Студопедия

КАТЕГОРИИ:

АстрономияБиологияГеографияДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника


Усилительный каскад с ОЭ




Электрическая схема резистивного усилителя приведена на рисунке 4.21[3]. На входе каскада действуют уси­ливаемые переменные ток iвх и напряжение uвх, поступающие от источника сигнала, а на выходе – усиленные переменные ток iн и напряжение uвых (здесь и далее аргумент t у функций токов и напряжений для упрощения опущен).

 

 

Рисунок 4.21 – Схема усилительного каскада с ОЭ

В этой схеме усилительного каскада конденсаторы С1 и С2 – разделительные. Конденсатор С1 препятствует протеканию постоянного тока от ис­точника питания Ек в цепь источника входного сигнала, что не позволяет шунтировать входную цепь усилительного каскада цепью источника сигнала по постоянному току. Конденсатор С2 обеспечивает выделение из коллекторного тока переменной составляющей, поступающей на резистор нагрузки Rн (в качестве сопротивления нагрузки, как правило, выступает входное сопротивление следующего каскада) и не пропускает постоянную составляющую тока источника питания Ек на базу транзистора следующего каскада. Резисторы базового делителя напряжения R1, R2 задают режим покоя транзистора, при котором в нем протекают только постоянные токи покоя базы Iбп, коллектора Iкп и эмиттера Iэп, а на его базе, коллекторе и эмиттере соответственно действуют постоян­ные напряжения (потенциалы) покоя Uбп, и Uэп.

Резистор Rэ составляет цепь последовательной отрицательной обрат­ной связи (ООС) по току, предназначенной для стабилизации режима покоя транзи­стора при изменении его температуры (для термостабилизации).

Действие обратной связи объясняется следующим образом. При увеличении, например, из-за роста температуры тока коллектора покоя Iкп возрас­тают ток эмиттера покоя Iэп и падение напряжения на резисторе Rэ, посколь­ку Uэп = IэпRэ. Так как напряжение между базой и общей точкой (потенциал базы) Uбп фиксировано базовым делителем R1, R2, и Uбп = Uбэп + Uэп, то с увеличением напряжения Uэп уменьшается напряжение Uбэп. Это приводит к призакрыванию транзистора и сниже­нию тока коллектора покоя Iкп. Тем самым производится компенсация пер­воначального увеличения тока коллектора покоя.

Включение резистора Rэ, в цепь эмиттера изменяет работу каскада и при усилении переменного сигнала. Переменный ток эмиттера создает на рези­сторе Rэ падение напряжения uэ = iэRэ, которое уменьшает усиливаемое на­пряжение, подводимое к базе транзистора, ведь uбэ = uвх – uэ. При этом сни­жается и коэффициент усиления каскада, поскольку действует ООС по переменному току. Для ее исключения резистор Rэ шунтируют конденсатором Сэ достаточно большой емкости. Поскольку сопротивление конденсатора мало, то переменный ток протекает по нему и не создает падения напряжения на резисторе Rэ.

Резистор Rк является нагрузкой транзистора (нагрузка каскада в режиме холостого хода, когда Rн→∞) и обеспечивает необходимый ток коллектора.

Конденсатор большой ёмкости Сбл шунтирует источник питания Ек по переменному току, исключая падение полезного переменного напряжения на внутреннем сопротивлении источника питания.

Принцип действия усилительного каскада с ОЭ состоит в следующем. При включении источника питания Ек и отсутствии переменного напряжения сигнала на входе каскада в выходной коллекторной цепи его протекает только постоянный коллекторный ток Iкп≈Iэп по цепи: +Ек, резистор Rк, коллектор-эмиттер транзистора, резистор Rэ,– Ек. Этот ток называется током покоя. Во входной цепи протекает ток делителя Iд и ток базы покоя Iбп. Ток делителя протекает по цепи: +Ек, R1, R2, -Ек, а ток Iбп – по цепи: +Ек, R1, база-эмиттер транзистора, Rэ, -Ек.

При подаче на вход каскада переменного напряжения сигнала в цепи базы появляется переменная составляющая тока базы транзистора, вызывающая появление в цепи коллектора переменной составляющей коллекторного тока iк.

Переменная составляющая входного тока протекает от верхнего зажима источник входного сигнала через С1 и далее разветвляется на три составляющие: одна протекает через резистор R2 к нижнему зажиму источника входного сигнала, вторая – через резистор R1, Cбл к нижнему зажиму источника входного сигнала, третья – через участок база-эмиттер, Сэ также к нижнему зажиму источника входного сигнала. Таким образом, по переменному току резисторы R1 и R2 включены параллельно.

Источником переменного тока в выходной цепи является транзистор. Переменный коллекторный ток транзистора разветвляется на две цепи: одна – резистор Rк, Сбл, общий провод (общая точка), Сэ, эмиттер транзистора, а другая – конденсатор С2, Rн, общий провод, Сэ, эмиттер транзистора. Таким образом, резисторы Rк и Rн по переменному току включены параллельно.

Протекая через резистор Rн, переменная составляющая коллекторного тока iк создает на нем переменное (выходное) напряжение.

Выходное напряжение оказывается больше входного, т.е. каскад усиливает входной переменный сигнал.

Процесс усиления напряжения основан на преобразовании энергии источника постоянного напряжения Ек в энергию переменного напряжения в выходной цепи в результате изменения сопротивления усилительного элемента по закону изменения входного сигнала. Изменение напряжения на входе вызывает изменение постоянного тока в выходной цепи, а следовательно, и изменение падения напряжения на резисторе нагрузки. Это изменяющееся напряжение (или ток) в выходной цепи и есть переменная составляющая выходного напряжения (или тока) выходной цепи. Она является составной частью напряжения (или тока) источника питания.

Работу усилительного каскада можно изобразить графически, как показано на рисунке 4.22[3]. Удобство графического метода заключается в наглядности, простоте нахождения связи параметров в режиме покоя каскада (Uкэп, Iкп) с амплитудными значениями его переменных составляющих (Umвых, Imвых).

Физические процессы, протекающие во входной цепи транзистора, графически представлены на рисунке 4.22,б. Здесь приведена входная характеристика Iб=f(Uбэ). Как видно на рисунке, она линейна. Чтобы не было линейных искажений входного сигнала, исходную рабочую точку (точку покоя) нужно выбирать на линейном участке характеристики (точка П на рисунке 4.22,б).

Для установления рабочей точки в выбранном участке характеристики необходимо на базу транзистора подать некоторое постоянное напряжение смещения Uбэп.

Появление на входе транзистора переменного напряжения сигнала Uвх вызывает изменение тока базы, т.е. появление переменной составляющей тока базы за счёт перемещения рабочей точки на входной характеристике.

Рисунок 4.22 – Графический анализ работы каскада ОЭ с помощью характеристик транзистора: а – выходных; б – входной

 

Физические процессы, протекающие в выходной цепи каскада, представлены графиками, приведенными на рисунке 4.22,а. При действии во входной цепи только напряжения смещения в выходной цепи протекает только постоянный ток коллектора Iкп.

С появлением в цепи базы переменного тока в цепи коллектора возникает переменная составляющая коллекторного тока, создающая на резисторе нагрузки Rн переменное падение напряжения Uвых.

Например, если Uвх возрастает, то возрастает напряжение Uбэ, а значит и прямое напряжение на эмиттерном переходе транзистора (транзистор n-p-n-типа). Тогда усиливается инжекция электронов из эмиттера в базу и их экстракция из базы в коллектор. Увеличивается ток базы. Коллекторный переход, смещенный в обратном направлении (активный режим работы транзистора), обогащается носителями заряда и его сопротивление уменьшается. Значит увеличивается коллекторный ток транзистора Iк (получает положительное приращение Δiк, т.е. Iк=Iкп+Δiк), создающий большее падение напряжения на параллельно включенных резисторах Rк и Rн (Rкн). При этом потенциал коллектора Uк, а значит и напряжение Uкэ уменьшается, т. е.

Uк= Ек – IкпRк – ΔiкRкн = Uкп – ΔiкRкн . (4.31)

Выражение (4.31) показывает, что через резистор Rк протекают и постоянная и переменная составляющие коллекторного тока, а через резистор Rн – только переменная составляющая.

При максимальном приращении коллекторного тока, равном его амплитуде Iкm ,потенциал коллектора

Uк=Uкп-IкmRкн=Uкп-Uвыхm . (4. 32)

Знак «-» в выражении (4.32 ) означает, что входное и выходное напряжения являются противофазными (сдвинуты по фазе на 1800).

Понятно, что в режиме холостого хода, когда сопротивление нагрузки каскада определяется лишь сопротивлением Rк>Rкн (при параллельном соединении резисторов Rк и Rн общее сопротивление Rкн меньше наименьшего из сопротивлений Rк и Rн), амплитуда выходного напряжения Uвых m возрастает. Значит в режиме холостого хода усиление каскада возрастает.

При расчетах каскада с ОЭ на выходных характеристиках транзистора (транзистор работает в активном режиме) проводят линию нагрузки по постоянному току (линия 1-2 на рисунке 4.22, а), положение которой определяется вторым законом Кирхгофа для коллектор­ной цепи каскада:

Ек = Uкэп + Iкп (Rк + Rэ) . (4. 33)

Данную линию можно провести из точки Ек под углом g = arcctg 1/(Rк + Rэ) (рисунок 4.22, а). На практике же ее строят по двум точкам, характеризующим режимы холостого хода (точка 1) и короткого замыкания (точка 2) в коллекторной цепи транзистора. Для точки 1 ток и напряжение холостого хода: Iкх = 0, Uкэх = Ек; для точки 2 напряжение и ток короткого замыкания: Uкэз = 0; Iкз = Ек/(Rк + Rэ).

При расчетах любые значения тока Iкп и напряжения Uкэп определяются точками пересечений (рабочими точками) выходных характеристик с лини­ей нагрузки по постоянному току. Одна из этих точек, полученная для за­данного тока базы покоя Iбп, называется точкой покоя и обозначается бук­вой П (рисунок 4.22, а). Используя координаты точки покоя П, можно опреде­лить ток коллектора покоя Iкп напряжение коллектора покоя Uкэп и падение напряжения на резисторе Rк, равное U = IкпRк.

Для определения параметров выходного сигнала в динамическом режи­ме усиления (с подключенными входным сигналом и нагрузкой) используют линию нагрузки по переменному току (динамическую линию нагрузки). Если учесть, что сопротивления источника питания Ек и конденсатора С2 по переменному току малы, то сопротивление нагрузки по переменному току будет определяться параллельно включенными резисторами Rк и Rн:

Rкн = RкRн/( Rк + Rн) . (4. 34 )

Поскольку в режиме усиления входного сигнала токи в напряжения транзистора состоят из суммы постоянных и переменных составляющих, то штриховая линия 3–4 на рисунке 4.22, а -линия нагрузки по переменному току тоже пройдет через точку покоя П. И поскольку Rкн < Rк, то линия будет находиться под углом gн = arcctg 1/Rкн, большим, чем угол g. Для ее построения на оси абсцисс отмечают точку 3, где формально напряжение равно сумме Uкн + IкпRкн, и через нее и точку Ппроводят прямую .

При использовании каскада с ОЭ для усиления мощности необходимо учитывать параметры предельно допустимых режимов работы транзисто­ра. Таких параметров три и они строятся на выходных характеристиках (рисунок 4.22, а). Кривая допустимой мощности рассеяния строится по формуле Ркдоп = UкэIк и представляет собой гиперболу, а линии допустимых коллек­торного тока Iкдоп и напряжения коллектор-эмиттер Uкэдоп — прямые, парал­лельные осям координат. Параметры Ркдоп, Iкдоп, Uкэдоп находятся из справочной литературы.

В целях исключения иска­жений формы выходного сигнала необходимо обеспечить такой режим работы транзистора, что­бы рабочая точка, перемещаясь по линии нагрузки, не выходила за пределы напряжения насыщения ∆Uнас (0,3...0,7 В) и отсечки(Uкэотс≈E).

Основные показатели уси­лительного каскада ОЭ обычно рассчитывают с помощью h-naраметров транзистора, исполь­зуя эквивалентную схему каскада с ОЭ (рисунок 4.23)[4], основой которой является схема замещения транзистора (обведена штриховой линией). В упрощенной схеме замещения транзистор формально представляется активным линей­ным четырехполюсником, на входе которого действуют напряжение Uвх и ток Iвх, а на выходе – напряжение Uвых и ток Iн.

 

Рисунок 4.23 – Эквивалентная схема каскада ОЭ

Указанные величины представлены действующими значениями, связанными с известными амплитудными формулами: ,

В схеме резистор h11 отражает входное сопротивление, эквивалентный гене­ратор тока h11Iб – усилительные свойства, а сопротивление 1/ h22 величину, обратную выходной проводимости транзистора. Отметим, что в эквива­лентной схеме не показаны конденсаторы и источник питания, так как их сопротивления по переменному току близки к нулю. Поэтому резисторы Rки Rн включены непосредственно между эмиттером и коллектором. Сопротивление Rб=R1R2/(R1+R2) показывает наличие базового делителя, резисторы R1, R2 которого по переменному току соединены параллельно. Формулы для расче­та сопротивлений R1 и R2 нетрудно получить из схемы на рисунке 4.21:

; (4. 35)

Входное сопротивление каскада при Rб >>h11:

Rвх = Uвх/Iвх = Rбh11/(Rб + h11) » h11. (4.36)

Выходное сопротивление с учетом неравенства Rк, Rн<< 1/ h22

. (4. 37)

Коэффициент усиления по напряжению:

. (4.38)

Коэффициент усиления по току:

Ki = Iн/Iвх » Iк/Iб » h21 . (4. 39)


Поделиться:

Дата добавления: 2015-08-05; просмотров: 278; Мы поможем в написании вашей работы!; Нарушение авторских прав





lektsii.com - Лекции.Ком - 2014-2024 год. (0.016 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав
Главная страница Случайная страница Контакты