно мають вигляд

,	(7.11)
.	(7.12)

Графіки відповідних залежностей зображені на рис. 7.6.

Рисунок 7.7 – Графіки АЧХ і ФЧХ підсилювального каскаду зі спільним витоком у області «нижніх частот»

Зі зменшенням частоти опір конденсаторазростає, і відповідно зростає спад напруги на ньому, внаслідок чого на вихід кас­каду потрапляв тільки частина напруги, тобто виникають частотні спотворення

,	(7.13)
,

За заданим рівнем частотних спотворень на частотівибірзумовлюється

.