22 | 10 | 2017
Друзья
Главное меню
Смотри
Статистика
Пользователи : 1
Статьи : 2824
Просмотры материалов : 7798957

Посетители
Рейтинг@Mail.ru
Советую
Online
  • [Bot]
Сейчас на сайте:
  • 36 гостей
  • 1 робот
Новые пользователи:
  • Administrator
Всего пользователей: 1
RSS
Подписка на новости
основные показатели каскадов усиления PDF Печать E-mail
Автор: Administrator   
05.08.2011 19:35

Типові схеми та основні показники каскадів посилення

Параметри каскадів підсилення при різних схемах включення транзисторів.

Підсилювальні властивості біполярного транзистора обумовлені тим, що слабкий струм Iб, що протікає в проміжку база-емітер транзистора, управляє в багато разів більшим струмом Ік, що протікає в проміжку емітер-колектор, або близьким нього (за значенням) струмом в ланцюзі емітера Iе = Ік + Iб. Зазвичай джерело сигналу підлягає посиленню, підключається до вхідних електродів «база» і «емітер», навантаження Rн у вихідний ланцюга приєднують так, щоб через неї протікав струм Ік або Iе, що не перевищує допустимого струму Ік доп (рис 1a, б). Для нормальної роботи транзистора необхідно подати на його електроди початкова напруга постійного струму відповідної полярності. Щодо емітера вона повинна складати на базі близько 0,15-0,25 В (для германієвих транзисторів) і 0,6-0,7 В (для кремнієвих), а на колекторі - не перевищувати напруги Uке.доп. У зазначених умовах транзистор в загальному випадку має здатність посилювати напругу, струм і потужність. Граничні значення параметрів Uк.доп і Uке.доп, а також максимально допустимої розсіюється на колекторі потужності Рк.доп, зазвичай наводяться в довідниках.

У польового транзистора (ПТ) управління струмом витоку або рівним йому струмом стоку здійснюється напругою джерела сигналу, доданим до проміжку затвор-витік або затвор-стік. При включенні навантаження в ланцюг, по якій протікає струм витоку, у ПТ, як і у БТ, створюється можливість посилювати напругу, струм і потужність.

У каскаді посилення сигналів транзистор підключається до решти ланцюгах за допомогою трьох висновків. Один з них, як правило, загальний для вхідний і вихідний ланцюгів підсилювача. Дивлячись по тому, який висновок є загальним, розрізняють типові схеми включення транзистора в підсилювальний каскад. Застосовуються три схеми включення: із загальним емітером (ОЕ), із загальною базою (ПРО) і загальним колектором (ОК)-для БТ і аналогічно із загальним витоком (ОІ), загальним затвором (ОЗ) і загальним стоком-для ПТ Звичайно параметри БТ відповідно способам його включення прийнято позначати додатковим індексом «Е», «Б», «К». Оскільки найбільш поширена схема з ОЕ, то для спрощення в подальшому тексті в більшості випадків індекс «Е» опускається.

Підсилювальні властивості каскадів найчастіше характеризуються такими основними показниками: здатністю повертати фазу вихідного сигналу щодо вхідного на 180 ° (инвертирующий каскад) або залишати її незмінною (неінвертуючий каскад); значеннями коефіцієнта посилення по напрузі, по струму і по потужності; значеннями вхідного і вихідного опорів ; формою амплітудно-частотної і фазочастотной характеристик; рівнем нелінійних спотворень.

Визначимо ці характеристики і параметри підсилювального каскаду для малих сигналів при різних способах включення АЕ.

Найбільш поширена схема резисторного каскаду з ОЕ наведена на рис. 2. Вхідна напруга тут докладено до висновків бази і емітера, а вихідна напруга знімається з колектора і емітера; вхідним струмом являетс струм бази, а вихідним - струм колектора.

При подачі на базу npn транзистора змінного напруги Uс повне напруга на базі (при миттєвої позитивної полярності сигналу) Uc + Eбе збільшується. Це призводить до зростання колекторного струму і напруги на опорі навантаження Rн. Отже, напруга на колекторі, рівне E0-IкRн, зменшується. Це вказує на те, що фаза вихідного напруги Uвих протилежна фазі напруги Uс. Звідси випливає, що каскад з ОЕ і аналогічний йому каскад з ОІ є інвертується.

Коефіцієнт посилення по струму Кт каскаду з ОЕ в режимі короткого замикання вихідних затискачів, тобто при Rн = 0, Кт = Ік / Іб = h21, де h21-коефіцієнт передачі струму бази при Rн = 0; він приводиться в довідкових даних параметрів транзисторів і становить десятки, іноді сотні одиниць.

Якщо Rн не дорівнює нулю, то для будь-якого Rн коефіцієнт посилення по струму (динамічний)

де Rвих - вихідний опір транзистора при обриві вхідний ланцюга (режим холостого ходу на вході).

Найбільший коефіцієнт посилення по струму в каскаді з ОЕ Кт.д = h21 виходить в режимі короткого замикання вихідних затискачів; при Rн, що прагне до нескінченності (режим холостого ходу). Кт.д → 0.

При будь-якому опорі навантаження коефіцієнт підсилення по напрузі:

для БТ

де Rвх - вхідний опір транзистора при короткозамкненим виході, рівне 1 / 39 Iб або, з урахуванням того, що Iб = Ік / Kт, Kт/39 Ік, де Ік - в міліампер;

для ПТ (при виконанні умови Rвих>> Rн)

(1)

де S - крутизна характеристики ПТ

При Rн = 0 також і К = 0, а при Rн → ∞ теоретично (при зроблених допущеннях) На → ∞. Практично До можна отримати від декількох десятків до декількох сотень одиниць.

При оцінці підсилювальних властивостей каскаду в сталому режимі роботи становить інтерес визначення ставлення його вихідного напруги Uвих до напруги джерела зовнішнього сигналу Еи, що надходить на вхід каскаду, тобто так званий наскрізний коефіцієнт посилення Кскв. Цей показник найбільш повно характеризує підсилювальні властивості каскаду, тому що враховує ослаблення зовнішнього сигналу, що виникає при передачі його у вхідні ланцюг підсилювача через те, що внутрішній опір джерела сигналу Rи не дорівнює 0. За визначенням

(2)

де Uвх - напруга сигналу на вході підсилювального каскаду.

Ставлення Uвх / Еи, що показує ослаблення сигналу у вхідний ланцюга каскаду, визначається виразом:

де Rвх-вхідний опір підсилювального каскаду.

Для каскаду з БТ воно найчастіше дорівнює вхідному опору транзистора. У підсилювачах на ПТ вхідний опір каскаду з ОІ (зазвичай рівну опору резистора, що включається до вхідної ланцюг для забезпечення режиму роботи каскаду по постійному струму) значно перевищує Rи і, як наслідок, Uвх = Eі (або а = 1) і Кскв = К. Для підсилювачів на БТ Кскв завжди менше К.

Таким чином, каскад з ОЕ, володіючи здатністю посилювати напругу і струм, дозволяє отримати значний коефіцієнт підсилення по потужності:

Його значення досягає декількох тисяч і навіть десятків тисяч одиниць.

Вхідний опір Rвх БТ, як це було сказано при визначенні До каскаду з ОЕ, так само

де h11-вхідний опір транзистора при короткозамкненим виході. У малопотужних БТ вона становить кілька сотень ом, а у потужних-менш 10 Ом. Польові транзистори мають вхідний опір 10 6 -10 12 Ом.

Вихідний опір Rвих транзистора в каскаді з ОЕ можна визначити наближено за формулою Rвиx = U вих / Ік = 1/h22, де h22 - вихідна провідність при розімкнутому вході, значення якої наводиться в довідниках параметрів транзисторів.

У малопотужних БТ вихідний опір становить кілька десятків кіло. Вихідний опір ПТ в режимі насичення або (що те саме) його внутрішній опір змінному струму Ri одно кільком сотням кіло. Так як воно зазвичай значно перевищує опір навантаження, то для визначення коефіцієнта посилення по напрузі необхідно знати лише крутизну характеристики, яка і наводиться в довідниках.

Вихідний опір АЕ не слід плутати з вихідним опором підсилювального каскаду. Останнє дорівнює опору R'вих паралельно з'єднаних Rвих і Rн. У багатокаскадних підсилювачах це опір служить опором джерела сигналу Rи для подальшого каскаду.

Амплітудно-частотна характеристика дозволяє визначити смугу пропускання підсилювача. Обмеження смуги пропускання підсилювача з боку високих частот f'в обумовлено в основному двома причинами: инерционностью фізичних процесів, що відбуваються в транзисторі, і шунтувальним дією прохідних (між висновками транзистора) ємностей, зокрема, колекторного переходу Ск в БТ і ємності СЗС в ПТ

У каскадах на БТ коефіцієнт Кт і, отже, h21 з підвищенням частоти зменшуються і стають рівними одиниці на частоті fт, що характеризує граничну частоту посилення струму. Іншим параметром, що обмежує верхня межа смуги пропускання, є параметр fh21. Це-верхня гранична частота, на якій значення h21 в 1,41 разів менше (або становить 0,707) свого номінального значення, взятого у районі нульової частоти. Ці параметри зв'язані між собою таким співвідношенням: fh21 = fт/h21. Іноді в довідкових таблицях замість fт або fh21 наводиться мінімальне значення h'21 на частоті f ', багато більшою fh21. Тоді fт визначається за формулою: fт = h'21 f '. Для ПТ fт можна визначити за наступною формулою: fт = S/2πСзс.

Слід відмітати, що значення fт, fh21, h'21 визначаються при Rн = 0. Якщо Rн не дорівнює 0, то на f'в позначається вплив ємності колекторного переходу Ск. Хоча ємність Ск зазвичай у багато разів менше ємності база - емітер СБЕ, але при Rн> 0 завдяки дії виникає ООС по напрузі між колектором і базою частина вхідний ємності каскаду, що вноситься транзистором, зростає зі значення (СБЕ + Ск) (при Rн = 0 ) до значення Свх.ос = СБЕ + (1 + К) СК, тобто приблизно в КСК / Cбе раз.

Таким чином, при виборі транзистора з fт, більше заданої f'в, обмеження останньої, наприклад в резисторних підсилювачах звукових і відеочастот, може настати через велику ємності Свх.ос, включеної паралельно вхідному опору каскаду, як це зазвичай представляється еквівалентною схемою транзистора в області високих частот. Те ж обмеження практично спостерігається і в каскадах посилення з ОІ на ПТ Для них (за аналогією з Вт) Cвх.oc = Cзі + (1 + К) СЗС і зростає в КСзс / ЗЗІ раз. У довідниках наведені значення вхідний ємності С11і = ЗЗІ + СЗС, яка вимірюється між затвором і витоком при короткому замиканні по змінному струму на виході в схемі з ОІ.

У каскаді з ПРО напруга докладено до емітера і бази, а вихідна напруга знімається з колектора і бази (рис. 3). Каскад є неінвертуючий.

Роботу каскаду з ПРО як підсилювача легше зрозуміти, якщо представити його як каскад з ОЕ, охоплений 100%-ної паралельної ООС по току. Оскільки тут немає дільника струму, то весь вихідний струм Ік протікає і у вхідному ланцюзі, тобто коефіцієнт передачі струму по ланцюгу ОС βт = 1.

Таке уявлення дає можливість визначити параметри каскаду з ПРО через параметри каскаду з ОЕ з урахуванням дії ОС.

При будь-якому опорі навантаження коефіцієнт посилення по струму каскаду з ПРО

(3)

З (3) видно, що при Rн = 0 коефіцієнт Kт.д стає максимальним, але меншим одиниці, а при збільшенні Rн до нескінченно великого значення він спадає до нуля. Отже, такий каскад не дає посилення струму, а навпаки кілька послаблює його.

Коефіцієнт посилення по напрузі Кб каскаду з ПРО на одиницю більше, ніж у каскаду з ОЕ (при рівних параметрах транзистора і Rн):

Відповідно для каскаду з загальним затвором на ПТ коефіцієнт посилення напруги

Коефіцієнт посилення по потужності каскаду з ПРО

(4)

У схемі з ПРО коефіцієнт посилення потужності Крб більше, ніж у схемі з ОЕ.

Вхідний опір транзистора

досить мало внаслідок споживання великої струму від джерела сигналу, і практично не залежить від Rн. Воно істотно менше, ніж вхідний опір транзистора в каскаді з ОЕ: у малопотужних транзисторів Rвх.б становить кілька десятків Ом, а у потужних - менше 1 Ом.

При включенні ПТ по схемі з ОЗ вхідний сопротівленяе Rвх.з = 1 / S.

Вихідний опір каскаду з ПРО дещо більше, ніж у каскаду з ОЕ:

Вихідний опір каскаду з ОЕ

Значення верхньої межі смуги пропускання f'в каскаду з ПРО і каскаду з ОЗ найбільше порівняно з іншими схемами і наближається до fт. Зі збільшенням Rи (при Rвх = const) дію ООС посилюється, що сприяє розширенню смуги пропускання, верхню межу якої можна прийняти рівною fт.

У каскаді з ОК (рис. 4) вхідна напруга докладено до бази та коллектоpy, а вихідна знімається з емітера і колектора. Цей та аналогічний йому каскад із загальним стоком є ​​неінвертуючий. Його так само як і каскад з ПРО можна представити у вигляді підсилювального каскаду з ОЕ, охопленого 100%-ної послідовної ООС по напрузі. Коефіцієнт посилення по струму каскаду з ОК Кт.д к = 1 + Кт.д. Він завжди перевищує одиницю і максимальний при Rн = 0. Коефіцієнт посилення по напрузі

(5)

каскаду з загальним стоком

(6)

З формул (5) і (6) випливає, що такі каскади не здатні посилювати напругу.

Так як Кк = 1, а Кт.д до>> 1, то для БТ коефіцієнт посилення по потужності Крк каскаду з ОК може бути більше одиниці. Визначимо його як

Вхідний опір БТ в каскаді з ОК

(7)

Воно порівняно велика і помітно перевищує Rвх каскаду з ОЕ, за умови, що Rн не занадто мало.

Вхідний опір ПТ в каскаді із загальним стоком дуже велике, значно більше, ніж для каскаду з ОІ.

Вихідний опір каскаду з ОК

(8)

мало, якщо Rн не дуже велика, і за значенням близько до Rвх.б, особливо при Rи <<h11.

Вихідний опір Rих.с каскаду з загальним стоком визначається за наступною формулою: Rвих.c = 1 / S.

При Rи → 0 і Rн → ∞ ОС виходить більш глибокою. Тому смуга пропускання каскаду з ОК розширюється, але при цьому f'в дещо менше, ніж fт. Так як каскад з ОК - неінвертуючий, то частина його вхідний ємності Свх.ос, внесена транзистором, дорівнює Свх.ос = Ск + СБЕ (1-Кк).

Негативний знак перед Кк показує, що ОС через ємність СБЕ позитивна, а так як Кк = 1, то можна вважати, що вона зменшує Свх.ос до Ск.

Оскільки вихідна напруга, що знімається з емітера ВТ або витоку ПТ по рівню і фазі дуже близько до вхідного і як би повторює його, то такий каскад прийнято називати емітерний або істоковий повторювачем.

 
Для тебя
Читай