Масленников Основы шемотехники електронных цепей

Рис. 2.4. Переходные характеристики усилителя

Частотные и импульсные параметры усилителя связаны соотношениями:

в области высоких частот (малых времен)

в области низких частот (больших времен)

Нелинейные искажения приводят к изменению формы синусоидального сигнала. Если рабочая точка выбрана правильно, то искажения синусоидального сигнала проявляются в одновременном ограничении верхней и нижней части синусоиды (рис. 2.5, а). Если рабочая точка выбрана неправильно, то искажения проявляются сначала в ограничении верхней части синусоидального сигнала (рис. 2.5, б) или, наоборот, в ограничении нижней части синусоидального сигнала (рис. 2.5, в).

При нелинейных искажениях выходной сигнал содержит гармоники основной частоты 1 . Уровень нелинейных искажений можно оценить с помощью коэффициента нелинейных искажений:

1

Un2макс 2

где U1макс – амплитуда напряжения первой гармоники; Un макс –

амплитуда напряжения n-й гармоники. Коэффициент нелинейных искажений можно определить с помощью селективного вольтметра, измеряя амплитуды каждой гармоники.

Нелинейные искажения также можно оценить с помощью амплитудной характеристики (рис. 2.6). По этой характеристике определяют коэффициент относительного отклонения от линейной характеристики:

где Uвых. лин – амплитуда выходного сигнала при отсутствии нелинейных искажений.

При небольшой величине н. и 10 % амплитудная характери-

стика позволяет определить наличие нелинейных искажений, которые трудно определить визуально по осциллограмме выходного напряжения.

32

Рис. 2.6. Амплитудная характеристика усилителя

По амплитудной характеристике также можно определить такой важнейший параметр усилителя как динамический диапазон усилителя

где Uвых.макс – максимальный выходной сигнал при заданном коэффициенте н.и , Uвых.мин – минимальный выходной сигнал при

заданном отношении сигнал – шум определяется по амплитудной характеристике (см. рис. 2.6). Динамический диапазон будет максимальным при правильно выбранной рабочей точке.

Основные параметры усилительного каскада

Основными параметрами усилительного каскада являются:

KU – коэффициент усиления по напряжению;

изменении сопротивления нагрузки,

fн и fв – нижняя и верхняя граничные частоты усилителя.

Все параметры усилительного каскада определяются параметрами транзистора, а также сопротивлениями резисторов и емкостями конденсаторов. Для определения параметров усилительного каскада в линейном режиме и в области средних частот необходимо использовать эквивалентную схему транзистора для малых сигналов (см. рис.1.14) и знать малосигнальные параметры транзистора:

– коэффициент усиления базового тока;

m – коэффициент, зависящий от типа транзистора (для используемых в работе кремниевых транзисторов его можно считать примерно равным 1,5);

rб – сопротивление базового слоя транзистора.

С учетом названных параметров транзисторов параметры усилительного каскада можно рассчитать по следующим формулам.

Входное сопротивление

венное входное сопротивление каскада с общим эмиттером, которое определяется по формуле:

Выходное сопротивление каскада можно считать равным Rк ,

так как сопротивление закрытого коллекторного перехода достаточно велико.

35

Коэффициент усиления по току определяется формулой:

Нижнюю граничную частоту экспериментально можно определить по уменьшению коэффициента усиления в области низких частот и спаду плоской вершины на переходной характеристике. Во втором случае нижнюю граничную частоту fн следует рассчи-

тывать по формуле (2.8).

В области высоких частот следует учитывать параметры транзистора, обуславливающие его инерционные свойства. Такими параметрами являются:

Ск – емкость закрытого коллекторного перехода;

– постоянная времени коэффициента усиления базового тока

36

где fa – верхняя граничная частота коэффициента передачи эмит-

терного тока при включении транзистора по схеме с общей базой.

Зная эти параметры, верхнюю граничную частоту можно определить по следующей формуле:

делена не только по амплитудно-частотной, но и по переходной характеристике. В этом случае fв следует определять по формуле

(2.7).

Усилительный каскад с общим коллектором (эмиттерный повторитель)

Схема простейшего эмиттерного повторителя приведена на рис. 2.7. Назначение элементов в схеме практически такое же, как в схеме с общим эмиттером.

Исключение составляет сопротивление Rэ , которое, с одной

стороны, как и в схеме с общим эмиттером, обеспечивает стабильность рабочей точки (за счет отрицательной обратной связи по напряжению), а с другой стороны, является тем сопротивлением, с которого снимается выходное напряжение. Нетрудно понять, что ток в нагрузке может быть больше, чем входной, поскольку эмиттерный ток транзистора в ( 1) раз больше тока базы, т.е. в схеме

возможно его усиление. Коэффициент усиления напряжения в схеме меньше единицы, так как некоторая незначительная часть вход-

37

ного напряжения падает на переходе база – эмиттер транзистора, т.е. Uвх Uвых , причем напряжение на входе совпадает по фазе с напряжением на выходе. Поскольку можно считать, что Uвх Uвых , схема и называется эмиттерным повторителем.

Рис. 2.7. Усилительный каскад с общим коллектором

В отличие от схемы с общим эмиттером в эмиттерном повторителе постоянное напряжение на базе всегда меньше, чем напряжение на коллекторе и поэтому исключен режим насыщения. При создании с помощью базового делителя R1 и R2 достаточного на-

пряжения на базе (Uбэ 0,6 В) эмиттерный переход будет открыт,

и транзистор будет работать в активной области.

Для обеспечения большого динамического диапазона необходимо, чтобы напряжение на эмиттере составляло примерно 0,5Eп .

В этом случае напряжение на базе будет равно Uб 0,5Eп 0,6B .

стабильность рабочей точки, изложенные применительно к каскаду с общим эмиттером, справедливы и для эмиттерного повторителя. Однако необходимо учитывать, что от значений сопротивлений R1 ,

R2 , Rэ зависят и основные параметры повторителя.

38

Основные параметры эмиттерного повторителя

Основные параметры эмиттерного повторителя в области средних частот можно рассчитать по следующим формулам:

Нижнюю граничную частоту можно определить по формуле

Верхнюю граничную частоту следует определять по приближенной формуле (2.18), где

Анализ приведенных формул показывает, что по сравнению со схемой с общим эмиттером повторитель имеет следующие особенности:

большее входное сопротивление,

39

меньшее выходное сопротивление, меньшую нижнюю граничную частоту, большую верхнюю граничную частоту.

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО МАКЕТА

Схема макета приведена на рис. 2.8. Макет используется для исследования и определения параметров усилительного каскада с общим эмиттером и эмиттерного повторителя. Для исследования влияния параметров элементов схемы на искажения, вносимые каскадом, в макете предусмотрена возможность изменения С1, Сн

и Rн . Напряжение питания выбирается +10 В и подводится к клеммам Eп 10 В и общей шине (0).

Рис. 2.8. Лицевая панель лабораторного макета

40