Назначение элементов усилительного каскада

 

Усилительный режим транзистора определяется постоянными напряжениями между электродами и токами, протекающими в цепях электродов. Их задают элементы внешних цепей транзистора, которые составляют схему его включения. Усилительный прибор, его обвязка, источник питания и нагрузка образуют усилительный каскад.

 

Рис.20 Схема усилительного каскада на транзисторе с ОЭ

 

Обозначения в схеме:

RВХ.V~ и RВЫХ.V~ - входное и выходное сопротивления транзистора V1 переменному току без

учёта элементов внешней цепи (обвязки).

RВХ.~ и RВЫХ.~ - входное и выходное сопротивления усилительного каскада.

RU - сопротивление источника сигнала.

RН~ - эквивалентное сопротивление нагрузки каскада переменному току.

RВХ.СЛ - входное сопротивление следующего каскада.

Um.ВХ - амплитуда входного сигнала.

Um.ВЫХ - амплитуда выходного сигнала.

Примечание: Все сопротивления цепей измерены в направлении стрелки при разрыве схемы вдоль пунктирных линий.

 

Независимо от схемы включения транзистора: с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) или общим коллектором (ОК) назначение элементов усилительного каскада одинаково.

Рассмотрим назначения элементов стандартной обвязки транзистора включённого с общим эмиттером (ОЭ) в типовой схеме усилительного каскада (Рис.20).

 

 

- 17 -

Развязывающий фильтр по питанию Rф Сф.

При питании усилителя от выпрямителя фильтр по питанию RфСФ обеспечивает сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения электрической сети ЕК.

Но более важную роль он выполняет в многокаскадном усилителе при развязке (устранение связей) каскадов, которые питаются от общей шины ЕК. Если внутреннее сопротивление источника питания Ri(Рис.21) отличное от нуля и составляет единицы или даже доли Омма, то переменные токи оконечных каскадов усилителя мощности достигающие единиц Ампер образуют на нём падения напряжения ΔU = IВЫХ Ri. Это значит, что напряжение питания предварительных каскадов и особенно чувствительного входного каскада U0 = EK - ΔU не будет постоянным. Оно изменяется пропорционально сигналу за счёт паразитной обратной связи между каскадами.

Развязывающие фильтры по питаниюRф Сф с большой постоянной времени в каждом каскаде устраняют паразитные связи между этими каскадами.

Рис.21 Схема образование паразитных связей между каскадами.

 

Сопротивление резистора RФ выбирается из расчёта допустимого снижения к.п.д. усилителя и лежит в пределах от долей Ома в оконечных каскадах до единиц кОм в маломощных каскадах, так чтобы ΔU = (0,1…0,2) EK. Тогда ёмкость конденсатора СФ для звуковых частот может достигать десятки и сотни мкФ, а для её расчёта можно пользоваться приближённой формулой

СФ > 10 (2π FН RФ)

Базовый делитель RБ1 RБ2.

Два резистора RБ1 и RБ2, включённых последовательно по постоянному току между шиной питания EK и общим проводом, являются базовым делителем напряжения питания и образуют начальное базовое смещение U = UБ – UЭ между базой и эмиттером транзистора V1. Это напряжение U определяет режим работы транзистора: А, В или АВ.

Чем меньше сопротивления резисторов RБ1 RБ2 тем выше температурная стабильность каскада, но при этом недопустимо снижается входное сопротивление каскада по переменному току RВХ~, для которого RБ1, RБ2 и RВХ.V~ (входное сопротивление транзистора) включены параллельно.

RВХ~ = (RВХ.V~RБ) (RВХ.V~ +RБ), где RБ = (RБ1 RБ2) (RБ1 + RБ2)

 

Поэтому типовыми значениями номиналов резисторов базового делителя для каскадов предварительного усиления являются: RБ1 – десятки кОм, RБ2 – единицы - десятки кОм.

Сопротивление коллекторной нагрузки RК.

Резистор RК образует путь протекания коллекторного тока покоя I, который определяется выбранным режимом работы транзистора V1 (А, В или АВ).

В сильной степени сопротивление коллекторной нагрузки RК влияет на усилительные свойства транзистора, так как от его номинала зависит угол наклона выходной динамической характеристики. Чем больше сопротивление резистора RК (десятки кОм) тем больше коэффициент усиления каскада по напряжению КU и, наоборот, чем меньше RК (сотни Ом) – тем больше коэффициент усиления по току КI.

- 18 -

Максимальное усиление мощности будет при соизмеримых значениях RК и RВЫХ.V~ (выходного сопротивления транзистора переменному току).

По переменному току сигнала сопротивление коллекторной нагрузки RК включено параллельно RВЫХ.V~ и может привести к недопустимому снижению выходного сопротивления каскада RВЫХ.~.

Резистор автосмещения RЭ.

Эмиттерный ток транзистора IЭ (как постоянный I так и переменный ImЭ), протекая через резистор RЭ образует на нём падение напряжения UЭ. Это напряжение является напряжением обратной связи UОС, так как связано с входными параметрами транзистора выражением: U = UБ – UЭ,

где UБ – напряжение на базе V1, измеренное по отношению общего провода.

Как будет доказано в последующих темах, отрицательная обратная связь (ООС) противодействует изменению параметров усилительного каскада, обеспечивая стабилизацию его режима, в том числе и температурного.

Например, повышение температуры tºС вызывает увеличение эмиттерного тока I и UЭ, но при этом автоматически уменьшается начальное базовое смещение U = UБ – UЭ, которое подзапирает транзистор и, как следствие, уменьшает эмиттерный ток, компенсируя его зависимость от температуры. Отсюда название RЭ – резистор автосмещения. Таким образом ООС по постоянному току благоприятно сказывается на стабильность режима работы усилительного каскада.

Но за счёт протекания тока сигнала ImЭ через RЭ образуется ООС по переменному току, которая уменьшает, к сожалению, коэффициент усиления каскада. Включив параллельно резистору RЭ конденсатор большой ёмкости СЭ, можно уменьшить эквивалентное сопротивление эмиттерной цепи на несколько порядков для самых низких рабочих частот.

Конденсатор СЭ предназначен для устранения отрицательной обратной связи по переменному току, в результате чего можно избежать снижения коэффициента усиления.

Разделительные конденсаторы СР1СР2

Разделительные конденсаторы СР1 СР2устраняют связь между каскадами по постоянному току. При их отсутствии режимы работы всех транзисторов гальванически (непосредственно) связанных между собой будут взаимозависимы. Причём, незначительное изменение режима первого транзистора за счёт усилительных свойств приведёт к недопустимому изменению режима последнего.

Ёмкость разделительных конденсаторов выбирается из расчёта, чтобы их реактивное сопротивления ХСр самым низким рабочим частотам FН было хотя бы на порядок меньше эквивалентного сопротивления последующих нагрузочных цепей RЭКВ. ХСр = 1 ⁄(2πFН СР) << 0,1 RЭКВ

Емкость межкаскадного разделительного конденсатора в усилителях звуковых частот УЗЧ достигают десятки и сотни микрофарад (мкФ), а выходного разделительного конденсатора, перед громкоговорителем – тысячи мкФ. В высокочастотных цепях ёмкость СР уменьшается обратно пропорционально рабочей частоте. При использовании полевого транзистора с большим входным сопротивлением, СР составляет доли мкФ (например 0,1 мкФ).

 

2. Принцип работы усилительного каскада(Рис.22)

В режиме покоя (при отсутствие сигнала) постоянная составляющая коллекторного тока I протекает от +ЕК через RК, переход ЭКVT1, RЭ, - ЕК. Постоянная составляющая коллекторного напряжения, если считать I ≈ I, равна:

U = ЕК - I (RК + RЭ )

- 19 -

В усилительном режиме, при подаче сигнала на вход каскада переменная составляющая тока коллекторной цепи ImК протекает по нескольким параллельным цепям:

1. ЭКVT1 → СР2 → ЭБVT2-ЕК (общий провод);

2. ЭКVT1 → RК → СФ-ЕК;

3. ЭКVT1 → Ср2 → RБ1 → СФ-ЕК ;

4. ЭКVT1 → СР2 → RБ2-ЕК.

Таким образом, полным сопротивлением нагрузки для переменного тока сигнала Rн~ является эквивалентное сопротивление параллельно включённых RК, RБ1, RБ2, RВХ.V2,

 

RН~ = (RК RВХ.СЛ.) (RК +RВХ.СЛ.),

 

где RВХ.СЛ = (RВХ.V2~ RБ1 RБ2) (RВХ.V2~ RБ1 + RВХ.V2~ RБ2 + RБ1 RБ2)

Рис.22 Схема усилительного каскада с ОЭ.

 

Полезной является только составляющая выходного тока усиленного сигнала ImБ2, протекающая по первой из перечисленных ветвей, так как только она будет усиливаться в следующем усилительном каскаде. Остальные постоянные и переменные токи, протекая через элементы обвязки транзистора, приведут к рассеиванию энергии источника питания и сигнала, снижая к.п.д каскада.

Прохождение и обработка сигнала в цепях усилительного каскада наглядно видно по осциллограммам в характерных точках схемы, приведённых на Рис.22.

При подаче на вход каскада сигнала Um.ВХ ранее постоянные напряжения в схеме U, U, U станут пульсирующими UmБ, UmК, UmЭ, изменяясь синхронно амплитуде входного сигнала. На осциллограммах видно, что напряжения сигналов UmБ, UmК, UmЭ, буду смещены по отношению оси времени в положительную или отрицательную область на величину постоянных потенциалов в этих точках U, U, U, в зависимости от полярности источника питания “+ ЕКили “- ЕК.

Только при единственном включении транзистора по схеме с ОЭ фаза выходного сигнала (осциллограммы UmК и как следствие Um.ВЫХ), снимаемого с коллектора изменится на 180º. Поэтому каскад с включением транзистора по схеме с ОЭ называется инверсным. При других включениях транзистора с ОК и ОБ выходной и входной сигналы всегда совпадают по фазе.

Для определения схемы включения транзистора с ОЭ, ОК, ОБ необходимо пользоваться следующим правилом (пример для ОЭ):

- 20 -

Если входной сигнал подаётся в базовую цепь транзистора, а выходной снимается с коллектора, то третий электрод – эмиттер, является общим для входного и выходного сигнала независимо от того, как он включён в схему.

На Рис.23 и Рис.24 представлены схемы с включением транзисторов с общим коллектором ОК и общей базой ОБ и приведены их особенности.

Рис.23 Схема усилительного каскада с ОК.

 

Важными свойствам усилительного каскада с транзистором, включенным с ОК являются:

1. Большое входное RВХ (десятки кОм) и малое выходное (десятки Ом) сопротивления, что улучшает согласование с предыдущими и последующими каскадами.

2. Входной сигнал не инвертируется, т.е. входной UВХ и выходной UВЫХ сигналы совпадают по фазе (φ = 0).

3. Коэффициент усиления по напряжению меньше единицы (КU < 1, но КI >> 1).

Рис.24 Схема усилительного каскада с ОБ.

 

Свойство транзисторного усилительного каскада с ОБ противоположные свойствам каскада с ОК. Каскады с включением транзистора по схеме с ОБ в низкочастотных усилителях УНЧ (звуковых частот УЗЧ) практически не используются.

 

- 21 –

 






Дата добавления: 2016-07-05; просмотров: 19709;


Поиск по сайту:

Воспользовавшись поиском можно найти нужную информацию на сайте.

Поделитесь с друзьями:

Считаете данную информацию полезной, тогда расскажите друзьям в соц. сетях.
Poznayka.org - Познайка.Орг - 2016-2020 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей. | Обратная связь
Генерация страницы за: 0.019 сек.