Политех в Сети

Сайт для Учебы

5.4. АНАЛИЗ РАБОТЫ УСИЛИТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ

Рейтинг пользователей: / 4
ХудшийЛучший 

Получив эквивалентную схему активного элемента, можно перейти к анализу работы усилителей напряжения, построенных на основе биполярных или полевых транзисторов. Целью анализа работы усилителя напряжения является выяснение характера поведения его амплитудно-частотной характеристики в широком диапазоне частот.

Будем рассматривать резистивно-емкостные усилители на биполярном и полевом транзисторах, принципиальные электрические схемы которых представлены на рис. 5.12. На схемах показан один каскад усиления и входная часть следующего аналогичного каскада усиления.

описание: 4

Рис. 5.12. Принципиальные электрические схемы усилителей на биполярном и полевом транзисторах

Эти усилители наряду с активным элементом - транзистором содержат также и пассивные элементы – резисторы и конденсаторы. Одним из методов анализа усилителей является метод эквивалентных схем. Для получения полной эквивалентной схемы усилителя необходимо к эквивалентной схеме активного элемента добавить пассивные элементы усилителя - резисторы и конденсаторы. Пассивные элементы - каскадов выполняют разные функции. На одних пассивных элементах создается падение только постоянного напряжения, и они определяют режим схемы по постоянному току, на других – падение только переменного напряжения, и они определяют режим схемы по переменному току. Есть пассивные элементы, на которых создается падение и постоянного, и переменного напряжений. Такие элементы определяют режим работы усилительного каскада и по постоянному и по переменному току. С точки зрения усиления переменного напряжения пассивные элементы усилительного каскада, определяющие его режим по постоянному току, являются вспомогательными. Они создают постоянные напряжения между электродами транзисторов и должны иметь параметры, которые оказывали бы минимальное влияние на основные характеристики каскада при усилении переменных напряжений. К таким элементам в усилителе на биполярном транзисторе относятся - цепочка температурной стабилизации и делитель, создающий смещение на базе биполярного транзистора -.

В каскаде на полевом транзисторе к таким элементам относятся - цепочка смещения. Остальные пассивные элементы этих схем определяют режимы по переменному току.

Так как - каскады предназначены для равномерного усиления сигналов в широком диапазоне частот, в качестве их нагрузок используются резисторы и . Чтобы с нагрузки первого каскада постоянное напряжение не передавалось на вход следующего каскада между коллектором первого каскада и базой второго, и между стоком первого каскада и затвором второго, включены разделительные конденсаторы .

Будем анализировать работу усилителей по переменной составляющей тока. При этом, поскольку конденсаторы и Достаточно велики, потенциалы эмиттера и стока по переменному току считаем равными нулю. Кроме того, считая источники питания в цепях коллектора и стока идеальными генераторами напряжения, потенциалы точек также будут равны нулю по переменному току. Кроме того, необходимо учитывать, что реальные схемы всегда имеют паразитные емкости, которые оказывают влияние на работу усилительного каскада. К паразитным емкостям относятся входные и выходные емкости транзисторов и емкость монтажа. Эти емкости необходимо включать в эквивалентные схемы усилительных каскадов.

Считаем, что работаем в режиме малых сигналов, то есть усилитель является линейным устройством. Для анализа заменим активный элемент эквивалентной схемой и присоединим к ней все остальные элементы. В результате приходим к некоторой условной обобщенной схеме усилителя, показанной на рис. 5.13, на которой активный элемент обозначен АЭ, сопротивление соответствует сопротивлениям нагрузки каскадов усиления и , конденсатор Соответствует разделительным конденсаторам усилителей, резистор Соответствует параллельному соединению по переменному току резисторов и делителя в цепи базы биполярного транзистора и резистору в цепи затвора полевого транзистора. На этой схеме показаны также и паразитные емкости – входная емкость транзисторов(емкость база-эмиттер для биполярного транзистора или емкость затвор-исток для полевого транзистора), выходная емкость транзисторов (емкость коллектор-общая шина или сток-общая шина) и емкость монтажа .

описание: 4

Рис. 5.13.Обобщенная схема усилительного каскада

Используя эквивалентную схему активного элемента и обобщенную схему усилителя для переменного тока, перейдем к обобщенной эквивалентной схеме каскада от точек, где приложено переменное напряжение до точек, где действует напряжение . В обобщенную эквивалентную схему кроме элементов, показанных на предыдущей схеме, включено также выходное сопротивление первого каскада и входное сопротивление второго каскада усилителя .

описание: 4

Рис. 5.14. Обобщенная эквивалентная схема каскада усилителя

Учитывая, что емкость разделительного конденсатора всегда значительно больше паразитных емкостей, эквивалентная схема может быть представлена в следующем виде:

описание: 4

Рис. 5.15. Упрощенная эквивалентная схема каскада Усилителя

На этой схеме , равно параллельному соединению резисторов и , равно параллельному соединению резисторов и .

Элементы схемы и зависят от частоты, значит, и коэффициент усиления будет зависеть от частоты. Но емкость включена параллельно нагрузке каскада, а емкость - последовательно с резистором . Емкость не влияет существенно на коэффициент усиления на низких частотах, когда ее сопротивление велико по сравнению с |. Напряжение с сопротивления нагрузки каскада, которое входит в , подается на вход делителя напряжения ,. Чем меньше сопротивление плеча , по сравнению с величиной сопротивления , тем больше напряжение на выходе. Это имеет место на высоких частотах. Значит, емкость не будет влиять существенно на величину коэффициента усиления на высоких частотах.

Элементы схемы усилителя выбирают так, чтобы в некоторой области частот между низкими и высокими частотами (область средних частот) сопротивление конденсатора было бы достаточно мало по сравнению с величиной резистора , а сопротивление емкости - достаточно велико по сравнению с . Чтобы создать такую область частот, выбирают достаточно большой, а уменьшают до минимально возможной величины. Поскольку коэффициент усиления в областях низких, средних и высоких частот зависит от разных элементов схемы, можно анализировать работу каскада отдельно для каждой из этих областей.

5.4.1. Область средних частот

Будем считать, что на вход каскада поступает напряжение от генератора гармонических сигналов. В области средних частот можно пренебречь влиянием обеих емкостей, входящих в эквивалентную схему усилителя на рис. 5.15. С учетом этого эквивалентная схема упростится и примет вид, показанный на рис. 5.16.

описание: 4

Рис. 5.16. Эквивалентная схема - каскада в области средних частот

На этой схеме Равно параллельному соединению резисторов И :

. (5.34)

Коэффициент усиления каскада в области средних частот равен:

. (5.35)

Поскольку схемы с общим эмиттером и общим истоком инвертируют фазу входного сигнала, напряжение на выходе усилителя будет со знаком минус.

Для каскада на биполярном транзисторе ток на выходе , а входной ток . С учетом этого коэффициент усиления транзисторного каскада в области средних частот будет равен:

. (5.36)

Если усиленное напряжение с выхода первого каскада усиления подается на вход такого же - каскада, то величина Будет определяться низким значением входного сопротивления следующего каскада. В этом случае и коэффициент усиления каскада на биполярном транзисторе в области средних частот будет равен

Для каскада на полевом транзисторе ток на выходе равен: . Поэтому коэффициент усиления в области средних частот будет равен:

(5.37)

Величина сопротивления определяется параллельным соединением четырех резисторов. Сопротивление стоковой нагрузки первого каскада усиления На эквивалентной схеме представлено резистором . Для усилителя на полевом транзисторе , , .

Поэтому для каскада на полевом транзисторе и коэффициент усиления в области средних частот равен:

. (5.38)

5.4.2. Область высоких частот

Выясним характер и поведение амплитудно-частотной характеристики каскада в области высоких частот. В области высоких частот также можно пренебречь влиянием емкости , так как на высоких частотах сопротивление ее мало и не влияет на величину коэффициента усиления. Пренебречь же влиянием емкости на высоких частотах нельзя. Поэтому эквивалентная схема в области высоких частот будет иметь следующий вид:

описание: 4

Рис. 5.17. Эквивалентная схема каскада в области высоких частот

Напряжение на выходе будет равно:

. (5.39)

Коэффициент усиления в области высоких частот равен:

(5.40)

Учитывая, что первый сомножитель этого выражения равен коэффициенту усиления в области средних частот, и обозначая , где - постоянная времени усилителя в области высоких частот, получим:

. (5.41)

Амплитудно-частотная характеристика каскада в области высоких частот описывается модулем коэффициента усиления:

. (5.42)

Фазовая характеристика каскада в области высоких частот:

(5.43)

Поведение АЧХ в области высоких частот определяется величиной постоянной времени нагрузочной цепи . Чем больше постоянная времени в области высоких частот, тем меньше коэффициент усиления в области высоких частот. Для каскада на биполярном транзисторе величину составляют сопротивление коллекторной нагрузки с параллельно включенным входным сопротивлением второго каскада и суммарная паразитная емкость. Поэтому эту постоянную времени называют постоянная времени нагрузочной цепи.

Для каскада на полевом транзисторе величину составляют сопротивление нагрузки в цепи стока первого каскада и суммарная паразитная емкость. Из эквивалентной схемы для области высоких частот видно, что параллельное соединение и представляет собой интегрирующую цепь, которая и определяет характер АЧХ в области высоких частот, показанной на рис. 5.18.

описание: 4

Рис. 5.18. Амплитудно-частотная характеристика - каскада в области высоких частот

5.4.3. Область низких частот

В области низких частот можно пренебречь влиянием емкости при этом эквивалентная схема принимает вид, показанный на рис. 5.19:

описание: 4

Рис. 5.19. Эквивалентная схема - каскада в области низких частот.

Напряжение на выходе этой схемы равно:

. (5.44)

Сокращая числитель и знаменатель на и вынося в знаменателе за скобки (), получаем:

=, (5.45)

Где - постоянная времени в области низких частот. Коэффициент усиления в области низких частот:

. (5.46)

Модуль коэффициента усиления описывает амплитудно-частотную характеристику резистивно-емкостного усилителя в области низких частот.

. (5.47)

Сдвиг по фазе выходного напряжения относительно входного напряжения дается фазовой характеристикой:

. (5.48)

описание: 4

Рис. 5.20. Амплитудно-частотная характеристика каскада в области низких частот

Из рис. 5.20 видно, что поведение АЧХ зависит от постоянной времени в области низких частот. Чем больше постоянная времени, тем больше коэффициент усиления на низких частотах. Постоянная времени включает в себя разделительный конденсатор и резисторы и . Эту постоянную времени называют постоянной времени переходной цепи.

Переходная цепь представляет собой дифференцирующую цепь, которая определяет поведение АЧХ в области низких частот.

Зная поведение АЧХ каскада в области средних, низких и высоких частот, можно построить его АЧХ в широком диапазоне частот. Амплитудно-частотная характеристика резистивно-емкостного усилителя в относительном масштабе будет иметь вид, показанный на рис. 5.21.

описание: 4

Рис. 5.21. Амплитудно-частотная характеристика - каскада

Ширина полосы пропускания каскада будет определяться значениями нижней и верхней граничных частот, на которых коэффициент усиления принимает значение 0,7 от максимального значения коэффициента усиления в области средних частот. Для границы полосы пропускания в области низких частот можно записать:

(5.49)

Из этого выражения нижняя граничная частота полосы пропускания равна:

(5.50)

Аналогично для границы полосы пропускания в области высоких частот:

. (5.51)

Из этого выражения верхняя граничная частота полосы пропускания усилителя равна:

. (5.52)

Таким образом, ширина полосы пропускания каскада определяется постоянными времени нагрузочной и переходной цепей этого каскада.