3. Разработка принципиальной электрической схемы усилителя
3.1.Состав и принцип действия базовой схемы типового усилительного каскада
В результате проведенного анализа исходных данных и выполненного эскизного проекта структурной схемы проектируемого усилителя было установлено , что он может быть реализован на основе пяти усилительных каскадов, каждый из которых выполнен по типовой схеме с использованием однотипных биполярных высокочастотных транзисторов, включенных по схеме сообщим эмиттером и работающих в усилительном режиме класса «А». Предъявляемые к проектируемому усилителю высокие требования по допустимым показателям частотных и нелинейных искажений в заданном достаточно широком диапазоне частот и допустимой нестабильности коэффициента усиления в заданном диапазоне рабочих температур будут обеспечены схемными решениями путем введения в схему соответствующих усилительных каскадов корректирующих элементов и элементов обратных связей. В основе типового усилительного каскада лежит базовая схема построенная на кремневом биполярном высокочастотном транзисторе структуры n-p-n, включенном по схеме с общим эмиттером и работающем в усилительном режиме класса «А». Принципиальная схема такого каскада, выполненная на дискретных элементах, изображена на рис.5.
Рис.5. Принципиальная схема типового усилительного каскада
Чтобы уметь рассчитывать электронные усилители, необходимо чётко представлять назначение каждого элемента, его роль при настройке усилителя в определённом режиме. Основными элементами каскада являются: источник питания (E), управляемый элемент - биполярный транзистор n-p-n типа (VT) и резистор коллекторной цепи RК. Эти элементы образуют главную усилительную цепь, в которой за счет протекания управляемого током базы Iб коллекторного тока Iк = β.Iб, на коллекторе транзистора создается усиленное переменное напряжение Uкэ=E-IкRк, которое, далее, через разделительный конденсатор C2 передается на нагрузочное сопротивление Rн. Остальные элементы каскада выполняют вспомогательную роль.
Сигнал от источника сигнала в базовую цепь транзистора подается через разделительный конденсатор С1. Сопротивление Rк является коллекторной нагрузкой. С него усиленное переменное напряжение через разделительный конденсатор С2 подается в нагрузку Rк. При последовательном включении усилительных каскадов сопротивлением нагрузки является входное сопротивление следующего каскада
Конденсаторы С1 и С2 - разделительные, назначение которых - отделить переменный усиливаемый сигнал от постоянных напряжения и токов, действующих внутри схемы. Конденсатор С2 не пропускает постоянную составляющую входного сигнала каскада в нагрузку.
Делитель напряжения R1-R2 предназначен для установления рабочей точки (РТ) транзистора в состоянии покоя. В зависимости от соотношения между плечами делителя R1-R2 на базу транзистора подается определенное напряжение Uбэп в состоянии покоя, которое в свою очередь определяет ток базы покоя Iбп и ток коллектора покоя Iкп. Т.о. делитель R1-R2 характеризует состояние транзистора в отсутствие входного сигнала УК.
Резистор Rэ осуществляет последовательную отрицательную обратную связь (ООС) по постоянному току, которая обеспечивает стабилизацию положения рабочей точки на вольтамперных характеристиках транзистора при воздействии на усилительный каскад внешних дестабилизирующих факторов (например, температуры окружающей среды).
Глубина ООС зависит от значения Rэ. Каскад лучше стабилизирован, если малые изменения токов Iк и Iэ транзистора приведут к большому изменению падения напряжения на Rэ. Последнее возможно, если увеличить сопротивление Rэ. Однако увеличение при этом падения напряжения на нем уменьшает напряжения питания транзистора и снижает коэффициент усиления каскада. При расчете напряжение на резисторе Rэ принимают 10.. .30% напряжения источника тока.
Конденсатор Сэ шунтирует резистор Rэ по переменному току, исключая тем самым ООС в каскаде по переменной составляющей. Отсутствие конденсатора Сэ привело бы к уменьшению коэффициентов усиления УК.
Резистор Rk осуществляет динамический режим работы транзистора. В этом режиме малые колебания тока базы транзистора вызывают колебания тока коллектора, которые в свою очередь вызывают колебания напряжения на коллекторе. Эти колебания, пройдя через разделительный конденсатор С2, являются полезным усиленным входным сигналом. Процесс усиления сигнала каскадом можно объяснить следующим образом.
Предположим, что на вход усилительный каскад подается синусоидальной сигнал небольшой амплитуды. При этом РТ на входной динамической характеристике транзистора перемещается по линейному участку характеристики. Ток базы будет колебаться в пределах (Iбп-Iм;Iбп+Iм), и его можно представить как сумму тока базы в состоянии покоя и синусоидальной составляющей тока. Поскольку Iк=вIб, в результате изменений тока базы происходит изменения тока в цепи коллектора. При этом РТ на выходной динамической характеристике по нагрузочной прямой, которая строится в соответствии с уравнением Uкэ=Ек-Iк(Rк+Rэ). Изменения тока в цепи коллектора приводит к изменениям потенциала цк коллектора транзистора, так как потенциал верхней точки резистора Rk фиксирован напряжением источника питания и равен +Ек, а падение напряжения Urк на резисторе Rk пропорционально протекающему через него току и составляет Urк=IкRк. Потенциал коллектора также можно представить как сумму постоянной и переменной составляющих, амплитуда колебаний при этом меньше постоянной составляющей. Постоянное напряжение передается через разделительный конденсатор в отличие от переменной составляющей, которая является усиленным напряжением сигнала. Каскад меняет фазу усиленного сигнала по отношению к входному на сигналу на 180 градусов, т.е. выходное и входное напряжения каскада находятся в противофазе.
Рис.6.Диаграмма работы усилителя с общим эмиттером в режиме «А»
Графически проиллюстрировать работу каскада с ОЭ можно, используя входные и выходные статические характеристики биполярного транзистора, путем построения его динамических характеристик (ДХ) ( рис.7) Вследствие слабой зависимости входной проводимости транзистора g от величины нагрузки, входные статические и динамические характеристики практически совпадают. Выходные ДХ— это прямые линии, которые в координатах Iк, Uкэ соответствуют уравнениям, выражающим зависимости между постоянными и переменными значениями токов и напряжений на нагрузках каскада по постоянному и переменному току.
Процесс построения выходных динамических характеристик (нагрузочных прямых по постоянному — R=, переменному — R≈ току) понятен из рис. 7.
Следует отметить, что простое построение ДХ возможно только при активной нагрузке, т.е. в области средних частот, в областях низких частот и высоких частот нагрузочные прямые трансформируются в сложные кривые.
Рис. 7. Динамические характеристики каскада с ОЭ
Нагрузки рассматриваемого каскада по постоянному и переменному току определяются как:
R= = Rк;
R≈ = Rк ∥ Rн.
Координаты рабочей точки (Uк0, Iк0, Uбэ0, Iб0) длямалосигнальных усилительных каскадов выбирают на линейных участках входной и выходной ВАХ БТ, используя в малосигнальных усилительных каскадах так называемый режим (класс) усиления А. Другие режимы работы каскадов чаще используются в усилителях мощности, и будут рассмотрены в соответствующем разделе.
При отсутствии в справочных данных ВАХ БТ, координаты рабочей точки могут быть определены аналитическим путем (см. рисунок 7):
Uк0 = Uвых + Uн,
где Uн — напряжение нелинейного участка выходных статических ВАХ транзистора, Uн=1…2 В;
Iк0 ≥ Uвых / R≈,
Iб0 = Iк0 / H21э,
Uбэ0 = 0,6…0,8 В (для кремниевых транзисторов),
Uбэ0 = 0,4…0,6 В (для германиевых транзисторов).
Если для малосигнальных каскадов в результате расчета по вышеприведенным формулам значения Uк0 и Iк0 окажутся, соответственно, меньше 2 В и 1 мА, то, если не предъявляются дополнительные требования к экономичности каскада, рекомендуется брать те значения координат рабочей точки, при которых приводятся справочные данные и гарантируются оптимальные частотные свойства транзистора.
В инженерной практике для расчета параметров усилительного каскада по переменному току в широком диапазоне используется физическая эквивалентная схема биполярного транзистора, представленная далее на рис.9.
Типовая схема двухкаскадного резистивного усилителя представлена на рис.8.
Рис. 8. Типовая схема двухкаскадного резистивного усилителя
Элементы усилительного каскада выполняют следующие функции:
-
,
,
обеспечивают выбранное положение
рабочей точки (РТ) и температурную
стабилизацию транзистора;
-
,
осуществляют развязку каскада в диапазоне
усиливаемых частот и повышают устойчивость
работы усилителя;
-
разделяет усилительные каскады по
постоянному току;
-
является коллекторной нагрузкой
транзистора;
-
устраняет отрицательную обратную связь
по переменному току;
-
проводимость потребителя.
При
условии слабых сигналов, когда выходное
напряжение
существенно
меньше напряжения
,
можно считать, что каскад работает в
линейном режиме. В этом случае расчет
усилителя сводится к следующему.
Исходными
данными для оконечных усилительных
каскадов непрерывных сигналов являются:
- коэффициент усиления;
и
- верхняя и нижняя граничные частоты;
и
- уровень линейных искажений на частотах
и
;
и
- проводимость и сопротивление потребителя;
- выходное напряжение.
Расчет производится в следующей последовательности.
1. Выбирают тип биполярного транзистора, позволяющего реализовать требуемый коэффициент усиления и полосу пропускания при заданных частотных искажениях:
,
(2.1)
где
,
.
Определяют
параметры транзистора
,
,
,
,
,
и
на средней частоте усиления.
2.
Находят нагрузочную коллекторную
проводимость
для обеспечения заданного усиления и
полосы пропускания:
,
(2.2)
,
(2.3)
.
(2.4)
3. Вычисляют входную проводимость и емкость усилительного каскада.
(2.5)
(2.6)
4.
Разделительную емкость
определяют по заданным искажениям
на нижней граничной частоте:
,
(2.7)
где
.
5.
И наконец находят емкость
:
.
(2.8)
Особенность
расчета промежуточных каскадов
заключается в том, что их потребителем
является последующий усилитель, входная
проводимость
и
емкость
которого
находятся с помощью выражений (2.5) и
(2.6).
При решении ряда задач возникает необходимость усиливать сигналы в широкой полосе частот, и, если полоса пропускания обычного типового усилителя оказывается недостаточной, ее стараются расширить, используя высокочастотную (ВЧ)- и низкочастотную (НЧ)-коррекции. Частотная коррекция обычно осуществляется одним из двух методов:
1.
введением в цепь коллекторной (стоковой)
нагрузки частотно-зависимых элементов
(L-коррекция в области ВЧ и цепочка
-
в области НЧ);
2. использованием частотно-зависимой отрицательной обратной связи (ООС) (эмиттерная коррекция в области ВЧ).