РАСЧЕТ МНОГОКАСКАДНОГО УСИЛИТЕЛЯ

Лабораторная работа № 3

ИССЛЕДОВАНИЕ ДВУХКАСКАДНОГО УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ

ЗАДАНИЕ

Рассчитать элементы предварительного двухкаскадного усилителя (рисунок3.1).

Исходные данные:

Внутреннее сопротивление источника R_ист=50 Ом

Нагрузка R_н=300Ом

К_uобщ=30

U_ип=0,1 В

f₀=1 кГц

f_н=100Гц

f_в=20кГц

Амплитуда выходного сигнала – 2 В

Коэффициент усиления-150

Транзисторы-2N3904

 

 

Рисунок 3.1 ‑ Двухкаскадный усилитель

 

МНОГОКАСКАДНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

 

В многокаскадных усилителях источником сигнала для каждого каскада является выходная цепь предыдущего каскада, а нагрузочной ‑ входная цепь последующего.

На приведённой схеме ёмкости c1 и c2, являются проходными, а c3 ‑ пропускает во входную во входную цепь усилительного каскада переменную составляющую напряжения источника сигнала и не пропускает постоянную составляющую.

В области средних частот ёмкости с₁, с₂ и с₃ предполагаются бесконечно большими. Ёмкости с_к, с_н (коллекторная ёмкость и ёмкость нагрузки), и паразитные ёмкости равны нулю.

 

РАСЧЕТ МНОГОКАСКАДНОГО УСИЛИТЕЛЯ

 

Как правило, усилительные устройства являются многокаскадными, так как с помощью одного каскада обычно не удается обеспечить необходимое усиление. Основное усиление по напряжению обеспечивается в каскадах предварительного усиления. Из них обычно выделяют входной каскад, схема которого зависит от требований по сопряжению с источником сигнала, допустимому дрейфу нуля и т.п. Спецификой выходного каскада является обеспечение заданной мощности или амплитуды выходного сигнала, ограничения по допустимому уровню искажений, работа на низкоомную нагрузку и т.д. Предоконечный каскад также может иметь специфические особенности, связанные с условием работы выходного каскада, например, с требованием обеспечить на его входе значительную мощность сигнала.

Каждый каскад рассчитывается как однокаскадный усилитель, но с учетом обеспечения оптимальных условий согласования смежных каскадов.

На практике применяются два режима согласования. В первом случае выходное сопротивление предыдущего каскада делается примерно равным входному сопротивлению последующего каскада. Такой режим обеспечивает максимальное усиление мощности и применяется в оконечных каскадах.

Во втором случае выходное сопротивление предыдущего каскада существенно меньше, чем входное сопротивление последующего. Такой режим обеспечивает наибольшее усиление напряжения и равномерную АЧХ и нашел применение в предварительных каскадах.

Связь между каскадами обычно выполняется с использованием блокирующих конденсаторов, но в некоторых случаях применяют трансформаторную связь. Межкаскадный трансформатор является относительно дорогим и тяжелым элементов. Его применение целесообразно только в тех случаях, когда выходное сопротивление предыдущего каскада существенно больше, чем входное сопротивление последующего. Следует отметить, что применяя межкаскадные трансформаторы, возможно получить существенно больший коэффициент усиления, чем при емкостной связи.

Существует также и режим непосредственной связи между каскадами (без блокирующих конденсаторов или трансформаторов). В этом случае два (или более) каскада работают в одном режиме по постоянному току. Такая схема применяется, например, в операционных усилителях.

При построении широкополосных усилителей на биполярных транзисторах основное внимание уделяют их частотным свойствам, позволяющим при заданном коэффициенте усиления одного каскада в области средних частот обеспечить требуемую верхнюю граничную частоту , а, следовательно, и площадь усилителя одного каскада

(1.1)

Если многокаскадный усилитель с верхней граничной частотой содержит N одинаковых каскадов, а искажения на верхних частотах распределены между каскадами равномерно, то связь между и устанавливается соотношением

(1.2)

где - функция, учитывающая уменьшение с ростом числа каскадов.

Если отдельные однотипные каскады развязаны между собой по постоянному току, что приводит к искажения в области нижних частот, то нижняя граничная частота одного каскада связана с всего усилителя соотношением

(1.3)

Общий коэффициент усиления N-каскадного усилителя с учетом (1.1) и (1.2)

(1.4)

Максимальная площадь усиления дифференциального каскада или каскада с общим эмиттером на биполярном транзисторе может быть оценена по формуле

(1.5)

где высокочастотный параметр определяется паспортными параметрами транзистора.

Если заданы и , то, используя выражение (1.4) и ориентируясь на максимальную площадь усилителя , можно оценить необходимое количество каскадов усилителя, подобрав N, удовлетворяющее условию:

(1.6)

Полутора кратный запас по усилению учитывает, в частности, потери сигнала во входной цепи усилителя. Коэффициент К следует брать К=1 - для простейших резистивных каскадов; К=1.5 - для случая применения во всех каскадах высокочастотной коррекции. Последнее позволяет ослабить требования к частотным свойствам транзистора и обеспечить необходимый коэффициент усиления и заданную полосу пропускания меньшим числом каскадов.

В импульсных усилителях основное внимание уделяется переходным искажениям, в частности, времени установления усилителя . Для усилителя из N однотипных каскадов связано с требуемым временем установления каждого из каскадов соотношением

(1.7)

Поскольку усилитель обычно содержит один или несколько одинаковых предварительных каскадов, а также выходной каскад и входную цепь с временем установления соответственно и , то общее время установления .

Усиление низкочастотных и импульсных сигналов осуществляется апериодическими усилителями. Типовая схема двухкаскадного резистивного усилителя представлена на рисунке 3.2.

 

 

Рисунок 3.2 – Апериодический усилитель

 

Элементы усилительного каскада выполняют следующие функции:

- R_б1, R_б2, R_э обеспечивают выбранное положение рабочей точки (РТ) и температурную стабилизацию транзистора;

- R_ф, C_ф осуществляют развязку каскада в диапазоне усиливаемых частот и повышают устойчивость работы усилителя;

- С_р разделяет усилительные каскады по постоянному току;

- R_к является коллекторной нагрузкой транзистора;

- С_э устраняет отрицательную обратную связь по переменному току;

- g_Н проводимость потребителя.

При условии слабых сигналов, когда выходное напряжениеU_вых существенно меньше напряженияU_кэ, 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: К₀ - коэффициент усиления; f_в и f_н - верхняя и нижняя граничные частоты.

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 g₁₁, C₁₁, g₁₂, C₁₂, |Y₂₁|=S, g₂₂=g_i и C₂₂ на средней частоте усиления.

2. Находят нагрузочную коллекторную проводимость g_н 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 С_р определяют по заданным искажениям М_н на нижней граничной частоте:

(2.7)

где .

5. И наконец находят емкость С_э:

(2.8)

 

3.4 Расчет "Y"-параметров транзистора

Основными активными приборами усилительных устройств радиочастотного диапазона являются биполярные и полевые транзисторы. Расчет характеристик усилителей умеренно высоких частот удобно проводить по Y-параметрам транзисторов, определенным для выбранной рабочей точки (РТ) по постоянному ток и схемы включения (ОЭ, ОБ, ОК, ОИ, ОЗ, ОС).

В инженерной практике широко используется физическая эквивалентная схема биполярного транзистора, представленная на рисунке 3.3, которая достаточно точно отражает его свойства в частотном диапазоне до 0,5 f_т, где f_т - граничная частота усиления тока базы в схеме с общим эмиттером (ОЭ).

Рисунок 3.3 – Эквивалентная схема биполярного транзистора

 

Рассчитывают элементы эквивалентной схемы и Y-параметры биполярного транзистора. Для типового режима работы (заданной РТ) обычно приводятся следующие электрические параметры:

-U_кэ - постоянное напряжение коллектор-эмиттер;

-I_к - постоянный ток коллектора;

- - статический коэффициент усиления тока базы в схеме с ОЭ.

-|h_21э| - модуль коэффициента усиления тока базы на частоте f или |h_21э|f.

-C_к - емкость коллекторного перехода.

Элементы эквивалентной схемы определяется с помощью следующих соотношений.

Параметр G, характеризующий активность транзисторов:

.

Сопротивление растекания базы r_б:

.

Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода r_бэ:

Емкость эмиттерного перехода С_э:

Для удобства часто пользуются расчетами активных и реактивных составляющих проводимостей по формулам, максимально использующим данные транзисторов.