Лачин Электроника. Электроника рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия ля студентов высших технических учебных заведений РостовнаДону Феникс 2001 Рецензенты

• Название: Электроника рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия ля студентов высших технических учебных заведений РостовнаДону Феникс 2001 Рецензенты
• Анкор: Лачин Электроника.doc
• Дата: 28.01.2017
• Размер: 7.57 Mb.
• Имя файла: Лачин Электроника.doc
• Тип: Учебное пособие; #535
• страница: 9 из 17

Входное сопротивление усилителя, охваченного обратной связью. Обратимся к структурной схеме усилителя с пос­ледовательной отрицательной обратной связью (рис. 2.13).

Обозначим через Z_вх входное комплексное сопротивле­ние цепи прямой передачи:

где i_ex -комплексное действующее значение тока i_ex.

Найдем входное комплексное сопротивление Z_{ex ос}уси­лителя, охваченного обратной связью:




Получим

Таким образом,

Пусть коэффициенты К_ии B являются вещественны­ми (К_и= K_uи β = β), тогда

Отсюда следует, что последовательная отрицательная обратная связь увеличивает входное сопротивление по модулю. Практически всегда это является положительным фактором.

Выходное сопротивление усилителя, охваченного обрат­ной связью. Обозначим через Z_выхи Z_{вых ос}соответственно выходное комплексное сопротивление цепи прямой передачи и выходное комплексное сопротивление усилителя, охваченного обратной связью. По определению


где ΔU_вых, ΔI_вых— приращения комплексных действую­щих значений соответственно напряжения и_выхи тока i_eых При этом предполагается, что обратная связь отключе­на (например, выход цепи обратной связи закорочен).

Также предполагается, что U_exl= const, а изменение ве­личин U_вых и I_выхвызвано изменением сопротивления нагрузки.

По определению


но при этом предполагается, что обратная связь действу­ет и что U_exl= const.

В этом случае причиной возникновения приращения ΔU_вых. является не только падение напряжения на выход­ном сопротивлении Z_eых, но и появление приращения

ΔU_оскомплексного действующего значения напряжения u_ос.

Следовательно,



Знаки «минус» использованы потому, что и увеличение тока i_eых, и увеличение напряжения и_освызывают уменьше­ние напряжения и_вых.

Отсюда с учетом, что ΔU_ос =ΔU_eыx • β, получим

В соответствии с этим

Пусть коэффициенты К_uи βявляются вещественны­ми. Тогда, очевидно, отрицательная обратная связь по напряжению уменьшает выходное сопротивление усили­теля. Очень часто это является положительным фактором.

2.2.3. Разновидности отрицательных обратных связей и анализ их влияния

Для упрощения изложения принимаем условие, что цепь прямой передачи и цепь обратной связи характери­зуются вещественными коэффициентами и что все токи и напряжения описываются вещественными действующи­ми значениями.

Обратимся к обратной связи по напряжению. Она пре­пятствует изменению выходного напряжения при измене­нии сопротивления нагрузки. Это означает, что введение отрицательной обратной связи по напряжению уменьша­ет выходное сопротивление усилителя. Этот же вывод был сделан выше на основе полученного математического вы­ражения для выходного сопротивления. Можно показать, что характер изменения выходного сопротивления не за­висит от того, является связь параллельной или последо­вательной.

Обратимся к обратной связи по току. Она препятству­ет изменению выходного тока при изменении сопротив­ления нагрузки. Это означает, что введение отрицательной обратной связи по току увеличивает выходное сопротив­ление. При этом характер изменения выходного сопротив­ления также не зависит от того, является ли связь парал­лельной или последовательной.

Подобные рассуждения (и соответствующие математи­ческие выражения) показывают, что параллельная обрат­ная связь уменьшает входное сопротивление усилителя, охваченного ею, а последовательная увеличивает (что под­тверждает полученное выше математическое выражение). Характер изменения входного сопротивления не зависит от того, является ли обратная связь связью по току или по напряжению.

Обратимся к структурной схеме усилителя с отрица­тельной последовательной обратной связью по напряже­нию и к полученному выражению



Если окажется, что на некоторой частоте аргумент φ комплексной величины К_и• β окажется равен π, то это будет означать, что напряжение обратной связи и_оспо фазе совпадает с напряжением и_ех1и напряжением и_ех2. В этом случае окажется, что обратная связь станет положитель­ной. Если к тому же окажется, что на рассматриваемой частоте выполняется условие | К_и• β|>1, то это будет оз­начать, что сигнал, проходящий последовательно через цепь прямой передачи и цепь обратной связи, усиливает­ся. При этом и в случае нулевого напряжения и_вх1напря­жения и_вх2, ,и_вых, ,и_осокажутся ненулевыми, т. е. усилитель по существу превратится в генератор. Это явление назы­вают самовозбуждением усилителя.

Для предотвращения самовозбуждения необходимо предпринимать меры (например, осуществлять частотную коррекцию операционного усилителя, играющего роль цепи прямой передачи), обеспечивающие выполнение одного из следующих, по сути равноценных, условий:
На практике обычно пользуются вторым условием.

Угол а, определяемый выражением α = π — φ, называ­ют запасом устойчивости по фазе.

Запас устойчивости по фазе должен быть не менее 30...60 или даже 65 градусов.

2.3.УСИЛИТЕЛИ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

2.3.1. Режимы работы транзистора в усилителе

Перед тем как подавать на вход усилителя на транзис­торе сигнал, подлежащий усилению, необходимо обеспе­чить начальный режим работы (статический режим, ре­жим по постоянному току, режим покоя). Начальный режим работы характеризуется постоянными токами элек­тродов транзистора и напряжениями между этими элект­родами. Используют термин «начальный режим работы транзистора» и фактически равноценный ему термин «на­чальный режим работы усилителя». Для определенности обратимся к схеме с общим эмиттером и соответствующим выходным характеристикам транзистора. Тогда начальныйрежим работы характеризуется положением так называе­мой начальной рабочей точки (НРТ) с координатами (U_кэн, I_кн), где U_K3Hи I_кн — начальное напряжение меж­ду коллектором и эмиттером и начальный ток коллекто­ра. Для стабильной работы усилителя стремятся не допус­кать изменения положения начальной рабочей точки.

Для характеристики проблемы обеспечения начально­го режима традиционно и вполне оправданно рассматри­вают следующие три схемы:

• 
  с фиксированным током базы;
  
• 
  с коллекторной стабилизацией;
  
• 
  с эмиттерной стабилизацией.
  

На практике первую из этих схем почти никогда не используют. Из остальных двух схем предпочтение часто отдают схеме с эмиттерной стабилизацией. Рассмотрим каждую из этих схем.

Схема с фиксированным током базы(рис. 2.14). На по­добных схемахисточник напряжения Е_к обычно не изоб­ражают.



В соответствии со вторым законом Кирхгофа

i_к•R_к⁺u_кэ — Е_к= 0.

Отсюда находим ток коллектора i_к:
что соответствует линейной зависимости вида у = а •х + b. Это уравнение описывает так называемую линию на­грузки (как и для схемы с диодом). Изобразим выходные характеристики транзистора и линию нагрузки (рис. 2.15).

В соответствии со вторым законом Кирхгофа

i_б•R_б⁺u_бэ — Е_к= 0.

Отсюда находим ток базы i₆:

i_б =- u_бэ /R_б + Е_к / R_б

Будем пренебрегать напряжением u_бэтак как обычно u_бэ << Е_к. Тогда i₆ =Е_к /R_б.

Таким образом, в рассматриваемой схеме ток i₆задает­ся величинами Е_ки R_б(ток "фиксирован"). При этом
Пусть ig= i₆₂. Тогда HPT займет то положение, которое указано на рис. 2.15. Легко заметить, что самое нижнее возможное положение начальной рабочей точки соответ-

ствует точке Y (режим отсечки, i₆= 0), а самое верхнее положение — точке Z (режим насыщения, i₆> i₆₄).

Схему с фиксированным током базы используют ред­ко по следующим причинам:

• 
  при воздействии дестабилизирующих факторов (например, температуры) изменяются величины β_ст и I`_ко ,что изменяет ток I_кн и положение начальной рабочей точки.
  
• 
  для каждого значения β_ст необходимо подбирать соответствующее значение R₆, что нежелательно при использовании как дискретных приборов (т. е. приборов, из­готовленных не по интегральной технологии), так и интегральных схем.
  

Схема с коллекторной стабилизацией(рис. 2.16). Эта схема обеспечивает лучшую стабильность начального ре-


Рис. 2.16

жима. В схеме имеет место отрицательная обратная связь по напряжению (выход схемы — коллектор транзистора соединен со входом схемы — базой транзистора с помо­щью сопротивления R₆.). Рассмотрим ее проявление на следующем примере. Пусть по каким-либо причинам (на­пример, из-за повышения температуры) ток i_Kначал уве­личиваться. Это приведет к увеличению напряжения и_Rк, уменьшению напряжения и_кэи уменьшению тока i₆

(i₆= и_кэ /R₆,), что будет препятствовать значительному увеличению тока i_K, т. е. будет осуществляться стабилизация тока коллектора.

Схема с эмиттерной стабилизацией(рис. 2.17). В зару­бежной литературе такую схему назьшают схемой с Н-сме-



Рис. 2.17

щением (конфигурация схемы соответствует букве Н). Основная идея, реализованная в схеме, состоит в том, что­бы зафиксировать ток i_э и через это ток i_к (i_к = i_э). С ука­занной целью в цепь эмиттера включают резистор R_э и создают на нем практически постоянное напряжение и_Rэ. При этом оказывается, что




Для создания требуемого напряжения и_Rэиспользуют делитель напряжения на резисторах R₁и R₂. Сопротивле­ния R₁ и R₂выбирают настолько малыми, что величина тока i_бпрактически не влияет на величину напряжения и_R2.. При этом



В соответствии со вторым законом Кирхгофа



При воздействии дестабилизирующих факторов вели -чина и_6эизменяется мало, поэтому мало изменяется и ве­личина и_Rэ. На практике обычно напряжение и_Rэсостав­ляет небольшую долю напряжения Е_к.

Различают следующие режимы работы транзистора (классы работы): А, АВ, В, С и D. Рассматриваемые RС-усилители обычно работают в режиме А. В режиме А ток коллектора всегда больше нуля (i_к> 0). При этом он увеличивается или уменьшается в зависимости от входно­го сигнала. В режиме В I_кн= 0, поэтому ток коллектора мо­жет только увеличиваться. При синусоидальном входном сигнале в цепи коллектора протекают положительные полуволны тока. Режим АВ является промежуточным между режимами А и В. В режиме С на вход транзистора подается начальное запирающее напряжение, поэтому в цепи коллектора в каждый период входного сигнала ток протекает в течение времени меньшего, чем половина периода. Режимом D называют ключевой режим работы (транзистор находится или в режиме насыщения, или в режиме отсечки).

2.3.2. Усилитель с эмиттерной стабилизацией

Рассмотрим RC-усилитель, в котором транзистор вклю­чен по схеме с общим эмиттером и используется эмиттер-ная стабилизация начального режима работы (рис. 2.18).

Конденсатор С₁ называемый разделительным, препят­ствует связи по постоянному току источника входного сигнала с усилителем, что может вызвать нарушение ре­жима работы транзистора по постоянному току. Конден­сатор С₂, также называемый разделительным, служит для
разделения выходной коллекторной цепи от внешней на­грузки по постоянному току. Конденсатор С_э обеспечивает увеличение коэффициента усиления усилителя по напря­жению, так как уменьшает амплитуду переменной состав­ляющей напряжения u_кэ (говорят, что конденсатор С_э ликвидирует отрицательную обратную связь на перемен­ном токе).

Легко заметить, что для рассматриваемой схемы линия нагрузки на постоянном токе (ЛН, при u_вх=0) описыва­ется следующим выражением, полученным при замене тока эмиттера током коллектора (так как i_э=i_к):




Пусть параметры элементов схемы таковы, что в на­чальном режиме работы i₆= i₆₂. Соответствующее положе­ние начальной рабочей точки указано на рис. 2.19. На ос­новании приведенного выше краткого анализа схемы с эмиттерной стабилизацией получаем


При расчетах часто принимают, что u_бЭ= 0,6...0,7 В (для кремниевых транзисторов). Пренебрегая током I`_ко, полу­чаем i_K= β_ст • i_бУчитывая, что i_э= i_K+ i₆, получаем

i_б =i_э /(1+β_ст ) . Отсюда следует, что в схеме с эмиттерной

стабилизацией ток базы непосредственно зависит от того, какое значение коэффициента β_ст будет иметь конкретный используемый транзистор. Если значение коэффициента β_ст окажется большим, то ток базы будет малым, и наобо­рот.

Предположим, что напряжение питания Е_кзадано и требуется обеспечить начальный режим работы при задан­ном начальном токе 1_КН.

Изложим порядок предварительного определения ве­личин R_э, R₁и R₂.

Напряжение и_RЭвыбирают из соотношения

и_RЭ= (0,1...0,3)•Е_к.

Затем, учитывая, что i_э i_K, определяют R_э:




Определяют максимальный ток базы i_бмакс, соответству­ющий минимальному значению β_мин, коэффициента β:


Выбирают ток i_дел делителя напряжения на резисторах R₁и R₂, протекающий при отключении базы транзистора от делителя. При этом пользуются соотношением i_дел=(8... 10) •i_бмакс.

Находят сумму сопротивлений R₁+R₂:

R₁+R₂ = Е_к /i_дел

Определяют напряжение и_R2= u_RЭ+ u_бЭ.

При этом считают, что u_бЭ= (0,6...0,7) В.

Определяют

и, используя вычисленное выше значение суммы (R₁+R₂), получают

R₁ =(R₁+R₂)-R₂.

Изложенный порядок расчета величин R_э, R₁и R₂, a также другие подобные методики расчета электронных схем до применения математического моделирования со­ставляли основу ручного проектирования устройств элек­троники. После подобных расчетов из конкретных элек­трорадиоэлементов изготавливали макет устройства и в результате его практического исследования уточняли зна­чения параметров элементов схемы (к примеру, определя­ли действительно необходимое значение R_э).

В настоящее время значение подобных расчетов состо­ит в том, что они:

• 
  во-первых, помогают уяснить взаимосвязь различ­ных параметров элементов электронной схемы,
  

т. е. позволяют более глубоко проникнуть в сущность явлений, имеющих место в этой схеме;

• 
  во-вторых, позволяют получить предварительные, ориентировочные значения параметров элементов, которые используются при математическом модели­ровании для определения окончательных значений.
  

Проведем анализ усилителя с эмиттерной стабилизаци­ей. Поскольку в данной схеме действуют одновременно постоянные и переменные напряжения, то осуществляют анализ схемы сначала по постоянному току, а затем по переменному. Но для этого вначале изображают эквива­лентную схему замещения усилителя, заменяя транзистор его эквивалентной схемой замещения. Для упрощения анализа часто в эквивалентной схеме замещения транзи­стора источником тока I`<sub>ко</sub>и резистором г'<sub>к</sub> пренебрегают, так как г'<sub>к</sub> велико (г'<sub>к</sub> -»∞), а I`_ко мало (I`_ко->0). Получают эквивалентную схему замещения усилителя (рис. 2.20).

Параметры элементов усилителя (в частности, емкос­ти конденсаторов С₁ ,С₂ и С_э) выбирают таким образом, чтобы в области средних частот переменные составляю-




щие напряжений на конденсаторах С₁ ,С₂ и С_э были пре­небрежимо малы.

Полезно отметить, что амплитуды указанных перемен­ных составляющих зависят не только от емкостей С₁ ,С₂ и С_э. В соответствии с изложенным в линейной эквива­лентной схеме для средних частот сопротивлениями ука­занных конденсаторов пренебрегают.

Транзистор для усилителя выбирают таким образом, чтобы в области средних частот ухудшение его усилитель­ных свойств при увеличении частоты было незначитель­ным. Если обратиться к комплексному коэффициенту b, то сказанное означает, что выбирают транзистор с такой предельной частотой f_nped, которая не меньше наибольшей частоты из области средних частот. Поэтому в линейной эквивалентной схеме усилителя для средних частот не ис­пользуют емкости транзистора, а коэффициент b считают вещественным и постоянным.

В соответствии с изложенным, а также с целью упро­щения расчетов, в эквивалентной схеме транзистора ос­тавлены только резисторы с сопротивлением r₆, r_эи ис­точник тока, управляемый током β• i₆.

Поскольку нас интересуют только переменные состав­ляющие токов и напряжений, то величиной Е_ки сопро­тивлением источника питания Е_кпренебрегают. Будем считать, что R_r=0 и влиянием резисторов R₁и R₂на ко­эффициент усиления переменного сигнала u_вх можно пре­небречь.

Рассмотрим линейную эквивалентную схему для сред­них частот, изображенную на рис. 2.21.

Ценность этой схемы не ограничивается тем, что она позволяет выполнить ручной расчет режима усиления. Еще более важно то, что эта схема помогает уяснить вли­яние параметров различных элементов усилителя на спо­собность усиливать входной сигнал. Из этой схемы хоро­шо видно, что для переменных составляющих токов и

напряжений резисторы R_Kи R_Hвключены параллельно. При ручных графических расчетах этот факт находит от­ражение в том, что на выходных характеристиках строят так называемую линию нагрузки на переменном токе ЛН, наклон которой определяется величиной


Выше указывалось, что наклон линии нагрузки на по­стоянном токе ЛН определяется величиной R_K+R_H. Именно по линии ЛН перемещается рабочая точка РТ (не НРТ!), характеризующая режим работы усилителя при наличии переменного входного сигнала и_ех. На рис. 2.22 указана амплитуда U_нтнапряжения на нагрузке и_н, равная амплитуде переменной составляющей напряжения и_кэ, и соответствующие предельные точки к и е на линии ЛН_. При этом предполагается, что ток базы изменяется в пре­делах от i₆₁до i_б3. Изобразим временные диаграммы, харак­теризующие работу усилителя (рис. 2.23).

Обратим внимание на тот факт, что выходной сигнал и_н сдвинут относительно входного и_ех на 180 градусов, т. е.

RС-усилитель инвертирует сигнал по фазе. Иногда этот факт подчеркивают тем, что считают коэффициент усиле­ния по напряжению отрицательной величиной.

Коэффициент усиления усилителя по напряжению К_и является одним из наиболее важных параметров усилите­ля. При условии, что R_Г=0, коэффициент К_и определяет­ся выражением

К_и =U_н.m/U_вх.m

где U_вх.m —амплитуда входного напряжения и_вх. Обратимся к линейной эквивалентной схеме для сред­них частот (рис. 2.21). Обозначим через I_бтамплитуду пе­ременной составляющей i_6- тока базы. Тогда амплитуда 1_эт переменной составляющей тока эмиттера i_э равна (1+β)1_б.эт, а величина U_вх.mопределяется выражением

U_вх.m= 1_б.т • r_б+(I+β) • i_6.т• r_э= I_6m• [r_б+(1+β) • r_э].

Величина U_нmопределяется выражением

U_нт=β•1_б.т•(R_к•R_н)/(R_к+R_н)

С учетом выражений для U_вх.mи U_нтполучим


Обозначим через r_д.оэвходное дифференциальное со­противление транзистора для схемы с общим эмиттером. Очевидно, что r_д.оэ = r_б+(I+β) •r_э

В соответствии с этим можно записать:

Важными параметрами усилителя являются его входное и выходное сопротивления. Из линейной эквивалентной схемы, соответствующей принятым допущениям, хорошо видно, что входное сопротивление усилителя фактически является входным дифференциальным сопротивлением транзистора для схемы с общим эмиттером (r_доэ). Очевид­но и то, что выходное сопротивление усилителя равно ве­личине R_K.

Коэффициент усиления по току К_i определяют выра­жением

где 1_вхт ,1_нт— соответственно амплитуды тока источника входного сигнала и тока нагрузки.

В соответствии с принятыми допущениями 1_вхт= I_бт. Легко заметить, что




С учетом этого получим



АЧХ и ФЧХ усилителя аналогичны типовым характе­ристикам, рассмотренным в предыдущем параграфе. Спад АЧХ в области низких частот обусловлен уменьшением коэффициента усиления усилителя за счет увеличения реактивного сопротивления емкостей С₁ ,С₂, С_э. Спад АЧХ в области высоких частот обусловлен ограниченными ча­стотными свойствами транзистора.

2.4. УСИЛИТЕЛИ НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

В качестве примера рассмотрим RС-усилитель на по­левом транзисторе с p-n-переходом, включенном с общим истоком (рис. 2.24). Используем транзистор с каналом n-типа.


Для используемого транзистора начальное напряжение и_из должно быть положительным (p-n-переход должен находиться под запирающим напряжением). С целью по­лучения этого напряжения в цепь истока включают рези­стор R_и, на котором возникает падение напряжения и_Rи от протекания по нему начального тока истока I_ин. Напря­жение и_Rи через резистор R₃ передается на затвор. Так как ток затвора полевого транзистора пренебрежимо мал, па­дение напряжения на сопротивлении R₃практически рав­но нулю, поэтому и_из ⁼ и_Rи .Рассмотренную схему обес­печения начального режима работы называют схемой с автоматическим смещением.

Пусть задан начальный ток стока ( I_cн = I_ин) и началь­ное напряжение U_изнмежду истоком и затвором. Тогда со­противление R_и следует выбрать из соотношения





Сопротивление R₃обычно выбирают порядка 1 МОм.

Полезно отметить, что рассматриваемая схема обеспе­чения начального режима работы характеризуется повы­шенной стабильностью. Если по каким-либо причинам начальный ток стока I_сн начнет увеличиваться, то это при­ведет к увеличению напряжений U_Rи и U_из, что будет пре­пятствовать значительному увеличению тока I_сн.

Модуль коэффициента усиления каскада в области средних частот определяется равенством

где S — статическая крутизна характеристики полевого транзистора, определяемая по справочникам. Назначение конденсаторов С₁ ,С₂ и С₄ аналогично на­значению соответствующих конденсаторов RC— усили­теля на биполярном транзисторе.

Частотные характеристики рассматриваемого усилите­ля подобны частотным характеристикам RC — усилителя на биполярном транзисторе.