Osnovy_skhemotekhniki_posobie

существенно нелинейный участок характеристики транзистора, что вызывает сильное увеличение вносимых каскадом нелинейных искажений и неравномерность изменения усиления.

Чтобы регулировка изменением режима не увеличивала вносимые устройством нелинейные искажения, ее вводят в каскады с малым уровнем входного сигнала (не выше 5÷10 мВ для транзисторов).

Достоинствами регулировки усиления изменением режима являются:

­очень малое изменение частотных и переходных характеристик устройства при изменении усиления, отсутствие дополнительных шумов при движении ползунка регулятора;

­отсутствие токов сигнала в резисторе Rр, шунтированном блокировочным конденсатором Сэ большой емкости, позволяет выносить регулятор из каскада, т.е. допускает дистанционное управление усилением.

9.2. Регулировка частотной характеристики усилителя

Для обеспечения наиболее естественного воспроизведения или записи звука в усилительных устройствах требуется в рабочих условиях изменять частотную характеристику на нижних или верхних частотах, т.е. осуществлять регулировку тембра. Существует три основных метода регулировки АЧХ:

1)метод с использованием частотно-зависимых делителей;

2)метод с использованием частотно-зависимой отрицательной обратной связи;

3)метод, основанный на разделении всей полосы усиливаемых частот на отдельные частотные полосы с последующей независимой регулировкой усиления в каждой полосе раздельно (устройство типа «эквалайзер»).

Регулировка с использованием частотно-зависимых делителей

Для уменьшения влияния помех в усилителях низкой частоты радиоприемников, а также шума на верхних частотах при воспроизведении грамзаписи используется регулятор тембра (рис.9.6).

111

ВЧ НЧ

Рис.9.6. Регулятор тембра

Достоинство данной схемы: простота Недостаток: относительно малая глубина регулировки, следовательно,

низкая эффективность регулирования в отдельных частях частотной полосы.

Регулировка с использованием частотно-зависимой ООС

С целью расширения диапазона регулировки применяют ООС. Для регулировки АЧХ с использованием частотно-зависимой ООС в цепь ООС усилителя устанавливаются регуляторы (рис.9.7).

ВЧ

UВх

UВых

НЧ

Рис.9.7. Схема регулировки АЧХ с использованием частотно-зависимой ООС

Эта схема позволяет менять коэффициент усиления в определенной области частот в диапазоне 1 K0.

Достоинство: большая глубина регулировки.

Недостаток: возможно самовозбуждение усилителя (при использовании этого метода необходимо производить анализ усилителя на устойчивость).

112

Эквалайзеры

Можно разделить всю полосу частот на несколько полос при помощи полосовых фильтров (рис.9.8) и отдельно регулировать АЧХ в отдельно взятой полосе частот (эквалайзер) (рис.9.9).

Входной сигнал поступает на линейку полосовых фильтров Ф1 ,Ф2 … Фn,

каждый из которых обладает своей центральной частотой и полосой пропускания. На выходе каждого фильтра стоит регулируемый усилитель,

который изменяет АЧХ в отдельно взятой полосе частот по сигналу устройства управления (УУ), управляющего работой регулируемых усилителей K1…Kn.

Сигналы со всех усилителей поступают на вход сумматора ( ).

Достоинством является возможность получить АЧХ практически любого вида. Недостатком является сложность устройства.

113

Контрольные вопросы

46)В чем заключается потенциометрическая регулировка усиления? а) В изменении коэффициента усиления каскада.

б) В изменении сопротивления нагрузки. в) В изменении уровня входного сигнала. г) В изменении уровня выходного сигнала. д) Все выше перечисленное верно.

47)В чем заключается регулировка усиления за счет отрицательной обратной связи? а) В изменении коэффициента усиления каскада.

б) В изменении сопротивления нагрузки. в) В изменении уровня входного сигнала. г) В изменении уровня выходного сигнала. д) Все выше перечисленное.

10. Шумы многокаскадного усилителя

Если к входной цепи работающего усилителя не подводить сигнала, то вольтметр достаточной чувствительности, подключенный на его выход параллельно нагрузке, всегда покажет присутствие на нагрузке постороннего напряжения, называемого напряжением собственных шумов усилителя.

Напряжение собственных, или внутренних, шумов не позволяет усиливать сигналы малой амплитуды, заглушая последние.

Удобным критерием оценки шумов, вносимых транзистором, является коэффициент шума транзистора N, показывающий, во сколько раз ухудшается отношение мощности сигнала к мощности шума в выходной цепи транзистора по сравнению с тем же отношением у ненагруженного источника сигнала:

где Uс2. ист и Uш2. ист – квадраты действующих значений напряжений

сигнала и шума на зажимах ненагруженного источника сигнала, Uс2. вых и

Uш2. вых – квадраты действующих значений напряжений сигнала и шума в

выходной цепи транзистора.

114

2

Так как транзистор вносит собственные шумы, то отношение Uс. вых

Uш2. вых

2

меньше, чем Uс. ист . Следовательно, коэффициент шума транзистора N всегда

Uш2. ист

больше единицы.

Коэффициент шума обычно выражают в децибелах:

У современных малошумящих биполярных транзисторов, работающих в правильно выбранном режиме коэффициент шума не превышает 1,5–2 дБ. У

хороших полевых транзисторов данный коэффициент еще ниже.

Коэффициент шума NОбщ многокаскадного усилителя (рис.10.1)

определяется выражением:

i 1

где Ni – коэффициент шума, а KPi – коэффициент усиления по мощности i-го каскада соответственно (i=1…n).

Рис.10.1. Структурная схема многокаскадного усилителя

Из анализа выражения для коэффициента шума следует, что, несмотря на то, что шумят все каскады многокаскадного усилителя, на уровень собственных шумов усилителя в основном влияют шумы первых двух каскадов, так как шумы остальных усилительных элементов усиливаются с меньшим коэффициентом усиления. Для минимизации коэффициента шума многокаскадного усилителя NОбщ необходимо обеспечить в первом каскаде многокаскадного усилителя возможно меньший коэффициент шума N1 и

возможно больший коэффициент усиления по мощности KP1.

115

Существует три основных способа минимизации шумов усилительного каскада, среди которых можно выделить следующие:

1)оптимальный выбор транзистора;

2)оптимальный выбор рабочей точки;

3)оптимальное согласование по шумам.

10.1. Оптимальный выбор транзистора

Суть оптимального выбора транзистора с минимальным коэффициентом шума заключается в выборе транзистора, в зависимости от сопротивления источника сигнала:

­если сопротивление источника сигнала Rc > n 10 кОм (где n – целое число), то следует выбирать полевой транзистор;

­если сопротивление источника сигнала Rc < n 1 кОм (где n – целое число), то следует выбирать биполярный транзистор.

10.2. Оптимальный выбор рабочей точки

Оптимальный выбор рабочей точки заключается в изменении положения рабочей точки, в соответствии с выражением:

токи коллектора и эмиттера транзистора в исходной рабочей точке соответственно, S – крутизна характеристики, Rc – сопротивление генератора сигнала, r б – базовое сопротивление транзистора (объемное сопротивление базы транзистора), yВх – входная проводимость, yш –

эквивалентная шумовая проводимость.

Шумовая проводимость yш определяется по формуле (10.5).

116

где Uш2хх – среднеквадратическое значение шумового напряжения на выходе усилителя при разомкнутом выходе, Uш2 кз – среднеквадратическое значение шумового напряжения на выходе усилителя при КЗ на выходе, k

– постоянная Больцмана, f – полоса рабочих частот усилителя, K0 –

номинальный коэффициент усиления усилителя.

10.3. Оптимальное согласование по шумам

Оптимальное согласование по шумам осуществляется в соответствии с критерием оптимальности, которым является выполнение равенства:

Как видно из выражения (10.6), условие согласования по шумам не совпадает с условием согласования по мощности:

При выполнении оптимизации с использованием всех трех способов результирующий коэффициент шума Fрез усилительного каскада оценивается по формуле:

Контрольные вопросы

48)Как уменьшить тепловой шум усилителя?

а) Уменьшить номиналы используемых в усилителе сопротивлений.

б) Уменьшить температуру усилителя, используя различные системы охлаждения. в) Уменьшить полосу усиливаемых частот.

г) Увеличить коэффициент усиления усилителя. д) Увеличить запас усилителя по усилению.

49)Какой каскад многокаскадного усилителя оказывает наибольшее влияние на общий коэффициент шума?

а) Наиболее шумящий каскад.

б) Каскад с наибольшим коэффициентом усиления. в) Первый каскад.

г) Последний каскад.

д) Каскад с ВЧ коррекцией.

117

50)Какие способы позволяют уменьшить шум в усилительном устройстве? а) Оптимальный выбор транзистора.

б) Оптимальный выбор рабочей точки. в) Оптимальное согласование по шумам. г) Все перечисленные способы.

д) Ни один из перечисленных способов.

11. Усилители, охваченные 100% ООС

Повторители напряжения имеют следующие отличительные особенности

по сравнению с типичными усилительными каскадами:

1)отсутствие способности усиливать напряжение, т.е. коэффициент усиления по напряжению Ku в таких устройствах меньше 1;

2)весьма большое усиление по току KI , даже больше, чем у каскада,

собранного по схеме с общим эмиттером или общим истоком;

3)очень большое входное сопротивление RВх ;

4)малое выходное сопротивление RВых , близкое к выходному сопротивлению каскада с общей базой или общим затвором;

5)широкополосность, обусловленная малой входной емкостью.

Данные особенности повторителей напряжения обусловлены: во-первых,

схемой включения транзистора, во-вторых, введением 100%-ой ООС, в-

третьих, местом съема выходного сигнала (эмиттер или исток).

Повторители напряжения используются в многокаскадных усилителях в качестве буферных каскадов (устройств согласования), от которых требуется получить большое входное и малое выходное сопротивления.

118

11.1. Истоковый повторитель

По виду подключения истоковой нагрузки различают три следующие

схемы истокового повторителя (рис.11.1).

EП EП EП

На рис.11.1а) представлена схема, в которой сопротивление нагрузки RН

включено напрямую в цепь истока и содержащая минимум элементов. Однако изменение сопротивления RН приведет к изменению положения рабочей точки транзистора. Данные изменения будут незначительными, так как каскад охвачен 100%-ой ООС, которая будет стремиться стабилизировать положение рабочей точки транзистора. Недостатком этой схемы повторителя напряжения является то, что в режиме отсутствия входного сигнала через сопротивление нагрузки RН будет протекать ток истока большой величины, который приведет

к разогреву RН .

На рис.11.1б) представлена схема, в которой уменьшено влияние сопротивления нагрузки RН на положение рабочей точки транзистора в силу того, что оно включено параллельно сопротивлению RИ . Недостаток: как и для схемы на рис.11.1а) на сопротивлении нагрузки RН будет выделяться значительная тепловая мощность.

На рис.11.1в) представлена усовершенствованная схема истокового повторителя. В режиме молчания, когда входной сигнал отсутствует (U Вх 0),

ток, протекающий через повторитель, будет определяться сопротивлением RИ .

Недостаток: с уменьшением величины сопротивления нагрузки Rн будет

119

увеличиваться значение разделительной емкости Cр , что приводит к увеличению веса и габаритов повторителя напряжения.

Составим эквивалентную схему последнего варианта повторителя (по рис.11.1в) с учетом допущения, что на переменном токе шина питания и шина

«земля» являются короткозамкнутыми (рис.11.2).

Cр

Рис.11.2. Эквивалентная схема истокового повторителя напряжения

истока отсутствует конденсатор СИ, который на переменном токе идеально шунтировал сопротивление RИ . Элемент S включен в схему вследствие того,

что повторитель напряжения охвачен 100%-ой ООС.

Вследствие того, что емкости Ср и С0 имеют значения, отличающиеся на несколько порядков, то их влияние будет различно в различных областях частот.

Область СЧ. В области средних частот влиянием емкостей Ср и С0

можно пренебречь по аналогии с каскадом предварительного усиления на полевом транзисторе (рис.11.3).

SUвхyi yи S yн

Рис.11.3. Эквивалентная схема истокового повторителя напряжения в области СЧ

120