6.3. Анализ усилительных каскадов на пт в режиме усиления сигнала

6.3.1. Усилительный каскад на пт с ои

Если БТ разделяется на два типа – p-n-p и n-p-n, отличающиеся противоположными полярностями питающих напряжений, то разновидностей ПТ существует, по меньшей мере, шесть. Рассмотрим схему рис. 6.5, где изображен ПТ с p-n переходом и n-каналом. Анализ каскадов на других типах ПТ будет отличаться лишь в незначительных деталях.

На рис. 6.7,а,б,в приведены, соответственно, малосигнальные схемы для областей СЧ, НЧ и ВЧ.

Рис. 6.7. Усилительный каскад с ОИ

Для расчета параметров усилительного каскада по переменному току удобно использовать методику, описанную в подразд. 3.3, а ПТ представить моделью, предложенной в подразд. 3.4.2.

В результате расчета в области СЧ получим:

,

где ;

,

.

Эти соотношения получены в предположении, что низкочастотное значение внутренней проводимости транзистора много меньшеи.Это условие (если не будет оговорено особо) будет действовать и при дальнейшем анализе усилительных каскадов на ПТ.

В области ВЧ получим:

,

где – постоянная времени каскада в области ВЧ,;

,

где ;

.

Выражения для относительного коэффициента передачи и коэффициента частотных искаженийи соотношения для построения АЧХ и ФЧХ каскада с ОК аналогичны приведенным в подразд. 5.3 для каскада с ОЭ.

В области НЧ получим:

,

где – постоянная времени разделительной цепи в области НЧ. далее все так же, как для каскада с ОЭ.

6.3.2. Усилительный каскад на пт с ос

Вариант схемы каскада с ОС с автосмещением приведен на рис. 6.8, схемы для областей СЧ, ВЧ и НЧ приведены, соответственно, на рис. 6.9,а,б,в.

Рис. 6.8. Усилительный каскад с ОС

Рис. 6.9. Схемы каскада с ОС для СЧ, ВЧ и НЧ

Каскад с ОС называют еще "истоковым повторителем" или "повторителем напряжения, т.к., аналогично каскаду с ОК, можно показать, что коэффициент передачи по напряжению этого каскада меньше единицы, и что каскад с ОС не инвертирует фазу входного сигнала.

Графический анализ работы усилительного каскада с ОС проводится как для ОЭ (см. подразд. 5.3*).

Для расчета параметров каскада с ОС по переменному току используем методику подразд. 3.3, а ПТ представлять моделью предложенной в подразд. 3.4.2.

Проведя анализ, получим для области СЧ:

,

где ,– глубина ООС;

,

,

где – выходное сопротивление собственно транзистора,.

В целом

,

потому, что, как правило, .

В области ВЧ получим:

,

где – постоянная времени каскада в области ВЧ, определяемая аналогично ОИ;

,

где ;

.

Выражения для относительного коэффициента передачи и коэффициента частотных искаженийи соотношения для построения АЧХ и ФЧХ каскада с ОК аналогичны приведенным в подразд. 5.3 для каскада с ОЭ.

В области НЧ получим:

,

где – постоянная времени разделительной цепи в области НЧ. далее все так же, как для каскада с ОИ.

6.3.3. Усилительный каскад на пт с оз

Усилительный каскад с ОЗ (рис. 6.10) на практике используется редко, поэтому отдельно рассматриваться не будет. Отметим только, входное сопротивление каскада определяется аналогично выходному для истокового повторителя (), а остальные параметры – аналогично ОИ.

Рис. 6.10. Усилительный каскад с ОЗ

6.3.4. Характеристики ПТ при различных схемах включения

Характеристики ПТ при различных схемах включения приведены в табл. 6.1.

Таблица 6.1

Характеристики ПТ при различных схемах включения

Параметр	Схема
	ОИ	ОЗ	ОС
	Единицы МОм	Единицы, десятки Ом	Единицы МОм
	Единицы кОм	Единицы кОм	Единицы, десятки Ом
	>>1	>>1	<1
	-	1	-

Лекция 7

СПЕЦИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ

7.1. Малошумящие входные каскады

При необходимости усиления слабых сигналов, близких по уровню к электрическим флуктуациям теплового происхождения, требуются специальные меры для достижения достаточно малого значения коэффициента шума F усилителя или большого отношения сигнал/шум на его выходе. Обе величины связаны между собой простым соотношением

,

где E²_г и e²_ш.г – соответственно квадраты действующих значений э.д.с. полезного сигнала и шума, развиваемых источником усиливаемого сигнала, а N=U²_с.вых/U²_ш.вых – квадрат отношения напряжений сигнала и шума на выходе усилителя.

Коэффициент шума многокаскадного усилителя

,

где F_i и K_Pi – соответственно коэффициент шума и коэффициент усиления по мощности i-го каскада. При достаточном значении K_P1 >> F₂/F₁, что обычно стараются выполнять, коэффициент шума всего усилителя определяется только входным каскадом (F_общ ≈ F₁). Поэтому специальные меры по ограничению собственного шума усилителя распространяются чаще всего на один входной каскад.

Для достижения минимального коэффициента шума УК применяют совокупность мер:

- используют низкошумящий тип УП,

- выбирают соответствующую схему каскада и начальную рабочую точку (РТ),

- выполняют условия согласования по шумам во входной цепи.

При относительно высокоомном источнике сигнала (R_г порядка десятков кОм и выше) преимущества остаются за полевыми транзисторами с управляющим p-n-переходом с высокой крутизной усиления. При R_г около 1 кОм и ниже малый коэффициент шума позволяет получить низкошумящие БТ. ПТ с изолированным затвором в настоящее время значительно уступают по своим шумовым свойствам других УП, и строить на них малошумящие каскады избегают.

Коэффициент шума каскада с БТ практически не зависит от способа включения транзистора. Но схема с ОЭ обеспечивает максимальное усиление по мощности и, следовательно, в наибольшей мере ослабляется влияние шумов следующих каскадов. Начальную рабочую точку транзистора в малошумящем каскаде выбирают при малых значениях напряжения на коллекторном p-n-переходе (1–2 В), что ограничивает шум, создаваемый обратным током I_КБ0, и предотвращает флуктуации, вызываемые предпробойными явлениями. Существует оптимальный ток коллектора в рабочей точке (РТ), зависящий от эквивалентного генератора усиливаемого сигнала R_г.э:

,

где значения параметров S, g_вх и g_ш транзистора соответствуют рабочей точке при произвольной величине I_к=I_кном; I_эб0 – обратный ток эмиттера, мА; g_ш – эквивалентная шумовая проводимость, создающая шумовой ток I_ш в эквивалентной схеме на рис. 7.*:

.

Величину g_ш можно найти экспериментально, измерив напряжение шума на выходе каскада с данным транзистором при холостом ходе (U_ш.х.х) и коротком замыкании (U_ш.к.з) во входной цепи:

,

где K – коэффициент усиления по напряжению испытательного каскада; ∆f – полоса частот, в которой измерены напряжения шумов.

Согласование сопротивлений во входной цкпи по шумам происходит выполнении условия

,

Которое отличается от условия согласования по мощности и требует меньшего значения R_г.э, т.к. U_ш.к.з< U_ш.х.х.

При заданной величине R_г выполнить условие (7-*) удается применением трансформаторной связи с источником сигнала. Однако коэффициента шума F к рассогласованию в районе оптимума слабая, так что отличие R_г.э от оптимального значения в 2-3 раза обычно увеличивает F не более чем на 1-2 дБ.

Отношение U_ш.к.з/U_ш.х.х.зависитот частоты, в районе которой оно измерено, и возрастает с повышением частоты, стремясь к 1 на частотах порядка f_h21б. Поэтому оптимальная величина R_г.э оказывается частотно-зависимой и начиная с частоты порядка f_h21э уменьшается, стремясь к значению, оптимальному для согласования по мощности (рис. 7.*). В районе частоты f_h21э также становится существенной реактивная составляющая b_вх входной проводимости транзистора и строгое условие согласования по шумам требует ее компенсации, причем

_(7-*)

где R_г.э.опт выражается прежней формулой (7-*).

Рис. 7.1. Зависимость оптимального по шумам сопротивления источника сигнала для транзистора типа ГТ313Б (F_т=800 МГц; h_21э=150; I_э.0=5 мА).

При одновременном выполнении условий (7-*) и (7-*) или (7-*) достигается минимальный коэффициент шума

. (7-*)

Более точные выражения, а также вопросы согласования с помощью реактивных четырехполюсников рассмотрены в [ ], шумовые свойства усилителей с полевыми транзисторами освещены в [ , ].