Анализ работы усилителя в области средних частот

Усилительный каскад с ОЭ. Схема, полная эквивалентная схема. Назначение элементов. Эквивалентная схема для области средних частот. Расчёт входного сопротивления. Режимная зависимость. Предельные значения. Выходное сопротивление. Предельные значения. Расчёт коэффициента усиления

 

Принцип усиления основан на следующих зависимостях. Колебания входного напряжения вызывают соответствующие колебания тока базы: ∆Iб = ∆Uбэ/Rвх.тр, где Rвх.тр – входное сопротивление транзистора. Транзистор усиливает эти колебания в коллекторной цепи: ∆Iк ≈ βдиф∆Iб, где βдиф – дифференциальный коэффициент передачи тока базы. Переменная составляющая тока коллектора ∆Iк (или ее часть) поступает в нагрузку и создает на ней переменное напряжение, которое по форме совпадает с входным сигналом.

 

 

Рисунок 1 – Усилительный каскад на биполярном транзисторе с ОЭ

Усилительный каскад должен содержать нелинейный управляющий элемент (транзистор или лампу), источник электрической энергии и вспомогательные элементы. Во входную цепь включается источник сигнала, а в выходную - нагрузка. Источник сигнала в виде генератора с напряжением Е_Г и внутренним сопротивлением R_Г, а нагрузка - резистором R_Н. Полярность источника питания E_К обеспечивает работу транзистора в активном режиме.

Резисторы R₁ и R₂ задают требуемые постоянные составляющие токов в цепях транзистора и постоянные напряжения на его электродах - рабочую точку транзистора (делитель напряжения, осуществляющий подачу напряжения смещения на базу транзистора). От выбора рабочей точки зависит усиление каскада, КПД, искажения сигнала. Резисторы R₁ и R₂ составляют делитель напряжения, и ток делителя Iд создает на них падения напряжения U1 = IдR₁ и U2 = IдR₂, представляющие собой источники питания для цепей эмиттера и коллектора (полярность напряжений указана на резисторах R₁ и R₂). Сопротивление резисторов R₁ и R₂ подбирают так, чтобы ток делителя Iд был больше тока, нормально потребляемого в цепях транзистора. При таком токе делителя повышается стабильность режима работы схемы, так как в этом случае изменения тока в цепях эмиттера и коллектора в процессе работы транзистора незначительно влияют на величину питающих напряжений. Вместе с тем, ток делителя нельзя выбирать слишком большим (а резисторы R₁ и R₂ — небольшими), так как это ведет к увеличению мощности, потребляемой делителем напряжения от источника питания. Кроме того, резистор R₂ шунтирует входное сопротивление усилителя, что уменьшает входной и выходной токи усилителя. Удовлетворительный результат дает компромиссное решение, при котором обеспечивается соответствующая стабилизация и коэффициент усиления. Резисторы R₁ и R₂— порядка единиц и десятков кОм.

Для того, чтобы источник сигнала и нагрузка не влияли на режим работы транзистора по постоянному току, включены разделительные конденсаторы C₁ и C₂, имеющие в рабочем диапазоне частот малые сопротивления. Конденсатор С₁ исключает шунтирование входной цепи каскада цепью источника входного сигнала по постоянному току, что позволяет, во-первых, исключить протекание постоянного тока через источник входного сигнала, во-вторых, обеспечить независимость от внутреннего сопротивления источника R_Г напряжения на базе U_бп в режиме покоя. При составлении эквивалентных схем для области средних частот учтено, что значения емкостей С₁, С₂, С₃ выбирают такими, чтобы их сопротивления в диапазоне средних частот (рабочих частот), были достаточно малы и ими можно было пренебречь. Резистор R_Э является элементом отрицательной обратной связи, предназначенным для стабилизации режима покоя каскада при изменении температуры. Конденсатор С_Э шунтирует резистор R_Э по переменному току, исключая, тем самым проявление отрицательной обратной связи в каскаде по переменным составляющим. Отсутствие конденсатора С_Э привело бы к уменьшению коэффициентов усиления схемы. Источник питания Е замкнут накоротко.

Предположим, что по какой-либо причине коллекторный ток I_К0 увеличится. Но так как I_Э0 = I_К0+ I_Б0, то возрастание тока I_К0 приведет к увеличению тока эмиттера I_Э0, а следовательно, и к увеличению падения напряжения U_RЭ на резисторе R_Э. Увеличение U_RЭ, являющегося обратным по отношению к переходу эмиттер-база, приведет к уменьшению напряжения на эмиттерно-базовом переходе U_БЭ и тока базы I_Б0, что вызовет уменьшение коллекторного тока I_К0. Наоборот, если по какой-либо причине коллекторный ток уменьшается, то уменьшается падение напряжения U_RЭ на резисторе R_Э, что приведет к увеличению напряжения на эмиттерно-базовом переходе U_БЭ. При этом увеличивается ток базы, а, следовательно, и ток коллектора. Чтобы не вводить обратную связь по переменному току и не снижать коэффициент усиления каскада, резистор R_Э шунтируют конденсатором С_Э достаточно большой емкости (десятки микрофарад).

В отсутствие входного сигнала все токи и напряжения в цепях транзистора остаются постоянными. Это состояние называют статическим режимом, или состоянием покоя. Точка покоя и значения токов и напряжений в режиме

покоя обозначены символом «О».

При ориентировочной оценке тока покоя можно использовать уравнение:

,

где U_БЭО – напряжение база-эмиттер, определяемое из входной характеристики при токе базы I_БО.

В статическом режиме конденсатор C₁ заряжается до напряжения U_С1 = U_бэ.о, а конденсатор C₂ – до U_С2 = U_кэ.о. Конденсаторы должны иметь достаточно большую емкость, так чтобы в режиме усиления сигналов переменного тока напряжения U_С1 и U_С2 в течение периода колебаний самой низкой частоты оставались практически неизменными.

 

а) б)

Рисунок 2 – Полная (а) и упрощенная (б) эквивалентные схемы усилительного каскада с ОЭ для области средних частот

Упрощенная схема (б) отличается от (а) тем, что в ней не учтено влияние дифференциального сопротивления коллекторного перехода r_{к диф}, которое достаточно велико и при небольших сопротивлениях Rк его можно не учитывать.

Рисунок 3 – Эквивалентная схема каскада с ОЭ для области низких частот

Эквивалентная схема для области низких частот учитывает разделительные конденсаторы С₁, С₂ и конденсатор Сэ, шунтирующий эмиттерный резистор. Сопротивления делителя R₁ и R₂ для упрощения анализа в эквивалентной схеме не учитываются. Входное сопротивление в области малых частот увеличивается. Коэффициент усиления меняется в зависимости от частоты. В диапазоне низких частот он значительно меньше, чем в диапазоне средних частот.

В эквивалентной схеме в области высоких частот необходимо учитывать емкость коллекторного перехода С^*_к. В области высоких частот происходит уменьшение коэффициента усиления, связанное с инерционными свойствами транзистора, а так же с тем, что емкость коллекторного перехода оказывает шунтирующее действие.

Рисунок 4 – Эквивалентная схема каскада с ОЭ для области высоких частот

Учет одновременно всех элементов эквивалентных схем для различных частот в одной приводит к полной эквивалентной схеме УК с ОЭ.

Рисунок 5 – Полная эквивалентная схема усилительного каскада с ОЭ

Анализ работы усилителя в области средних частот

На средних частотах не проявляются такие факторы, которые снижают усиление:

- на низких частотах конечное сопротивление разделительных конденсаторов;

- на высоких частотах снижение дифференциального коэффициента передачи тока базы и шунтирующее действие выходной емкости коллекторной цепи и емкости нагрузки.

 

Входное сопротивление:2015-07-03; просмотров: