Почему каскад называется резистивным

7

Резистивный каскад на биполярном транзисторе

Наиболее важное назначение электронных приборов — усиление электрических сигналов. Устройства, предназначенные для выполнения этой задачи, называются электронными усилителями.

Усилитель (рис. 1) — это электронное устройство, управляющее энергией, поступающей от источника питания к нагрузке. Причем мощность, требующаяся для управления, как правило, намного меньше мощности, отдаваемой в нагрузку, а формы входного (усиливаемого) и выходного (на нагрузке) сигналов совпадают.

Рис. 1. Схематичное представление работы усилителя

Усилительные устройства широко используются в автоматике и телемеханике, в следящих, управляющих и регулирующих системах, счетно-решающих и вычислительных машинах, контрольно-измерительных приборах, бытовой радиоаппаратуре и т.д.

Важнейшими техническими показателями являются: коэффициент усиления (по напряжению, току и мощности), входное и выходное сопротивления, выходная мощность, диапазон усиливаемых частот, частотные, фазовые и нелинейные искажения.

Большинство источников усиливаемого сигнала развивают очень низкое напряжение. Подавать его непосредственно на каскад усиления мощности не имеет смысла, т.к. при слабом управляющем напряжении невозможно получить сколько-нибудь значительные изменения выходного тока, а, следовательно, и выходной мощности. Поэтому в состав структурной схемы усилителя, кроме выходного каскада, отдающего требуемую мощность полезного сигнала в нагрузку, входят предварительные каскады усиления.

Эти каскады принято классифицировать по характеру сопротивления нагрузки в выходной цепи транзистора. Наибольшее применение получили резистивные усилительные каскады, сопротивлением нагрузки которых служит резистор.

В каскадах предварительного усиления на биполярных транзисторах чаще других используется схема с общим эмиттером (ОЭ), которая обладает высоким коэффициентом усиления по напряжению и мощности, сравнительно большим входным сопротивлением и допускает использование одного общего источника питания для цепей базы и коллектора.

Резистивный каскад на биполярном транзисторе

Простейшая схема резистивного усилительного каскада с общим эмиттером и питанием от одного источника показана на рис. 2. Входной сигнал поступает на базу и изменяет ее потенциал относительно заземленного эмиттера. Это приводит к изменению тока базы, а, следовательно, к изменению тока коллектора и напряжения на нагрузочном сопротивлении R_K. Разделительный конденсатор Сp1 служит для предотвращения протекания постоянной составляющей тока базы через источник входного сигнала. С помощью конденсатора Сp2 на выход каскада подается переменная составляющая напряжения Uкэ изменяющаяся по закону входного сигнала, но значительно превышающая его по величине. Важную роль играет резистор R_Б в цепи базы, обеспечивающий выбор исходной рабочей точки на характеристиках транзистора и определяющий режим работы каскада по постоянному току.

Рис. 2. Простейшая схема резистивного усилительного каскада с общим эмиттером

Для выяснения роли резистора R_Б обратимся к рис. 3, иллюстрирующему процесс усиления сигнала схемой с общим эмиттером. В принципе процесс усиления можно отразить следующей взаимосвязью электрических величин.

U_{m ВХ} I _{Б m} I_{К m} I_{К m} R_К (U_{m КЭ} = E_К — I_{К m} R_К) = U _{m ВЫХ}

Действительно, рассматривая вначале рис. 3, а, а затем рис. 3, б, можно убедиться в том, что напряжение входного сигнала с амплитудой (U_{m ВХ}=U_{БЭ m}) синфазно изменяет величину тока базы. Эти изменения базового тока вызывают в коллекторной цепи пропорциональные изменения тока коллектора и напряжения на коллекторе, причем амплитуда коллекторного напряжения (с учетом масштаба по оси абсцисс) оказывается значительно больше амплитуды напряжения на базе. Следует обратить внимание на то, что напряжения сигнала на входе и на выходе каскада сдвинуты между собой по фазе на 180°, т. е. находятся в противофазе.

Это означает, что рассматриваемый каскад, не нарушая закон изменения сигнала (в нашем частном случае сигнал изменяется по синусоидальному закону), в то же время поворачивает его фазу на 180°.

Рис. 3. Графическое пояснение процесса усиления сигнала схемой с общим эмиттером

Для получения наименьших искажений усиливаемого сигнала рабочую точку (точку покоя) П следует располагать в середине отрезка АВ нагрузочной прямой, построенной в семействе выходных характеристик транзистора (режим усиления класса А). Из рис. 3, б видно, что положение рабочей точки П соответствует току смещения в цепи базы I_БП. Для получения выбранного режима необходимо в усилителе обеспечить требуемую величину тока смещения в цепи базы. Для этого и служит резистор R_Б в схеме рис. 2.

Схема, приведенная на рис. 2, получила название схемы с фиксированным базовым током. Смещение фиксированным током базы отличается минимальным числом деталей и малым потреблением тока от источника питания. Кроме того, сравнительно большое сопротивление резистора R_Б (десятки кОм) практически не влияет на величину входного сопротивления каскада. Однако этот способ смещения пригоден лишь тогда, когда каскад работает при малых колебаниях температуры транзистора. Кроме того, большой разброс и нестабильность параметра β даже у однотипных транзисторов делают режим работы каскада весьма неустойчивым при смене транзистора, а также с течением времени.

Более эффективной является схема с фиксированным напряжением смещения на базе (рис. 4). В этой схеме резисторы R’_Б и R"_Б , подключенные параллельно источнику питания Е_К, составляют делитель напряжения.

При этом повышается стабильность режима работы схемы, так как изменения тока в цепях эмиттера и коллектора транзистора незначительно влияют на величину напряжения смещения.

Рис. 4. Схема резистивного каскада с фиксированным напряжением смещения

Сопротивление R"_Б делителя включено параллельно входному сопротивлению транзистора. Кроме того, пренебрегая малым внутренним сопротивлением источника питания, можно считать, что R’_Б и R"_Б включены параллельно друг другу. Поэтому делитель, образованный резисторами R’_Б и R"_Б должен обладать достаточно большим сопротивлением (порядка нескольких кОм). В противном случае входное сопротивление каскада окажется недопустимо малым.

При построении схем транзисторных усилителей приходится принимать меры для стабилизации положения рабочей точки на характеристиках. Основной дестабилизирующий фактор, нарушающий устойчивую работу транзисторной схемы, — влияние температуры. Существуют различные способы термостабилизации режима работы транзисторных каскадов.

Наибольшее распространение получила схема термостабилизации режима, приведенная на рис. 5. В этой схеме навстречу фиксированному прямому напряжению смещения, снимаемому с резистора R"_Б, включено напряжение, возникающее на резисторе R_Э при прохождении через него тока эмиттера. Пусть по какой-либо причине, например при увеличении температуры, постоянная составляющая коллекторного тока возрастает. Так как I_Э =I_К+I_Б, то увеличение тока I_К приведет к увеличению тока эмиттера I_Э и падению напряжения на резисторе R_Э. В результате напряжение между эмиттером и базой U_БЭ уменьшится, что приведет к уменьшению тока базы I_Б, а следовательно, и тока I_К.

Наоборот, если по какой либо причине коллекторный ток уменьшится, то уменьшится и напряжение на резисторе R_Э, а прямое напряжение U_БЭ возрастет. При этом увеличится ток базы и ток коллектора.

Рис. 5. Схема резистивного каскада с фиксированным напряжением смещения

В большинстве случаев резистор R_Э шунтируется конденсатором C_Э достаточно большой емкости (порядка десятков микрофарад). Это делается для отвода переменной составляющей тока эмиттера от резистора R_Э.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Введение

Наиболее важное назначение электронных приборов — усиление электрических сигналов. Устройства, предназначенные для выполнения этой задачи, называются электронными усилителями.

Усилитель(рисунок 1) — это электронное устройство, управляющее энергией, поступающей от источника питания к нагрузке. Причем мощность, требующаяся для управления, как правило, намного меньше мощности, отдаваемой в нагрузку, а формы входного (усиливаемого) и выходного (на нагрузке) сигналов совпадают.

Рисунок 1- Схематичное представление работы усилителя

Усилительные устройства широко используются в автоматике и телемеханике, в следящих, управляющих и регулирующих системах, счетно-решающих и вычислительных машинах, контрольно-измерительных приборах, бытовой радиоаппаратуре и т.д.

• · Активный усилитель — усиление сигнала осуществляется за счёт энергии внешнего источника: в сервоприводах (как то: гидро-, электро-, пневмоусилители) усиливается исходное механическое движение (как правило, оператора), за счёт внешней энергии. В активных усилителях часто используется обратная связь: положительная — для повышения чувствительности, и отрицательная — для улучшения точности/стабильности.
• · Пассивный усилитель — усиление одной (необходимой) характеристики сигнала осуществляется за счёт уменьшения других характеристик: например, домкрат (а также тисы, ручная таль, рычаг) является усилителем — движения (силы) руки — за счёт скорости (эта характеристика сигнала уменьшается).

Технические показатели: коэффициент усиления (по напряжению, току и мощности), входное и выходное сопротивления, выходная мощность, диапазон усиливаемых частот, частотные, фазовые и нелинейные искажения.

Большинство источников усиливаемого сигнала развивают очень низкое напряжение. Подавать его непосредственно на каскад усиления мощности не имеет смысла, т.к. при слабом управляющем напряжении невозможно получить сколько-нибудь значительные изменения выходного тока, а, следовательно, и выходной мощности. Поэтому в состав структурной схемы усилителя, кроме выходного каскада, отдающего требуемую мощность полезного сигнала в нагрузку, входят предварительные каскады усиления.

Эти каскады принято классифицировать по характеру сопротивления нагрузки в выходной цепи транзистора. Наибольшее применение получили резистивные усилительные каскады, сопротивлением нагрузки которых служит резистор.

В каскадах предварительного усиления на биполярных транзисторах чаще других используется схема с общим эмиттером (ОЭ), которая обладает высоким коэффициентом усиления по напряжению и мощности, сравнительно большим входным сопротивлением и допускает использование одного общего источника питания для цепей базы и коллектора.

Целью работы является исследование резисторного каскада на биполярном транзисторе по схеме с ОЭ (рисунок 1.1) .

Резисторный каскад. Принцип действия. Питание цепей транзистора

Основным каскадом усиления и предварительных усилителях является резисторный каскад, так как он содержит минимальное число реактивных элементов и может обеспечить при определен­ных условиях достаточно большой коэффициент усиления. Свое название каскад получил по нагрузке по постоянному току в цепи коллектора (стока)— резистору. На рисунке 3 приведены простейшие схемы резистивных усили­тельных каскадов на БТ, включенных по схеме с ОЭ. Необходимое напряжение на базу можно подавать через резистор R_Б(рисунок 3,а) или с делителя напряжения R_б1R_б2 (рисунок 3,б). Сопротивление R_Бво много раз превышает сопротивление перехода база-эмиттер для постоянного тока, поэтому смещение через резистор R_Бназывают сме­щением фиксированным током базы. Смещение с помощью делителя напряжения меньше изменяется при изменении температуры, старении и замене экземпляров транзисторов, поэтому называется смещением фиксированным напряжением база — эмиттер.

Напряжение смещения на базу можно подавать параллельно с на­пряжением сигнала (рисунок 3,а,б) и последовательно с напряже­нием сигнала, если сигнал подается через трансформатор. Смещение на базу с делителя напряжения также можно подавать и последовательно с напряжением сигнала. При последовательном включении напряжений сигнала и смещения входное сопротивление каскада больше, чем при параллельном.

а – через резистор, б – через делитель напряжения.

а – через резистор, б – через делитель напряжения.

а – через резистор, б – через делитель напряжения.

Рисунок 3 — Схемы подачи смещения в цепь база-эмиттер

Анализ работы резисторного каскада сводится к тому, чтобы подобрать такие элементы схемы, которые обеспечат наибольшее усиление и наименьшие частотные и фазовые искажения.

Источник питания выбирают в зависимо­сти от назначения усилителя и требуемой выходной мощности (напря­жения сигнала на заданной нагрузке). Если предъявляются требова­ния к экономичности усилителя, выбирают как можно меньшее напря­жение питания. Внутреннее (выходное) сопротивление источника питания должно быть достаточно малым, чтобы нежелательные обратные связи через общий источник питания каскадов не приводили к нестабильности характеристик усилителя.

Питание БТ типа p – n – p в режиме усиления осуществляется подачей отрицательного напряжения на коллектор и небольшого поло­жительного напряжения на эмиттер (относительно базы). Питание БТ типа n – p – n отличается лишь полярностью напряжения источников питания. Необходимое напряжение база-эмиттер составляет в среднем 0,25 В для германиевых и 0,6. 0,7 В для кремниевых БТ.

Полная электрическая схема резисторного усилительного каска­да приведена на рисунке 4.

Рисунок 4 – Полная электрическая схема резисторного каскада

Назначение элементов в этой схеме сле­дующее. Резисторы R1 и R2 образуют делитель для подачи на базу транзистора напряжения смещения, обеспечивающего исходный режим, т.е. для смещения рабочей точки покоя П в заданный уча­сток характеристики. Ток базы в исходном режиме

I _6н протекает по цепи: +Е_к, R_э , участок эмиттер — база транзисто­ра, резистор R1, —Е_к .

Резистор R_э обеспечивает температурную стабилизацию режима покоя каскада. Конденсатор С_э шунтирует резистор R_э по переменному току, исключая отрицательную обратную связь по переменному току. Отсутствие конденсатора С_э вызывает умень­шение коэффициента усиления каскада вследствие наличия отри­цательной обратной связи.

Конденсатор С_р1 является разделительным. Он не допускает
шунтирования входной цепи каскада цепью источника сигнала по
постоянному току, что исключает прохождение постоянного тока
через источник входного сигнала, а также влияние внутреннего сопротивления источника сигнала на напряжение на базе в режиме
покоя.

Конденсатор С_р2—также разделительный. Он не пропуекает постоянную составляющую напряжения источника питания Е_к на базу транзистора следующего каскада. Емкость этого конденсато­ра выбирается обычно настолько большой, чтобы усиливаемый сигнал проходил через него без ослабления.

Переменная составляющая входного тока протекает от нижнего зажима источника входного сигнала, далее разветвляется на три составляющие: одна протека­ет через R2 к точке Б, вторая — через С_э, участок эмиттер—база к точке Б, третья — через С_ф1, R1 к точке Б. Затем от точки Б ток протекает через С_р1 к верхнему зажиму источника входного сигнала. Цель переменной составляющей коллекторного тока следую­щая: общий провод, конденсатор С_{э ,} эмиттер — коллектор транзистора. Далее эта цепь разветвляется на две цепи: одна — резистор R_к, конденсатор С_ф2 на общий провод, а другая — конден­сатор С_р2 , резистор R1_сл, конденсатор С_ф2; третья — через
R2_сл , входное сопротивление и входную емкость последующего каскада на общий провод. Емкости Сф и С_э настолько большие, что сопротивление ихдля переменного тока оказывается ничтожно малым.

При использовании транзисторов, имеющих три вывода (электрода) один из них всегда оказывается общим для входной и выходной цепей.

Все напряжения в схеме измеряются относительно общего электрода. Получаются три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) (рисунок 5).

Рисунок 5 – Cхемы включения транзистора

Сравнения позволяют сделать следующие основные выводы:

¨ схема с общей базой ОБ имеет самый большой номинальный коэффициент усиления (Кус) по напряжению, но самый малый коэффициент усиления по току. Схема с общим коллектором ОК имеет коэффициент усиления Ко меньше единицы, но коэффициент усиления по току много больше единицы. Схема с общим эмиттером ОЭ имеет самый большой Куспо мощности;

¨ в схеме с ОЭ происходит инверсия полезного сигнала. Схемы с ОБ и ОК не изменяют фазу;

¨ в схеме с ОБ самая большая входная проводимость (равная S). В схеме с ОК входная проводимость самая малая;

¨ в схеме с ОБ самая маленькая выходная проводимость. В схеме с ОК входная проводимость самая большая.

Вклю­чение транзистора с ОБ позволяет получить усиление только на­пряжения. Коэффициент усиления тока при таком включении меньше единицы и мало изменяется при изменении режима работы, темпера­туры и замене экземпляров транзисторов. Коэффициент усиления мощ­ности сравнительно невелик, однако при замене экземпляров транзи­сторов, их старении и изменении температуры изменяется значительно меньше, чем при других включениях транзистора.

Входное сопротивление транзистора при включении с ОБ меньше, чем при других включениях, и находится в пределах от десятых долей ома (для транзисторов большой мощности) до десятков ом (для транзи­сторов малой мощности). При увеличении сопротивления нагрузки входное сопротивление возрастает. Выходное сопротивление при вклю­чении с ОБ больше, чем при других включениях, и растет при увели­чении внутреннего сопротивления источника сигнала. Коэффициент гармоник при включении транзистора с ОБ обычно не превы­шает нескольких процентов даже при полном использовании транзи­стора.

Включение транзистора с ОЭ позволяет получить усиление как тока, так и напряжения сигнала. Коэффициент усиления мощности при таком включении наибольший, однако он очень изменяется при изменении режима транзистора, температуры и замене экземпляров транзисторов. Входное сопротивление транзистора при включении с ОЭ значительно выше, чем при включении с ОБ, и находится в преде­лах от нескольких ом (для транзисторов большой мощности) до тысяч ом (для транзисторов малой мощности). При увеличении сопротивле­ния нагрузки входное сопротивление уменьшается. Выходное сопро­тивление транзистора меньше, чем при включении с ОБ, и уменьшается при увеличении внутреннего сопротивления источника сигнала. Коэф­фициент гармоник при включении транзистора с ОЭ больше, чем при других включениях. Однако такое включение применяется наиболее широко, так как позволяет получить наибольшее усиление мощности (напряжения при заданном сопротивлении нагрузки).

Включение транзистора с ОКпозволяет достичь наибольшего входного сопротивления (до сотен килоом для маломощных БТ). Это сопротивление существенно возрастает при увеличении сопротивления нагрузки. Выходное сопротивление при таком включении меньше, чем при других включениях, и находится в пределах от десятых долей ома (для транзисторов большой мощности) до тысячи ом (для транзи­сторов малой мощности). Оно резко возрастает при увеличении внут­реннего сопротивления источника сигнала. Коэффициент усиления напряжения при включении транзистора с ОК меньше единицы, коэф­фициент усиления тока несколько больше, чем при включении с ОЭ, и очень изменяется при изменении режима работы, температуры и замене транзисторов.

Включение с ОКприменяют в каскадах предварительного усиле­ния, когда требуются большое входное сопротивление и малая входная емкость.

При выборе источника пита­ния каскадов на транзисторах необходимо учитывать, что увеличение напряжения питания позволяет увеличить сопротивление в цепи кол­лектора и, следовательно, коэффициент усиления каскада. Однако при этом снижается КПД каскада. При большем напряжении питания можно выбрать большее сопротивление в цепи эмиттера, улучшив тем самым стабильность режима транзистора. Жела­тельно, чтобы напряжение питания составляло 6. 15 В, причем мень­шие значения предпочтительны для малогабаритных и портативных устройств с автономным питанием.

Режим работы транзисторов при слабых сигналах (не более 5 мВ) выбирают обычно так, чтобы получить необходимые усилительные параметры при как можно меньшем потребляемом токе. Динамическую характеристику в этом случае не строят, поскольку используется ее очень малый участок. Определяют только положение рабочей точки и соответствующие ей токи и напряжения на электродах. Значение тока коллектора в рабочей точке выбирают с учетом того, что при его увеличении возрастают крутизна характеристики прямой передачи транзистора и, следовательно, коэффициент усиления, однако снижается КПД каскада. Обычно для каскадов, работающих в режиме слабых сигналов, выбирают ток коллектора в пределах 0,5. 5 мА (чаще всего 1. 2 мА). Напряжение на коллекторе в рабочей точке U_К0 не должно пре­вышать U_K=(0,6. 0,8)U_КЭmax, где U_КЭmax — максимально допу­стимое напряжение коллектор — эмиттер. При меньших U_К0выше надежность каскада. Кроме того, U_К0 должно быть значительно меньше ЭДС источника питания Е(желательно U_К0 < 0,5E). Уменьшение U_К0 (иногда ниже 2 В) целесообразно для снижения уровня шумов первых каскадов усилителя, работающего при очень слабых входных сигналах. Выбрав напряжение на коллекторе и ток коллектора, можно определить по характеристикам транзистора необходимое смещение на базу. Выбранные параметры определяют мощ­ность, рассеиваемую на коллекторе: Р_К= I_К0U_K, и полное активное сопротивление элементов каскада, включаемых в цепи коллектора и эмиттера: R_S = (Е — U_K0)/I_К0— Сопротивление R_Sсостоит из сопротивлений резисторов R_К, R_Эи R_Фили R_К и R_Э (см.рис.10,а,б). Для повышения надежности каскадов целесооб­разно типы транзисторов и режим их работы выбирать так, чтобы P_К была намного меньше максимально допустимой Р_Кmax, приводимой в справочных данных.

При выборе режима работы каскада, усиливающего сильные сиг­налы (предвыходного), основное значение имеет выбор той области ста­тических характеристик транзистора, в которой можно получить заданную максимальную амплитуду тока, напряжения или мощности при допустимом уровне нелинейных искажений и по возможности меньшем расходе энергии источника питания. В случае бестрансформа­торной связи предвыходного каскада с выходным типы транзисторов и их режим следует выбирать в зависимости от требуемой амплитуды тока I_m во входной цепи выходного каскада. Максимально допустимый ток коллектора должен удовлетворять условию I_Кmax > 2I_m. Ток коллектора в рабочей точке выбирают из условия I_К0=I_m+I_Кmin, причем I_Kmin обычно принимают равным (0,1. 0,2)I_m.Динамическую характеристику проводят с углом наклона, соответствующим сопротивлению нагрузки каскада для переменного тока R_Н, так, чтобы ее середина совпала с линией I_К0 (точка О на рис.11) и мини­мальное напряжение на коллекторе U_Kmin было не меньше 1. 2 В. Определив напряжение на коллекторе в рабочей точке U_К0, вычисляют, R_S и Р_К так же, как и при слабых сигналах (см. выше). Кроме того, определяют амплитуду тока базы по выходным характеристикам (см. рис.11) и амплитуду напряжения на входе каскада по входной ха­рактеристике, при которых достигается амплитуда тока на выходе I_m .

Расчетная часть

Задание: Определить параметры резисторного каскада для обеспечения максимального усиления по следующим исходным данным:

F = 465 кГц, ∏ = 9 кГц, δ = 0,015, σ = 4, Ε = 9В, ∆Т = 30 град. Цельсия.

Расчет основных параметров каскада, схема которого приведена на рисунке 6,a. Коэффициент усиления напряжения определяется по формуле K_U=У_21Э/(У_22Э+ У_Н), где У_22Э – выходная проводимость транзистора в схеме с ОЭ, У_Н – проводимость нагрузки каскада. Если нагрузкой кас­када является следующий каскад, то У_Н=1/R_ВХ2 + 1/R_К .

Входное сопротивление рассчитываемого каскада определяется по формуле R_ВХ=R_Б/(1+Y_11ЭR), где R=R₁R₂/(R₁ + R₂).

Выходное сопротивление каскада можно принять равным сопротивлению резистора в цепи коллектора.

Так жечасто­та резонанса ; волновое (характеристиче­ское) сопротивление ; добротность Q=ρ/R, где R — активное сопротивление потерь в контуре; полосой пропускания П, измеряемой на уровне 0,707 от резонансного значения напряжения U_n.

Полоса пропускания связана с добротностью контура соот­ношением Q=f₀/П. Добротность усилителя Q_ЭКВменьше добротности контура Q, что связано с шунтирующим дей­ствием нагрузки и выходного сопротивления усилителя. Вводят понятие эквивалентного сопротивления контура усилителя R_ЭКВ, которое удовлетворяет соотношению .

Здесь R_ВЫХ — выходное сопротивление усилителя [R_BЫХ=r_K/(1 + β)]; R_K – сопротивление нагрузки; m_К=U₁/U_К – коэффициент включения контура к транзистору; m_Н=U_Н/U_К – коэффициент включения контура к нагрузке; R₀=L/(C₁R) – резонансное сопротивление контура, где по-прежнему R – сопротивление потерь в контуре. Тогда Q₂=QR₃/R₀.

Итак, эквивалентная добротность контура тем меньше, чем сильнее шунтируется контур сопротивлением нагрузки и вы­ходным сопротивлением транзистора.

Коэффициент усиления усилителя на резонансной частоте

Величины К_U0 и Q_ЭКВ существенно зависят от коэффициентов включения контура m_К и m_Н; при изменении m_К и m_Н может так­же несколько изменяться и резонансная частота. С уменьше­нием коэффициентов включения эквивалентная добротность контура увеличивается, повышается избирательность усилите­ля, но его усиление при этом падает. Варьируя величины m_К и m_Н можно обеспечить требуемые параметры усилителя.

Проведем анализ схемы, приведенной в приложении А. Основное свойство этой схемы состоит в том, что ее параметры определяются больше значениями компонентов схемы, чем параметрами транзистора.

Для расчета выбран транзистор типа КТ315Б, вследствие его широкого и частого применения в устройствах подобного типа.

Выбрана схема эмиттерной стабилизации режима работы транзистора. Напряжение смещения на базу подается с помощью делителя напряжения R₁R₂. В нагрузку коллектору включен колебательный контур, настроенный на промежуточную частоту 465кГц, что позволяет в режиме резонанса получить максимальный коэффициент усиления по напряжению.

Максимальный размах выходного напряжения ограничен величиной напряжения источника питания. В режиме класса А потенциал коллектора в отсутствие сигнала приблизительно равен половине напряжения источника питания. Это обуславливает максимум как положительного, так и отрицательного размаха выходного напряжения. Обычно максимум абсолютного значения полного размаха выходного напряжения составляет от 90 до 95% напряжения источника питания. Например, если напряжение источника питания равно 20 В, то потенциал коллектора в точке покоя будет равен 10 В, а выходной сигнал может изменяться от 1 до 19 В. Однако нелинейные искажения сигнала на выходе будут значительно меньше, если размах выходного напряжения составляет 30…50% напряжения источника питания. При этом в любой цепи не должно превышаться предельно допустимое коллекторное напряжение.

Определяем рабочую точку, исходя из характеристик данного транзистора и находим эле­менты схемы R₁, R₂, R_3.

Строим нагрузочную прямую на выходной вольт-амперной характеристике КТ315Б. На оси U_КЭ отмечаем точку U_КЭmax=9 В, это точка, которая характеризует режим холостого хода. На оси I_К отметим точку I_Кmax=E/R_Н=18 мА, которая характеризует режим короткого замыкания транзистора.

Ток коллектора в рабочей точке принимаем I_К0=0,5 I_Кmax=0,009 мА. Значит напряжение U_КЭ в рабочей точке U_КЭ0=4,4 В и ток базы в рабочей точке I_Б0=0,1 мА.

По входной ВАХ определяем, что U_БЭ0=0,47 В (при T=30°С).

Сопротивление в цепи эмиттера долж­но быть не менее R_Э= γΔТ/ΔI_Э, где ΔI_Э– допустимое изменение тока эмиттера, примем его равным 0,1I_К0.

.

Из ряда номинальных сопротивлений выбираем величину номинала равную 510 Ом. Принимаем, что I_К0≈I_Э0. Мощность рассеивания на резисторе равна:

Исходя из полученных данных выбираем резистор

С2-27-0.5-510Ом 0.5%.

Находим напряжение на базе, которое определим по формуле

Сопротивления резисторов делителя определим по формулам R_Б2=U_Б/(0,1-0,25)I_К0;

Из ряда номинальных сопротивлений выбираем R₁=5600 Ом R₂=9100 Ом.

Общие сведения. Тема 2.4 Резистивный каскад предварительного усиления

Схемы каскадов, изучаемых в данной лекции, широко применяются в аппаратуре радиосвязи, радио и проводного вещания, телевидения многоканальной связи, каналообразующей телеграфной аппаратуре, аппаратуре передачи данных.Учебный материал данной лекции будет использован во всех учебных дисциплинах, где изучается данная аппаратура.

Состояние, в котором находится УЭ при отсутствии на его входе усиливаемого сигнала, называется состоянием покоя. Постоянные то­ки и напряжения в цепях УЭ, соответствующие состоянию покоя, на­зывают токами и напряжениями покоя; они определяют на входной и выходной статических характеристиках УЭ точку покоя. Положение точки покоя характеризует режим работы УЭ по постоянному току.

Токи и напряжения покоя УЭ устанавливают подачей соответствую­щих постоянных напряжений (или токов) от источника питания (ИП). Для обеспечения требуемого режима работы на УЭ обычно подается два напряжения: между эмитирующим и управляющим электрод(смещение) и между эмиттирующим и управляемым электродами (вы­ходное постоянное напряжение).

Требуемый режим работы УЭ обеспечивается в усилительном кас­каде с помощью специальных цепей питания. Имеется два варианта получения выходного постоянного напряжения УЭ: включение источ­ника питания последовательно (рисунок2.17а) и параллельно (рисунок 2.17б) с нагрузкой.

Рисунок 2.17 — Схемы подачи питания: а)последовательная; б)параллельная

Та часть цепей питания, которая обеспечивает подачу на УЭ на­пряжения или тока смещения, называется цепями смещения. На практике лучше питание всех его цепей (за исключением цепей накала) осуществлять от одного общего источника постоянного напряжения, так как чаще всего выходное напряжение УЭ во много раз больше напряжения смещения, которое в этом случае можно полу­чить с помощью обычных делителей напряжения.

Схема усилительного каскада со смеще­нием фиксированным током базы показана на рисунке 2.18(а). Сопротивление R_Б выбирается во много раз больше сопро­тивления по постоянному току между коллектором и базой транзисто­ра. Напряжение U_б.э0<<E, поэтому I_б0=(E-U_б.э0)/R_б ≈ E/R_б

Схема усилительного каскада со смеще­нием фиксированным напряжением база— эмиттер показана на рисунке 2.18(б). Необходимое напряжение смеще­ния U_б.э0 обеспечивается с помощью делителя напряжения R1 и R2 в цепи базы. Из схемы рисунок 2.18(б) следует E=I_ДR₂+I_ДR₁+I_б0R₁, где I_Д — ток делителя. Поэтому U_б.э0=(ER₁)/(R₁+R₂), так как I_Д>I_б0.

Цепи смещения с температурной компен­сацией. В схемах с температурной компенсацией (рисунок 2.19) в це­пях смещения используются термокомпенсирующие элементы: терморезисторы R_T или полупроводниковые диоды.

Рисунок 2.19— Цепи смещения с температурной компенсацией:

а — терморезистором; б — диодом

В качестве терморезистора могут быть использованы непроволоч­ные резисторы с отрицательным температурным коэффициентом. С ростом температуры сопротивление терморезистора R_t(рисунок 2.19а) уменьшается, при этом напряжение смещения U_б.э0 на транзисторе снижается, что вызывает уменьшение I_к0.

При использовании для температурной компенсации полупровод­никового диода (рисунок2.19б) повышение температуры вызывает умень­шение прямого сопротивления диода, что приводит к уменьшению сме­щения, при этом возрастание I_к0 компенсируется.

Цепи смещения с отрицательной обрат­ной связью. Общим для схем стабилизации с ООС является то, что в усилительном каскаде создается специальная цепь обратной связи по постоянному току, благодаря которой с ростом (или уменьше­нием) тока I_к0 при температурных колебаниях или при смене транзи­стора смещение на транзисторе уменьшается (или увеличивается), что в значительной степени компенсирует изменения тока I_к0.

Простейшей из схем стабилизации точки покоя с помощью отри­цательной обратной связи является схема коллекторной стабилиза­ции.

На рисунке2.20 показана схема коллекторной стабилизации при включении транзистора по схеме с ОЭ (коллекторную стабилизацию можно применять и при включении транзистора по схемам с ОК и ОБ).

Типовая схема питания усилителя на полевом транзисторе с PN- переходом и N -каналом при включении по схеме ОИ показана на рисунке2.21.

При N -канале на затвор транзистора, как правило, подается от­рицательное напряжение смещения, при этом PN- переход закрыт и постоянный ток в цепи затвора отсутствует. По этой причине потен­циал затвора равен потенциалу общего провода, а потенциал истока транзистора относительно общего провода положителен и больше на значение напряжения U_{R ист} на резисторе R _ист. Напряжение U _Rист= I _и0 R _ист, где I _и0 – ток истока транзистора в рабочей точке. Следо­вательно, между истоком и затвором в схеме рисунок 2.21 действует от­рицательное U _з.и0= U _Rист.

Выводы: 1.Для обеспечения требуемого режима работы усилительных элементов необходимо иметь, по крайней мере, два напряжения между эмитирующими и управляющими электродами(смещение). 2. Создание напряжения смещения, как правило, осуществляется от общего источника питания. 3. Изменение температуры коллекторного перехода биполярных транзисторов приводит к изменению тока I_кб0, что вызывает смещение точки покоя, которое особенно проявляется в каскадах, где транзисторы включены по схеме с общим эмиттером, поэтому такие каскады требуют обязательной стабилизации режима работы. 4. Стабилизация режима работы может осуществляется за счет отрицательной обратной связи по напряжению, по току или за счет комбинированной обратной связи. 5. В некоторых случаях применяют термокомпенсацию точки покоя включением термозависимых сопротивлений

Контрольные вопросы:

1. Как будет меняться выходное напряжение усилительного элемента при изменении выходного тока в нагрузочном режиме?

2. В каком случае при наличии нагрузки в выходной цепи напряжение U_КЭ = E_К ?

3. Каким должно быть соотношение между током покоя I_К0 и амплитудой переменного тока I_{К m,} чтобы получить наименьшие искажения формы тока?

4. Какова роль источника питания усилительного элемента в процессе усиления сигналов?

5. Каково назначение напряжения смещения в процессе усиления электрических сигналов?

6. Как зависит ток покоя от положения точки покоя на характеристике данного прибора и как это отразится на КПД?

7. Поясните принцип подачи напряжения смещения фиксированным током базы и напряжением база-эмиттер.

8. Назовите причины нестабильности.

9. Дайте краткую характеристику методам стабилизации режима работы транзисторного каскада.

ЛЕКЦИЯ 23. Принцип построения и работы резистивного каскада, назначение элементов, токопрохождение.

Схемы каскадов, изучаемых в данной лекции, широко применяются в аппаратуре радиосвязи, радио и проводного вещания, телевидения многоканальной связи, каналообразующей телеграфной аппаратуре, аппаратуре передачи данных.

Учебный материал данной лекции будет использован во всех учебных дисциплинах, где изучается данная аппаратура.

Назначение КПУ(каскад предварительного усиления) — повысить уровень сигнала, создаваемого ис­точником, до уровня, необходимого для нормальной работы оконечно­го или предоконечного каскадов.

В качестве КПУ используют резистивные каскады, нагрузкой которых является активное сопротивление.

Построение эквивалентных схем. Для нахождения основных пока­зателей КПУ необходимо построить его эквивалентную схему. Экви­валентная схема усилительного каскада — это электрическая схема, состоящая из необходимого числа простых элементов (сопротивлений, конденсаторов, индуктивностей). Для переменного тока эквивалентная схема равноценна (эквивалентна) рассматриваемому каскаду.