Лекция 2

Тема 2. Типовые усилительные каскады

2.1 Эквивалентная схема усилителя с ОЭ

 

     Для анализа и расчета усилителей используются эквивалентные схемы. Представим схему усилителя с ОЭ (рис.2.1).

Рисунок 2.1 – Схема усилителя с ОЭ

     Обычно источник питания E_к выбирается так, чтобы падение напряжения на нем от переменной составляющей было намного меньше, чем падение напряжения на остальных элементах усилителя. Тогда внутренним сопротивлением E_к можно пренебречь. Сопротивление делителя напряжения равно

     Транзистор можно представить в виде его эквивалентной схемы.

     В схеме транзистора пренебрегаем:

а) диффузионной емкостью эмиттерного перехода С_бэ, т. к. его емкостное сопротивление намного больше, чем r_э – дифференциальное сопротивление ЭП

где φ_Т – температурный потенциал p-n перехода, φ_Т = 25мВ при комнатной температуре.

б) R_э, С_э – сопротивлением и емкостью в эмиттерной цепи.

Барьерная емкость коллекторного перехода увеличивается, а дифференциальное сопротивление уменьшается по сравнению со схемой с ОБ

     Учитывая вышесказанное и, что ,  получаем эквивалентную схему усилителя (рис.2.2) для всего диапазона частот.

 

Рисунок 2.2 – Эквивалентная схема усилителя с ОЭ для всего диапазона частот

 

2.1.1 Эквивалентная схема усилителя с ОЭ для средних частот

 

     На средних частотах коэффициент усиления усилителя К₀  имеет максимальное значение и фазовый сдвиг j = 0, так как на них емкости схемы не влияют. Действительно, разделительная емкость С_р1 большая, ее емкостное сопротивление Х_ср1 << R₁₂, r_вх, включенное последовательно с R₁₂, r_вх, мало для средних частот, аналогично для С_р2  Х_ср1 << R_Н, R_k. Пренебрегаем С_р1 и С_р2. Барьерная емкость С_кэ мала, ее емкостное сопротивление велико  и включено параллельно выходу. Поэтому С_кэ тоже можно пренебречь. Из схемы (рис.2.2) получим схему для средних частот, в которой будут отсутствовать все емкости (рис.2.3).

Рисунок 2.3 – Эквивалентная схема усилителя с ОЭ для средних частот

     Определим основные параметры усилителя R_вх, R_вых, K_I, K_U, K_p. Входное сопротивление усилителя Rвх = R₁₂II r_вх. Так как R₁₂ >>r_вх, то .

Выходное сопротивление R_вых = r_кэII R_k. Так как r_кэ>>R_k, то R_вых ≈ R_k.

     Коэффициент усиления по напряжению

     Учитывая, что R_н >>R_k, r_кэ>>R_k и R₁₂>>R_вх и, пренебрегая R_н, r_кэ и R₁₂, получим:

- коэффициент усиления по напряжению

- коэффициент усиления по току

 - коэффициент усиления по мощности

2.1.2 Эквивалентная схема усилителя с ОЭ для низких частот

 

     На низких частотах коэффициент усиления уменьшается, т.к. сказывается влияние  С_р1 и С_р2.

Рисунок 2.4 – Эквивалентная схема УНЧ с ОЭ для низких частот

Емкостное сопротивление Хс_р1и Хс_р2 увеличивается с уменьшением частоты и становится соизмеримым с R_вх и R_г. Хс_кэ также растет, но оно включено параллельно выходу и его влияние еще меньше, чем на средних частотах. На эквивалентной схеме (рис.2.2) для НЧ будет отсутствовать только С_кэ (рис.2.4).

     Дополнительные частотные искажения на НЧ вносит цепь термостабилизации при неправильном выборе Сэ.

где К_о – коэффициент усиления на средних частотах; М_н ‑ коэффициент частотных искажений М_н = М_н1 ∙ М_н2 ∙.. М_нi.

где τ_н – постоянная времени перезаряда емкости.

Для конденсаторов С_р1, С_р2 и С_э постоянные времени соответственно равны: 

2.1.3 Эквивалентная схема усилителя с ОЭ для высоких частот

 

     В области высоких частот все емкостные сопротивления уменьшаются, емкостные сопротивления разделительных конденсаторов Хс_р1 и Хс_р2, соединенные последовательно, не влияют, а Хс_кэ, соединенное параллельно, уменьшается и шунтирует R_н. Следовательно, уменьшается коэффициент усиления каскада. На эквивалентной схеме (рис.2.2) для ВЧ будут отсутствовать С_р1 и  С_р2 (рис.2.5).

Рисунок 2.5 – Эквивалентная схема УНЧ с ОЭ для высоких частот

   Коэффициент усиления на верхних частотах 

где из-за зависимости коэффициента передачи тока β от частоты ω.

     В общем виде коэффициент усиления

     Таким образом, усилительный каскад с ОЭ:

– имеет большой коэффициент усиления по напряжению и по току;

– r_вх < r_вых, r_вх - единицы кОм; r_вых - десятки кОм;

– полоса пропускания уже, чем в схеме с ОБ, так как барьерная емкость в схеме с  ОЭ больше, чем в схеме с ОБ;

– фазовый сдвиг φ = π в диапазоне низких частот.

Применяется в схемах, где недопустимы нелинейные искажения, например, в каскадах предварительного усиления.

 

2.2 Усилитель с ОБ

 

     Усилитель с общей базой работает в классе А (рис.2.6). E_э и R_э служат для задания тока эмиттера I_э в режиме покоя, R_к – для снятия выходного сигнала; С_р1 и  С_р2 ‑ разделительные емкости.

Основные параметры:

коэффициент усиления по напряжению

коэффициент усиления по току

  

коэффициент усиления по мощности

входное сопротивление

выходное сопротивление R_вых = r_k II R_k II R_н ≈ R_k , фазовый сдвиг j=0.

Рисунок 2.6 – Схема усилителя с ОБ

Особенности схемы:

а) коэффициент усиления по току К_I << К_U;

б) мало R_вх (сотни Ом) и большое R_вых (сотни кОм);

в) шире частотный диапазон;

г) малы нелинейные искажения;

Схема применяется:

а) в стабилизаторах тока;

б) при необходимости большего частотного диапазона, т.к. частотный диапазон усиления шире, чем с ОЭ;

в) для усиления импульсных сигналов и др.

 

2.3 Эмиттерный повторитель

 

      Эмиттерный повторитель (ЭП) – это схема с ОК (рис.2.7). Отсутствие R_к приводит к схеме с ОК и 100% последовательной ООС по напряжению. Нагрузка R_э, служащая для снятия выходного сигнала, включена в цепь эмиттера. Резисторы R₁ и R₂  служат для создания смещения на базу. 

Рисунок 2.7 – Схема ЭП

     Все выходное напряжение введено последовательно во входную цепь и вычитается из входного сигнала U_бэ = U_вх - U_вых, т.е. имеет место 100% последовательной отрицательная обратная связь по напряжению.

      Увеличение положительной полуволны переменного U_вх приводит к увеличению I_э и, следовательно, к увеличению U_вых, что говорит о совпадении фаз. Таким образом, ЭП входной сигнал не инвертирует.

    Основные параметры схемы:

а) коэффициент усиления по напряжению

б) коэффициент усиления по току K_I = I_вых/I_вх = 1 + β – сотни единиц;

в) коэффициент усиления по мощности K_p = K_U K_I – сотни единиц;

г) входное сопротивление  – сотни кОм;

д) выходное сопротивление – единицы сотен Ом;

е) фазовый сдвиг j=0.

     Особенности схемы:

а) коэффициент усиления по току К_I >>1 и по мощности К_р >1;

б) нет усиления по напряжению К_U  1, выходное напряжение повторяет входное и по величине и по фазе;

в) большое R_вх (сотни кОм) и мало R_вых (сотни Ом) ;

г) шире динамический диапазон усиливаемых сигналов, так как уменьшаются нелинейные искажения;

д) меньше коэффициент частотных искажений, т.е. шире полоса пропускания.

      Эмиттерный повторитель используется для:

- согласования  схем с высоким выходным сопротивлением со схемами с низким входным сопротивлением;

- увеличения входного сопротивления последующей схемы;

- усиления тока и мощности.

2.4 Фазоинверсный каскад

 

     Фазоинверсный или каскад с разделенной нагрузкой (рис.2.8) имеет две нагрузки R_н1 и R_н2. Резистор R_к  служит для снятия выходного сигнала U_вых1 (транзистор по этому выходу включен по схеме с ОЭ), R_э ‑ для снятия выходного сигнала U_вых2 (транзистор включен по схеме с ОК).

Рисунок 2.8 – Схема каскада с разделенной нагрузкой

     Коэффициент усиления U_вых1

     Коэффициент усиления U_вых2

     Обычно снимаются одинаковые сигналы по амплитуде, но противоположные по фазе.

     Для равенства U_вых1 = U_вых2 необходимо выполнение условия R_k = R_э.

 

2.5 Выходные каскады усилителей

 

     Выходные каскады – это усилители мощности. Они служат для получения максимальной мощности в нагрузке при максимально возможном КПД и минимальных нелинейных искажениях.

     В микроэлектронике класс А обычно используется редко из-за низкого КПД. Более популярны двухтактные усилители класса В и АВ.

     Рассмотрим простейшую двухтактную схему усилителя класса В на комплементарных транзисторах (рис.2.9).

Рисунок 2.9 – Схема 2-х тактного усилителя класса В

     Транзистор VT₁ – n-p-n, VT₂ – p-n-p –типа.

     Нагрузка R_н включена в эмиттерной цепи, т.е. транзистор включен по схеме с ОК, следовательно, этот ЭП дает большое усиление по мощности, обусловленное высоким коэффициентом усиления тока.

     В режиме покоя оба транзистора закрыты, т.к. U_бэ = 0 (класс В).

      При подаче положительной полуволны переменного напряжения VT₁ – открывается, VT₂ – закрывается. Течет ток от +Е₁ ‑ кэ₁ ‑ R_н ‑  – Е₁.

     При подаче отрицательной полуволны переменного напряжения VT₁ – закрывается, VT₂ – открывается. Течет ток от +Е₂ ‑ R_н ‑ эк₂  ‑  – Е₂.

     Таким образом, схема работает в два такта: в первом такте открыт  VT₁, во втором ‑ VT₂, т.е. на выходе усилителя образуется биполярный сигнал. Коэффициент усиления по мощности K_p = Iэ/I_б = β + 1.

     Но недостаток схемы в том, что она имеет высокий коэффициент нелинейных искажений К_н. На (рис.2.10) приведена совмещенная передаточная характеристика I_э = f (U_б).

Рисунок 2.10 – Совмещенная переходная характеристика усилителя

     Длительность положительной и отрицательной полуволн на выходе меньше полупериода сигнала (часть синусоиды не усиливается). Выходной ток I_э носит импульсный характер, т.е. имеет большое число высших гармоник в своем спектре. Это особенно существенно при малых U_вх, соизмеримых с U*.

     Для устранения нелинейных искажений вводится раздельное смещение на базы транзисторов (рис.2.11,а). На диодах VD₁ и VD₂ создается падение напряжения U*, которое смещает рабочую точку транзистора VТ₁ влево и VT₂ – вправо от начала координат (рис.2.11,б). Характеристика передачи будет представлять прямую линию. Следовательно, уменьшатся нелинейные искажения. Эти диоды всегда открыты, так как суммарное напряжение источников питания Е₁ + Е₂ всегда больше, чем входной сигнал.

Рисунок 2.11 – Усилитель мощности с раздельным смешением