Лекция 2 Усилители на транзисторах. 2. усилители и формирователи электрических сигналов на биполярных и полевых транзисторах. Усилители электрических сигналов

• Название: 2. усилители и формирователи электрических сигналов на биполярных и полевых транзисторах. Усилители электрических сигналов
• Дата: 22.04.2022
• Размер: 7.16 Mb.
• Имя файла: Лекция 2 Усилители на транзисторах.doc
• Тип: Лекция; #490602
• страница: 14 из 14

1.3.2.Частотная характеристика многокаскадного усилителя

Частотные искажения, вносимые каждой ИМС в диапазоне высоких частот, известны из паспортных данных или могут быть определены экспериментально. Результирующий коэффициент частотных искажений усилителя находят как произведение соответствующих коэффициентов отдельных ИМС:

М_в = М_в1М_в2…М_вn

Частотные искажения в диапазоне низких частот, как правило, обусловлены влиянием цепей связи между отдельными усилительными каскадами. В зависимости от особенностей усилителя частотные искажения между цепями связи распределяют равномерно или неравномерно. При равномерном распределении частотные искажения каждой цепи связи определяют из выражения

М_н1 = М_н2 = .

Определим полосу пропускания многокаскадного усилителя на дискретных элементах, состоящего из п идентичных каскадов. Как известно, полоса пропускания усилителя F =F_В-F_Н, где F_Ви Fн— соответственно верхняя и нижняя частоты, относительное усиление которых y =1/ .

Ввиду того, что F_Н много меньше, чем F_В, полосу пропускания усилителя можно определить как FF_в.

Если не учитывать инерционность транзистора, то

F_в =1/(2RC),

где R=R_выхR_н; С =С_вых+С_вх+С_м; R_вых — выходное сопротивление усилителя; R_н — сопротивление нагрузки; С_вх, С_вых, С_м — соответственно входная, выходная емкости и емкость нагрузки (или монтажа). Рассмотрим выражение обобщенной частотной характеристики, нормированной по абсолютнной величине коэффициента передачи на средних частотах K_max:

.

В приведенном выражении К_в и К_max — соответственно коэффициент усиления усилителя в области верхних и средних усиливаемых частот.

Обозначим F/F_вчерез х_в, тогда

.

Учитывая, что полоса пропускания усилителя измеряется на уровне , получим x_в=1. При включении же n одинаковых усилителей:

y= (1+x_в²)^-n/2

Приравнивая y=1/ , находим

(1+x_в²)^-n/2 = 2^–1/2,

откуда

.

В данном случае x_в=F_вn/F_вхарактеризует относительное сужение полосы пропускания многокаскадного усилителя по сравнению с однокаскадным при отсчете полосы на уровне 0.7=1/2.

Зависимость сужения полосы от числа каскадов приведена в табл.2.1.

Таблица 2.1

n	1	2	3	4	5	6
xn	1	0,64	0,51	0,435	0.39	0,35

Заметим, что в двухкаскадном усилителе полоса сужается в 1.55 раза. Сужение полосы почти в 2 раза дает трехкаскадный усилитель и т.д.

В области низких частот для многокаскадного усилителя, состоящего из n одинаковых каскадов, справедливо равенство:

,

где τ_н=1/2πF_н = С(R_г + R_вх), С — разделительная емкость;R_вх — входное сопротивление рассматриваемого усилителя. Роль R_Гможет выполнять выходное сопротивление предыдущего каскада.

Следует также учитывать, что при наличии цепи эмиттерной стабилизации искажения на низких частотах будет вносить также и конденсатор в эмиттерной цепи.

Обозначив F/F_Н через х_Н,получим для многокаскадного усилителя

.

Приравнивая y= , получим , откуда находим

.

В данном случае х_н=F_нn/F_н характеризует относительное изменение нижней граничной частоты n-каскадного усилителя по сравнению с однокаскадным усилителем.

Полученные формулы для х_в и х_н показывают, что полоса пропускания многокаскадного усилителя оказывается значительно уже по сравнению с однокаскадным, поскольку Fнn увеличивается, а Fвn уменьшается.

Требования к граничной частоте f_используемых в каскадах транзисторов, можно определить следующим образом:

,

где n — количество усилительных каскадов.

1.3.3.Многокаскадные усилители в интегральном исполнении

Одиночные усилительные каскады, выполненные как на биполярных, так и на полевых транзисторах, широко используются при проектировании аналоговых ИМС. Аналоговые ИМС (АИМС) предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся непрерывно и во времени. Они находят применение в аппаратуре воспроизведения и усиления звуковых сигналов, радиоприемниках и телевизорах, видеомагнитофонах и измерительных приборах, технике связи и т.д.

АИМС — конструктивно законченное устройство, которое в совокупности с ограниченным количеством внешних радиоэлементов позволяет создавать сложный завершенный функциональный узел.

Функциональный узел — это группа радиоэлементов, объединенных конструктивно и технологически в сборочную единицу (модуль), предназначенную для создания некоторой законченной части радиоэлектронной аппаратуры, например, усилителя, фильтра, источника питания и т.п.

Взамен традиционного метода изготовления функциональных узлов путем сборки их из готовых радиокомпонентов в модули с применением межсоединений и конструктивных элементов в АИМС процессы изготовления входящих в узел радиокомпонентов и объединения их в функциональную конструктивно завершенную структуру совмещаются. Такая технология называется интегральной.

Интегральная технология изменила представление об оптимальных функциональных структурах радиоэлектронных устройств и их функциональном базисе. Появились новые принципы и способы конструирования аппаратуры, оказывающие значительное влияние на все этапы изготовления радиоэлектронных устройств, способы их эксплуатации и существенно расширяющие сферу их применения. Сформировалась специальная отрасль электроники — микроэлектроника, решающая проблемы конструирования и производства электронных изделий на базе интегральной технологии.

В настоящее время стандартизированы количественные и качественные показатели сложности ИМС, характеризуемые числом содержащихся в них элементов. По сложности ИМС подразделяются на малые, средние, большие, и сверхбольшие интегральные микросхемы. Повышение уровня интеграции микросхем является прогрессивным направлением, которое помогает улучшить функциональные и эксплуатационные показатели радиоэлектронной аппаратуры.

С помощью интегральной технологии можно изготовить большинство маломощных функциональных узлов в виде ИМС. Однако, промышленное производство микросхем определенного типа целесообразно лишь при их массовом применении. При малом объеме сбыта затраты на разработку и подготовку производства значительно превысят стоимость ИМС, и их применение окажется нецелесообразным.

Следует отметить, что АИМС относятся к комплектующим изделиям, не имеющим самостоятельного назначения, а применяются лишь в совокупности с другими изделиями как составные части более сложных и различных по назначению устройств.

Применение ИМС позволяет значительно уменьшить габариты аппаратуры и ее массу, значительно повысить надежность, уменьшить потребляемую электрическую мощность и стоимость аппаратуры. Кроме того, применение ИМС дает возможность улучшить технологию производства аппаратуры и в ряде случаев получить такие параметры, которые в усилителях при дискретном исполнении получить практически невозможно.

При использовании ИМС отпадает необходимость в расчете, сборке и настройке отдельных каскадов. В этом случае на первый план выдвигаются вопросы согласования отдельных ИМС, введения цепей обратных связей, обеспечивающих получение необходимых параметров, обеспечение устойчивости всей системы, охваченной цепями обратной связи и т.д.

В настоящее время промышленностью разработано и выпускается значительное количество различных ИМС, в которых усилители являются одним из функциональных узлов среди множества узлов другого назначения. На сегодняшний день перед специалистом-разработчиком стоит задача правильного выбора и оптимального использования готовых ИМС.

Для того чтобы различить, какую функцию выполняет конкретная ИМС, принята система условных обозначений, отражающая их принадлежность к определенным сериям, классам и группам. Серии стремятся разработать так, чтобы из микросхем, входящих в нее, можно было построить законченное устройство.

Условное обозначение ИМС состоит из следующих элементов. Первый элемент — цифра, обозначающая группу ИМС. По конструктивно-технологическим признакам ИМС подразделяются на три группы, которым присвоены обозначения: 1, 5, 7 — полупроводниковые; 2, 4, 6, 8 — гибридные; 3 — прочие (пленочные, вакуумные, керамические и т. д.). Второй элемент — две цифры, обозначающие порядковый номер разработки серии ИМС. Эти элементы обозначают серию микросхем. Третий элемент — две буквы, обозначающие подгруппу и вид ИМС в соответствии с табл. 1.2, в которой отражено обозначение усилителей в интегральном исполнении.

Таблица 2.2

Усилители	Обозначение
Высокой частоты	УВ
Промежуточной частоты	УР
Низкой частоты	УН
Импульсных сигналов	УИ
Широкополосные	УК
Повторители	УЕ
Считывания и воспроизведения	УЛ
Индикации	УМ
Постоянного тока	УТ
Операционные	УД
Дифференциальные	УС
Прочие	УП

ИМС, предназначенные специально для усиления электрических сигналов, имеют большую степень интеграции. Трудности изготовления реактивных элементов заставили разрабатывать ИМС в основном в вариантах с непосредственными связями. Можно выделить два основных типа интегральных усилителей: простые усилители с непосредственными связями между каскадами и глубокой отрицательной обратной связью, и усилители на основе использования дифференциальных усилительных каскадов. К последнему типу относятся операционные усилители.