ЛекцииСАиЦУ_ФКП

Y11 = g11 + jωC11 – комплексная входная проводимость при коротком замыкании на выходе;

Y12 = g12 + jωC12 – комплексная взаимная проводимость при коротком замыкании на входе;

Y 21 = g21 + jωC21 – комплексная взаимная проводимость при коротком замыкании на выходе;

Y 22 = g22 + jωC22 – комплексная выходная проводимость при коротком замыкании на входе.

Комплексные проводимости Y – параметров учитывают как резистивные, так и ёмкостные составляющие проводимостей областей биполярной транзисторной структуры.

Основным параметром, который в первую очередь определяет усилительные свойства транзистора, является проводимость Y21, часто называемая крутизной транзистора и обозначаемая S.

Проводимость Y11 является главной характеристикой входных свойств транзистора, а Y22 – выходных, поэтому указанные проводимости соответственно называются входной и выходной проводимостью транзистора.

Параметр Y12 характеризует влияние выходного напряжения на входной ток, т.е. степень прохождения сигнала в направлении обратном основному (в направлении с выхода на вход), поэтому проводимость Y12 носит название проводимости обратной связи.

Существенным отличием усилительных приборов от пассивных цепей является их свойство преимущественной однонаправленности передачи сигналов, которое может быть охарактеризовано неравенством |Y21| >> |Y12|.

В основной частотной области транзистора, под которой понимается область частот f < fS, где fS – частота, на которой модуль крутизны транзи-

стора уменьшается в 2 раз, взаимосвязи между токами и напряжениями в транзисторе определяются вещественными коэффициентами. В этой частотной области для характеристики свойств транзистора вместо системы ком-

53

плексных Y–параметров используется система вещественных g–параметров, включающая параметры g12, g11, g22, g21 .

При этом:

где iВХ , iВЫХ , uВХ , uВЫХ – сигнальные токи и напряжения. Соотношения (3.1) удобно в целях наглядности взаимодействия между

токами и напряжениями представить в виде эквивалентной схемы замещения четырёхполюсника (рис. 3.1.).

Рис. 3.1.

Эта схема включает два зависимых генератора тока, один их которых (источник тока g21 uВХ ) характеризует степень управляющего воздействия входного напряжения uВХ на выходной ток iВЫХ , а второй g12 uВЫХ – воздействие обратной связи через проводимость g12 на входной ток iВХ .

На переменном токе эквивалентную схему усилительного прибора рассматривают в виде четырёхполюсника, к выходным клеммам 2–2’ которого подключена нагрузка YН, а к входным – источник сигнала с ЭДС ЕС и выходным сопротивлением ZС (рис. 3.2.).

Транзисторы и большинство других УП являются трёхполюсными приборами, поэтому при их представлении в виде четырёхполюсника один из выводов УП оказывается общим для входной и выходной цепей, т.е. усилительные приборы представляются как четырёхполюсники с общей стороной,

54

которая при рассмотрении их свойств как четырёхполюсников обычно подключается к точке нулевого потенциала.

Рис. 3.2.

Согласно общей теории четырёхполюсника свойства в представленной на рис. 3.2. схеме для основной рабочей частотной области транзистора (f << fS ), при резистивной нагрузке (YН = gН) и резистивном по выходной про-

водимости gС = 1 источнике сигнала определяются формулами

RС

При нахождении значений коэффициента усиления следует иметь в виду, что наличие знака минус перед результатом проведенных в соответствии с (3.2) вычислений указывает на противофазность выходного напряжения uВЫХ относительно входного uВХ . Так, если для какой-либо схемы парамет-

ры g21, g22 , gН и gВХ положительны, то знак минус перед правыми частями выражений для К указывает на инвертирующий характер передачи по напряжению. В такой схеме фактические направления изменений сигналов uВЫХ и uВХ оказывается взаимно противоположными (противофазными).

Когда комплексным характером параметров транзистора, нагрузки или источника сигнала пренебречь нельзя, соотношения (3.2) остаются в силе, за

55

исключением того, что все или часть входящих в (3.2) данных приобретают комплексный характер (например, на частотах (f >> fS) вместо g–параметров следует использовать Y–параметры, при этом ряд входящих в левую часть (3.2) результатов также приобретают комплексный характер.

3.2. Способы включения транзистора в схему усилительного каскада

Основными звеньями, на базе которых осуществляется синтез и проектирование усилительных схем, являются одиночные усилительные каскады. Знание свойств этих каскадов является условием грамотного составления принципиальной схемы.

Исходным пунктом при проектировании одиночного каскада является выбор способа включения в его схему УП. Возможны шесть способов подключения трёхполюсного элемента к схеме, но практически в усилительных схемах используется только три, так как только при этих трёх способах входные сигналы обладают эффективным управляющим воздействием на выходной ток. Эти применяемые способы включения представлены на рис. 3.3. и 3.4., где приведены эквивалентные схемы каскадов на переменном токе, при этом рис. 3.3. соответствует каскадам на биполярных транзисторах, а рис. 3.4. – на полевых транзисторах. Во всех схемах один из электродов УП является общим для входных 1–1’ и выходных 2–2’ зажимов, поэтому схемы на рис. 3.3,а–в называют соответственно схемами общий эмиттер (ОЭ), об-

щий коллектор (ОК) и общая база (ОБ), а схемы рис. 3.4,а–в — схемами общий исток (ОИ), общий сток (ОС) и общий затвор (ОЗ).

Сформулируем целесообразность применения того или иного способа включения.

Наибольшее усиление по мощности обеспечивает включение УП по схеме ОЭ или ОИ. Это включение считается основным. При нём в каскаде имеет место не только наибольшее усиление по мощности, но и, как правило, существенные усиления по току и напряжению, приближающиеся к макси-

56

мально достижимым. Поэтому при проектировании ориентируются в первую очередь на использование схем ОЭ и ОИ.

Рис. 3.3. Рис. 3.4.

Как правило, приводимые соотношения для g–параметров относятся к этим схемам включения без каких–либо дополнительных индексов, тогда как параметры, относящиеся к другим включениям, снабжаются соответствующими индексами. Так, например, g11ОК означает входную проводимость, со-

ответствующую включению транзистора по схеме ОК.

В ряде случаев получение наибольшего усиления не является главной задачей. В связи с этим часто в усилителях применяют другие схемы включения, которые по ряду параметров и свойств превосходят основную схему включения.

57

В схемах ОК (рис. 3.3,б) и ОС (рис. 3.4,б) коэффициент передачи на-

пряжения близок к единице, в результате чего выходной сигнал по величине и фазе повторяет входной (uВХ =uВЫХ ). Поэтому эти каскады называются

повторителями напряжения (эмиттерный повторитель — рис. 3.3,б, исто-

ковый — рис. 3.4,б).

Основным достоинством этих каскадов является то, что они обладают

малой входной проводимостью (большим входным сопротивлением) и боль-

шой выходной (малым выходным сопротивлением). Поэтому указанные каскады используются как согласующие и разделительные, обеспечивающие высокие значения сквозного коэффициента передачи при прохождении сигнала от высокоомного источника ЭДС к низкоомным цепям, приближая коэффициент передачи входной цепи к максимально достижимому значению,

равному единице.

Частое применение повторители напряжения находят в каскадах, работающих на радиочастотный кабель. Такой кабель является низкоомной нагрузкой, и во избежание шунтирующего её воздействия на выход каскада последний должен обладать малым выходным сопротивлением.

В схемах ОБ (рис. 3.3,в) и ОЗ (рис. 3.4,в) выходной ток практически

равен входному, поэтому эти схемы называют повторителями тока (выте-

кающий выходной ток повторяет втекающий входной).

Повторители тока не обладают усилением по току, имеют большую входную проводимость (малое входное сопротивление) и пониженное (по сравнению с основной схемой) усиление по мощности. Все это ограничивает сферу применения схем ОБ и ОЗ. В основном эти включения УП применяются в высокочастотных схемах там, где становится заметным влияние паразитных обратных связей через емкости p-n – переходов.

Соотношения (3.2) применимы при любой схеме включения транзистора при условии использования в них параметров, относящихся к соответствующей схеме включения.

58

Обычно параметры схем включения, отличных от основной, выражают через параметры последней. При этом соотношения для параметров схем включения общий коллектор (ОК) и общий сток (ОС) идентичны. Аналогичную идентичность имеют соотношения для схем включения общая база (ОБ)

иобщий затвор (ОЗ).

Вбиполярных и полевых транзисторах численные значения g– параметров таковы, что g21 >> g11 >> g22 >> g12 , в результате чего при вы-

числениях можно использовать следующие приближенные соотношения:

Подстановка параметров транзистора (3.3) в (3.2) дает выражения, определяющие свойства различных каскадов в удобной для проведения вычислений форме, когда эти свойства представлены через g–параметры основной схемы включения. Результаты этой подстановки представлены в табл. 3.1.

Таблица 3.1.

3.3. Каскады усиления переменного сигнала

Под переменными сигналами понимаются такие, которые имеют отно-

сительно большие скорости изменения или малое время существования, а также сигналы, которые не содержат постоянных составляющих. Усилите-

ли переменных сигналов в отличие от усилителей постоянного тока не способны воспроизводить сколь угодно медленно изменяющиеся сигналы.

59

В усилителях таких сигналов допустимо использование на пути распространения сигнальных токов и напряжений разделительных конденсаторов СР. Кроме того, в них могут применяться блокировочные конденсаторы СБ, исключающие влияние на распределение сигнальных потенциалов участков цепи, зашунтированных этими конденсаторами.

Таким образом, под усилителями переменных сигналов понимаются та-

кие, в схемах которых применены разделительные и блокировочные конденсаторы.

При составлении эквивалентных схем для переменного тока эти конденсаторы замещаются короткими замыканиями.

Синтез схемы каскада переменного сигнала осуществляется в два этапа. На первом проводится выбор его структуры и номиналов элементов с точки зрения обеспечения заданного режима работы на постоянном токе.

На втором этапе в схему каскада вводятся разделительные и блокировочные конденсаторы, с помощью которых формируются требуемая схема включения транзистора по переменному току.

На рис. 3.5. приведены типовые схемные построения каскадов ОЭ, ОК и ОБ, которые на переменном токе эквивалентны схемам рис. 3.3.. Условие эквивалентности выполняется на всех частотах, где сопротивлением конденсаторов СР и СБ можно пренебречь.

60

Глава 4. Обратная связь в усилительных трактах

4.1. Структурная схема усилительного тракта с однопетлевой обратной связью

Одной из особенностей усилительных трактов среди электронных цепей является то, что они обладают преимущественно однонаправленной передачей сигнала то есть такой, при которой прохождение сигнала со входа на выход существенно преобладает над ему обратным — с выхода на вход.

Процесс передачи сигналов в усилительных трактах в направлении, обратном основному то есть с выхода на вход, называется обратной связью (ОС), а цепь, по которой осуществляется эта передача — цепью обратной связи.

Обратная связь может быть специально организованной или возникшей помимо желания разработчика. В последнем случае ее называют паразитной. В зависимости от структуры усилительного тракта ОС может, как увеличивать коэффициент усиления тракта по напряжению, так и уменьшать его.

Обратную связь, увеличивающую коэффициент передачи по напряжению, принято называть положительной обратной связью (ПОС), а ту, которая понижает его — отрицательной обратной связью (ООС). В усилительной технике в основном применяют ООС. При ее применении за счет некоторого ухудшения усилительных свойств повышаются стабильность и определённость этих свойств, частотных и переходных искажений.

Структуру усилительного тракта, охваченного цепью (ОС), можно представить в виде рис. 4.1..

В состав этой структуры входят: основной усилительный тракт К3.4, основное звено цепи ОС К5.6 и два шестиполюсника I и II. В шестиполюснике II происходит ответвление части выходного сигнала в основное звено цепи ОС, а в шестиполюснике I — объединение (смешивание) входного сигнала с сигналом, поступающим с выхода основного звена цепи ОС. Считается, что

61

шестиполюсники I, II и четырехполюсник К5.6 являются пассивными цепями, то есть цепями, организованными на базе R, C и L–элементов. В структуре усилительного тракта с ОС образуется замкнутый (кольцевой) путь, называемый петлей ОС.

Рис. 4.1.

Степень влияния ОС на свойства усилительного тракта в первую очередь зависит от коэффициента передачи I в этой петле, в том числе и от коэффициента передачи самого усилителя. Таким образом, эффективность воздействия ОС на характеристики усилительного тракта определяется свойствами не только цепи ОС, но и в равной степени самого тракта, охватываемого цепью ОС. Коэффициент передачи в петле ОС называют петлевой передачей или возвратным отношением и обозначают символом Т.

Степень относительных изменений параметров усилительного тракта, вызываемых введением в него ОС, в первую очередь характеризуют параметром F=1+T, называемый глубиной обратной связи. Знак «+» перед петлевой передачей Т соответствует схемам, организованным как схемам с ООС, а знак «–» — как схемы с ПОС. При этом ООС соответствует F >1, а положительной — F < 1.

Следует отметить, что понятия «отрицательная обратная связь» и «положительная обратная связь» имеют строгое однозначное толкование только в случаях, когда значение параметра Т определяется вещественным числом, так как только в этом случае введение в тракт ОС не сопровождается

62