Основы электротехники. Учебник для высшего профессионального образования вт. Еременко, А. А. Рабочий, А. П. Фисун и др под общ ред вт. Еременко. Орел фгбоу впо Госуниверситет унпк, 2012. 529 с
 Скачать 7.28 Mb.
|
|
. Определение диапазона неискаженной работы (аи схема замещения каскада в параметрах (б) Система уравнений, соответствующая схеме замещения, имеет вид U вх = i вх ∙ б / (б+ h 11 ); U вых / к + U вых / н+ h 22 * U вых - h 21 * i вх =0; (14.11) Обычно б >> h 11 , н к тогда U вх ≈ i вх · h 11 ; h 22 · U вых + U вых / к ≈ h 21 · i вх ; откуда получим U вых = U вх · h 21 / h 11 * 1 / (h 22 + 1/ к (14.12) Определяем коэффициент усиления по напряжению, учитывая, что кВ этом случае К = U вых / U вх = h 21 / h 11 * к / (1 + к h 22 ) ≈ к *h 21 / h 11 ; (14.13) R вх = б / (б+ h 11 ) ≈ h 11 ; (14.14) R вых = к 1/ h 22 = к / h 22 (к + 1/ h 22 ) = к /( 1 + к к ; (14.15) R вх ≈ ( сотни Ом – несколько кОм ); R вых обычно больше R вх Низкое входное сопротивление создает трудности в работе источника сигнала, если его внутреннее сопротивление велико. В этом случае образуется делитель напряжения входного сигнала и лишь его малая доля попадает во входную цепь транзистора (см. рис. 14.10): U вх = Е вх ∙ R вх / (R ви + R вх ) << Е вх При высоком выходном сопротивлении каскада требуется, чтобы сопротивление нагрузки R н было еще больше, иначе существенно уменьшается коэффициент усиления по напряжению. Если н << кто Кн к ) << h 21 / h 11 * R к Температурная стабилизация каскада ОЭ С ростом температуры в полупроводнике увеличивается число неосновных носителей заряда ив транзисторе увеличивается коллекторный ток к. С увеличением к напряжение к = к - к к уменьшается (рис. 14.13). Со смещением точки покоя увеличивается вероятность искажений. Рис. 14.13. Смещение точки покоя с ростом температуры Для уменьшения влияния температуры на характеристики каскада используют схемы температурной стабилизации. Пример схемы ОЭ с температурной компенсацией показан на рис. 14.14. Рис. 14.14. Схема каскада ОЭ с эмиттерной термостабилизацией В цепь эмиттера транзистора VT (см. рис. 14.14) включены резистор э и конденсатор С э Резистор э создает зависимость управляющего напряжения оттока э, однако при этом часть выходного сигнала теряется из-за отрицательной обратной связи потоку эмиттера. Включение С э препятствует снижению коэффициента усиления. Принцип температурной компенсации состоит в следующем. В режиме покоя U бэ = E к R / б /(R / б +R // б ) – R э I э . Температурное увеличение тока э вызывает уменьшение управляющего транзистором напряжения U бэ , препятствующее этому увеличению. Исходное состояние транзистора сохраняется, однако часть коллекторного (выходного) напряжения теряется в виде падения напряжения на резисторе э, что снижает коэффициент усиления схемы. При наличии входного сигнала U бэ = U вх - э э, где э – эквивалентное сопротивление вцепи эмиттера. Если конденсатор С э отсутствует, то э = э и коэффициент усиления для переменной составляющей выходного напряжения будет снижен. Если параллельно резистору э подключить конденсатор С э , имеющий сопротивление Х с =1 / ωС э << это э э и снижение коэффициента усиления для переменной составляющей выходного напряжения будет небольшим. Второй способ температурной стабилизации каскада ОЭпоказан на рис. 14.15. Рис. 14.15. Каскад ОЭ с коллекторной термостабилизацией В этой схеме ток базы определяется напряжением кв отличие от первой схемы, где б определяется Е к ). Если в результате роста температуры увеличивается кто к падает, уменьшается и ток базы, возвращая ток коллектора к исходному состоянию. Чтобы переменная составляющая к не попадала в базу, установлен конденсатор С ф , причем емкость С ф должна быть выбрана из условия ), 20 б б ф к где к – низшая частота усиления. Схема (см. рис. 14.15) обладает меньшей стабильностью, чем предыдущая, однако в ней отсутствует снижение U вых за счет потери в R э , что было в схеме с эмиттерной стабилизацией. Ёмкость конденсатора С ф в этой схеме оказывается значительно меньшей, чем в схеме рис. 14.14. Усилительный каскад с общим коллектором (эмиттерныйпо- вторитель, схема ОК). В этом усилительном каскаде основной резистор, с которого снимается U вых , включен в эмиттерную цепь, а коллектор соединен с общей точкой попеременной составляющей сигнала, так как внутреннее сопротивление источника Е к близко к нулю. В режиме покоя резистор б создает начальный ток смещения вцепи базы. Его значение выбирают так, чтобы рабочая точка в режиме покоя на входной характеристике находилась примерно в середине ее линейного участка (рис. 14.16). Рис. 14.16. Схема каскада с общим коллектором Для определения основных характеристик усилительного каскада с ОК рассмотрим его схему замещения в параметрах (рис. 14.17). Рис. 14.17. Схема замещения эмиттерного повторителя в параметрах Система уравнений, описывающих схему, имеет вид вых 11 вх вх вых э вых вх U h i U ; h U R / U i h 0 22 21 . Решая систему относительно вых U , получим явную связь между вых U и вх U . определяем коэффициент усиления по напряжению К = U вых / U вх К = 1/{1 + h 11 ( 1+ э /[ (1+ h 21 ) · э. (14.16) По выражению (14.16) видно, что К < 1. Учитывая, что обычно э = (10 2 – 10 4 ) Ома э, выражение) можно преобразовать к виду КэВ схеме эмиттерного повторителя фазы входного и выходного сигналов совпадают, а входное и выходное напряжения близки по значению, поэтому схема и получила своё название. Определяем входное сопротивление схемы R вх = U вх / i вх = U вх / (U вх - U вых )* h 11 = h 11 / (1- К ). (14.18) Анализ выражения (14.18) показывает, что R вх >> h 11 и может достигать несколько сотен кОм. Большое входное сопротивление – достоинство эмиттерного повторителя. Для определения выходного сопротивления используем схему замещения каскада ОК в виде, представленном на рис. 14.18. Рис. 14.18. Вариант схемы замещения эмиттерного повторителя Выходное сопротивление, согласно [26], определяется как отношение напряжения холостого хода схемы (при отключенном сопротивлении нагрузки) к току короткого замыкания на выходе R вых = U хх / i кз Уравнения, описывающие схему рис. 14.18 в режимах холостого хода (х.х.) и короткого замыкания (к.з.) на выходе, имеют вид в режиме к.з. i кз = i вх + h 21 · i вх = i вх (1+ h 21 ), или i кз = U вх / h 11 *(1+ h 21 ); в режиме х.х. U хх = U вх - i вх · Тогда R вых = h 11 *(1- h 11 /R вх ) /(1+ h 21 ) (14.19) Учитывая, что R вх >> h 11 , получим R вых ≈ h 11 /(1+ h 21 ). Выходное сопротивление эмиттерного повторителя имеет величину порядка десятков Ом, что также является достоинством каскада. Таким образом, эмиттерный повторитель обладает высоким входными малым выходным сопротивлениями. Следовательно, его коэффициент усиления потоку может быть высоким. Эмиттерный повторитель обычно используют для согласования высокоомного источника усиливаемого сигнала с низкоомным нагрузочным устройством. Температурная стабильность каскада обеспечивается основным резистором э, включенным в эмиттерную цепь, подобно тому, как это было выполнено в схеме каскада с ОЭ (по принципу эмиттерной стабилизации. Усилительный каскад с общей базой (схема ОБ) В схеме с ОБ (рис. 14.19) для создания режима покоя, при котором работа обеспечивается на линейном участке характеристики, используются резисторы б и б Рис. 14.19. Схема усилительного каскада с общей базой Конденсатор С б имеет на усиливаемой частоте сопротивление 1/ωС б << б, поэтому падение переменной составляющей на этой параллельной цепочке мало и можно считать, что база соединена с общей точкой схемы. Усиливаемый сигнал (входное напряжение U вх ) подается между базой и эмиттером. Через конденсатор связи С с с коллектора снимается переменное выходное напряжение U вых Каскад с общей базой имеет коэффициент усиления по напряжению примерно такой же, как в схеме с ОЭ. Однако коэффициент усиления потоку гораздо ниже, т.к. входной ток – эмиттерный, а выходной коллекторный. Коэффициент усиления по мощности меньше, чем в схемах ОЭ и ОК. Каскад ОБ имеет малое входное сопротивление и высокое выходное сопротивление. По указанным причинам этот каскад используется редко. 14.4. Усилительные каскады на полевых транзисторах Каскад с общим истоком (ОИ). В схеме каскада с ОИ рис. 14.20) звено и , Си обеспечиваетотрицательное смещение на затворе З относительно истока И. Резистор з соединяет затвор с общей шиной и предназначен для стабилизации входного сопротивления каскада, причем з = 1 Мом и на 1 – 2 порядка меньше входного сопротивления транзистора. Резистор с служит для ограничения тока и на нем выделяется усиленное переменное напряжение. Рис. 14.20. Схема усилительного каскада с ОИ на полевом транзисторе Схема замещения усилительного каскада с ОИ для переменного тока имеет вид, представленный на рис. 14.21. Рис. 14.21. Схема замещения каскада с ОИ для переменного тока Пунктирным контуром охвачена схема замещения полевого тран- зистора. В схеме замещения каскада (см. рис. 14.21) и и Си, показанные в схеме на рис. 14.20, отсутствуют, так как предполагается, что емкость Си достаточно велика и шунтирует цепь и попеременному току. Основные параметры каскада входное сопротивление R вх ≈ з ; коэффициент усиления по напряжению К U вых / U вх = [SU вх и с си /U вх = S и с си) Если учесть, что сито К ≈ S с (14.21) Выходное сопротивление каскада R вых = си с) В выражениях (14.20 – 14.22) обозначено S – крутизна характеристики транзистора и – внутреннее сопротивление транзистора между стоком и истоком С зс , С зи – конденсаторы, учитывающие наличие ёмкости между затвором истоком и между затвором и истоком. Часто используют упрощенные эквивалентные схемы каскадов. Например, в приближённых расчетах применяют упрощенные эквивалентные схемы для сигналов средних и высоких частот (рис. 14.22). Рис. 14.22. Упрощённые схемы замещения каскада с ОИ для сигналов средних (аи высоких (б) частот Параметры схем замещения определяются следующими соотношениями в схеме 14.22 (а S = g 21 ; сиси в схеме (б С вх зкв = С зи + С зс (К С вых = С зс ; К = U вых / U вх Анализ работы усилительного каскада на полевом транзисторе с общим истоком удобно провести графоаналитическим способом с помощью стоковых характеристик I c = f (U c ). Уравнение для цепи стока и истока в режиме покоя (рис. 14.20) имеет вид Е с = U c + R c I c , откуда I c = (E c – U c ) / R c . (14.23) Аналогично методике, изложенной выше (рис. 14.11), в области выходных характеристик (рис. 14.23) в первом квадранте координатной плоскости проводим линию нагрузки. Стоко-затворную характеристику размещаем во втором квадранте в соответствии с положением точек пересечения нагрузочной линии с выходными характеристиками. Выбираем исходное положение характеристической (рабочей) точки (П, П на рис. 14.23). Построение графиков сигналов следует начинать с построения графика изменения во времени входного сигнала U вх (t). Анализ графиков изменения входного U вх (t) и выходного U вых (t) напряжений показывает, что направления их изменений противоположны (противофазны). Вследствие большого разброса параметров и влияния температуры для полевых транзисторов, как и для биполярных, необходима стабилизация положения рабочей точки на характеристиках транзистора (точки П, П' на рис. 14.23). Рис. 14.23. Иллюстрация к графоаналитическому анализу работы усилительного каскада с общим истоком Температурная стабилизация достигается включением в цепь истока резистора и. Для компенсации излишнего смещения на входе включают высокоомный резисторный делитель. Истоковый повторитель (схема усилительного каскада с общим стоком. В схемах повторителей (рис. 14.24) каскада) выполнен на транзисторе с управляющим р – переходом (с каналом типа. Структурное построение и принцип действия каскада аналогичны эмиттерному повторителю. Каскад (б) выполнен на МДП-транзисторе с индуцированным каналом типа. Резисторный делитель напряжения R 1 , R 2 обеспечивает смещение на затворе. Рис. 14.24. Схемы истоковых повторителей на полевых транзисторах Методика расчёта параметров истокового повторителя аналогична методике расчёта параметров эмиттерного повторителя в соответствии с эквивалентной схемой, показанной на рис. 14.25. Рис. Эквивалентная схема истокового повторителя Эквивалентная схема (рис. 14.25) показана для средних частот, как наиболее простая. Аналитические выражения для определения параметров приведены ниже, где знак // обозначает параллельное соединение сопротивлений U вых = SU зи · и , где и = ( сии и ); S – крутизна характеристики U вх = U зи (1 + и ); К = U вых / U вх = и / (1 + и (14.24) R вх = R 1 // R 2 ; R вых ≈ 1 / S; K i = Кн. Режимы работы усилительных каскадов Различают три основных режима работы усилительных каскадов (три класса усиления А, В, С [27]. Основные параметры этих режимов – нелинейные искажения и коэффициент полезного действия (кпд. Параметры класса усиления зависят от исходного состояния усилительного каскада, отражаемого положением рабочей точки на выходных характеристиках, и от уровня входного усиливаемого сигнала. Режим А характеризуется тем, что рабочую точку в режиме покоя выбирают на линейном участке (чаще всего посередине) выходной и переходной (сквозной) характеристик транзистора. Сквозная характеристика для биполярного транзистора – это зависимость выходного коллекторного) тока от входного тока (тока базы. Для полевого транзистора сквозная характеристика – это, например, зависимость тока стока от управляющего напряжения между затвором и истоком. Уровень (амплитуда) входного сигнала в режиме А должен быть таким, чтобы работа усилительного каскада происходила на линейном участке характеристики. В этом случае искажение формы выходного сигнала по сравнению с формой входного будут минимальными. Однако этот режим имеет низкий кпд, который вычисляется как отношение выходной (полезной) мощности Р вых к мощности источника питания Р η = (Р вых / P 0 )* 100 %. (14.25) Соотношение между мощностями удобно выявить, используя графическое представление процесса усиления входного сигнала в усилительном каскаде (см. рис. 14.11). Соответствующие построения показаны на рис. 14.26 и 14.27. Рис. Выбор положения рабочей точки на характеристиках каскада ОЭ в классе усиления А В этом режиме η = км км / U 0 I 0 . Так как км < и км < U 0 , то η < 0,5. Постоянные составляющие напряжения U 0 и тока определяют исходное положение рабочей точки П (см. рис. 14.26). Потребляемая мощность равна произведению постоянных составляющих коллекторных напряжений и токов P 0 = U 0 *I 0 . Для синусоидальных величин выходная мощность Р вых = 0,5 км км , где км, км – амплитуды коллекторных напряжений и токов, следовательно, (см. рис. 14.26), кпд каскада в режиме А, согласно (14.25), не может быть больше 50 %. Режим В характеризуется тем, что рабочую точку П выбирают вначале переходной характеристики (в точке отсечки) (см. риса) В этом режиме переменные составляющие тока и напряжения транзистора возникают лишь в положительные полупериоды входного напряжения. При синусоидальном входном сигнале будем иметь на выходе полупериод синусоиды, те. большие искажения. Режим В будет иметь более высокий кпд по сравнению с режимом Атак как ток покоя I 0 мал, несмотря на то, что U 0 больше (η ≈ 80 %). Иногда используют режим АВ, при котором рабочая точка занимает промежуточное положение В режиме С рабочую точку выбирают заточкой отсечки (рис. 14.27, б) и ток в транзисторе возникает только в течение некоторой части полупериода входного напряжения. Искажения будут большими, а кпд близок к 100 %. Рис. 14.27 |