ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЗИСТОРНОГО
УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
АЧХ - амплитудно-частотная характеристика;
ПХ - переходная характеристика;
СЧ - средние частоты;
НЧ - низкие частоты;
ВЧ - высокие частоты;
К - коэффициент усиления усилителя;
Uc - напряжение сигнала частотой w ;
Cp - разделительный конденсатор;
R1,R2 - сопротивления делителя;
Rк - коллекторное сопротивление;
Rэ - сопротивление в цепи эмиттера;
Cэ - конденсатор в цепи эмиттера;
Rн - сопротивление нагрузки;
Сн - емкость нагрузки;
S - крутизна трагзистора;
Lк - корректирующая индуктивность;
Rф,Сф - элементы НЧ - коррекции.
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ.
Целью настоящей работы является:
1) изучение работы резисторного каскада в области низких, средних и высоких частот.
2) изучение схем низкочастотной и высокочастотной коррекции АЧХ усилителя;
2. ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ.
2.1. Изучить схему резисторного усилительного каскада, уяснить назначение всех элементов усилителя и их влияние на параметры усилителя (подраздел 3.1).
2.2. Изучить принцип работы и принципиальные схемы низкочастотной и высокочастотной коррекции АЧХ усилителя (подраздел 3.2).
2.3. Уяснить назначение всех элементов на лицевой панели лабораторного макета (раздел 4).
2.4. Найти ответы на все контрольные вопросы (раздел 6).
3. РЕЗИСТОРНЫЙ КАСАКАД НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ
Резисторные усилительные касакады широко применяются в различных областях радиотехники. Идеальный усилитель имеет равномерную АЧХ во всей полосе частот, реальный усилитель всегда имеет искажения АЧХ, прежде всего - снижение усиления на низких и высоких частотах, как показано на рис. 3.1.
Схема резисторного усилителя переменного тока на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером представлена на рис. 3.2, где Rc - внутреннее сопротивление источника сигнала Uc ; R1 и R2 - сопротивления делителя, задающие рабочую точку транзистора VT1; Rэ - сопротивление в цепи эмиттера, которое шунтируется конденсатором Сэ; Rк - коллекторное сопротивление; Rн - сопротивление нагрузки; Cp - разделительные конденсаторы, обеспечивающие разделение по постоянному току транзистора VT1 от цепи сигнала и цепи нагрузки.
Температурная стабильность рабочей точки возрастает при увеличении Rэ (за счет увеличения глубины отрицательной обратной связи в касакаде на постоянном токе), стабильность рабочей точки также возрастает и при уменьшении R1,R2 (за счет увеличения тока делителя и повышения температурной стабилизации потенциала базы VT1). Возможное уменьшение R1,R2 ограничено допустимым снижением входного сопротивления усилителя, а возможное увеличение Rэ ограничено максимально допустимым падением постоянного напряжения на сопротивлении эмиттера.
3.1. Анализ работы резисторного усилителя в области низких, средних и высоких частот.
Эквивалентная схема получена с учетом того, что на переменном токе шина питания (“-Е п ”) и общая точка (“земля”) являются короткозамкнутыми, а также с учетом допущения 1/wCэ << Rэ, когда можно считать эмиттер VT1 подключенным на переменном токе к общей точке.
Поведение усилителя различно в области низких, средних и высоких частот (см.рис. 3.1). На средних частотах (СЧ) , где сопротивление разделительного конденсатора Ср пренебрежимо мало (1/wCр << Rн), а влиянием емкости Со можно пренебречь, так как 1/wCо >> Rк, эквивалентная схема усилителя преобразуется в схему рис.3.4.
Из схемы рис.3.4 следует, что на средних частотах усиление касакада Ко не зависит от частоты w:
Ко = - S/(Yi + Yк + Yн),
откуда с учетом 1/Yi > Rн > Rк получаем приближенную формулу
Следовательно, в усилителях с высокоомной нагрузкой номинальный коэффициент усиления Ко прямо пропорционален величине сопротивления коллектора Rк.
В области низких частот (НЧ) также можно пренебречь малой емкостью Со, но необходимо учесть возрастающее с понижением w сопротивление разделительного конденсатора Ср. Это позволяет получить из рис. 3.3 эквивалентную схему усилителя на НЧ в виде рис.3.5, откуда видно, что конденсатор Ср и сопротивление Rн образуют делитель напряжения, снимаемого с коллектора транзистора VT1.
Чем ниже частота сигнала w , тем больше емкостное сопротивление Ср (1/wCр), и тем меньшая часть напряжения попадает на выход, в результате чего происходит снижение усиления. Таким образом, Ср определяет поведение АЧХ усилителя в области НЧ и практически не оказывает влияния на АЧХ усилителя в области средних и высоких частот. Чем больше Ср, тем менбше искажения АЧХ в области НЧ, а при усилении импульсных сигналов - тем меньше искажения импульса в области больших времен (спад плоской части вершины импульса), как показано на рис.3.6.
В области высоких частот (ВЧ), как и на СЧ, сопротивление разделительного конденсатора Ср пренебрежимо мало, при этом определяющим на АЧХ усилителя будет наличие емкости Со. Эквивалентная схема усилителя в области ВЧ представлена на схеме рис.3.7, откуда видно, что емкость Со шунтирует выходное напряжение Uвых, следовательно с повышением w будет уменьшаться усиление касакада. Дополнительной причиной снижения усиления на ВЧ является уменьшение крутизны транзистора S по закону:
S(w) = S/(1 + jwt),
где t - постоянная времени транзистора.
Шунтирующее действие Со будет сказываться меньше при уменьшении сопротивления Rк. Следовательно, для увеличения верхней граничной частоты полосы усиливаемых частот необходимо уменьшать коллекторное сопротивление Rк, однако это неизбежно приводит к пропорциональному снижению номинального коэффициента усиления.
Структурная схема полного усилителя низкой частоты УНЧ изображена на Рис.14.
Рис.14 Структурная схема УНЧ.
Входной каскад выделен с группы каскадов предварительного усиления, так как к нему предъявляются дополнительные требования по согласованию с источником сигнала.
Для уменьшения шунтирования источника сигнала R i низким входным сопротивлением усилителя R ВХ~ должно выполнятся условие: R ВХ~ >> R i
Чаще всего входным каскадом является эмиттерный повторитель, в которого R ВХ~ достигает 50 кОм и более или используются полевые транзисторы, обладающие очень большим входным сопротивлением.
Кроме этого входной каскад должен обладать максимальным отношением сигнал / шум, так как он определяет шумовые свойства всего усилителя.
Регулировки позволяют оперативно устанавливать уровень выходной мощности (громкость, баланс) и изменять форму АЧХ (тембр).
Оконечные каскады обеспечивают требуемую выходную мощность в нагрузке при минимальных нелинейных искажениях сигнала и высокой экономичности. Требования к оконечным каскадам определяются их особенностями.
1. Работа усилителя мощности на низкоомную нагрузку акустических систем требует оптимального согласование оконечного каскада с полным звуковым сопротивлением АС: R ВЫХ~ ≈ R Н .
2. Оконечные каскады потребляют основную часть энергии источника питания и экономичность для них является одним из основных параметров.
3. Доля нелинейных искажений, вносимых оконечными каскадами, составляет 70…90%. Это учитывается при выборе их режимов работы.
Предоконечные каскады . При больших выходных мощностях усилителя назначение и требования к предоконечным каскадам аналогичны оконечным каскадам.
Кроме этого, если двухтактные оконечные каскады выполнены на транзисторах одинаковой структуры, то предоконечные каскады должны быть фазоинверсными .
Требования к каскадам предварительного усиления вытекают из их назначения - усиливать напряжение и ток, создаваемые источником сигнала на входе, до величины, необходимой для возбуждения каскадов усиления мощности.
Поэтому наиболее важными показателями для многокаскадного предварительного усилителя являются: коэффициент усиления напряжения и тока, частотная характеристика (АЧХ) и частотные искажения.
Основные свойства каскадов предварительного усиления:
1. Амплитуда сигнала в предварительных каскадах обычно мала, поэтому в большинстве случаев нелинейные искажения невелики и могут не учитываться.
2. Построение каскадов предварительного усиления по однотактным схемам требует применения в нихнеэкономичного режима А, что практически не сказывается на общей экономичности усилителя из-за малых значений токов покоя транзисторов.
3. Наибольшее распространение в предварительных каскадах получила схема включения транзистора с общим эмиттером, позволяющая получить наибольшее усиление иимеющая достаточно большое входное сопротивление, так что каскады можно соединить без согласующих трансформаторов, не теряя в усилении.
4. Из возможных способов стабилизации режима в предварительных каскадах наибольшее распространение получила эмиттерная стабилизация как наиболее эффективная и простая по схеме.
5. Для улучшения шумовых свойств усилителя, транзистор первого каскада выбирают малошумящим с большим значением статического коэффициента усиления по току h 21э >100, а его режим по постоянному току должен быть слаботочным I ок = 0,2…0,5 мА, а сам транзистор для повышения входного сопротивления УНЧ включают по схеме с общим коллектором (ОК).
Для исследования свойств предварительных каскадов усиления составляется эквивалентная электрическая схема их по переменному току. Для этого транзистор заменяется схемой замещения (эквивалентным генератором Е ВЫХ , внутренним сопротивлением R ВЫХ ,проходной емкостью С К ),а к нему подключаются все элементы внешней цепи, влияющие на коэффициент усиления и АЧХ (частотные искажения).
Свойства предварительных каскадов усиления определяются схемой их построения: с емкостной или гальванической связями, на биполярных или полевых транзисторах, дифференциальные , каскодные и другие специальные схемы.
Каскады предварительного усиления Общие сведения. Предварительный усилитель усиливает коле-бания напряжения или тока источника сигнала до значений, кото-рые необходимо подать на вход оконечного каскада для получения в нагрузке заданной мощности. Предварительный усилитель может быть одно- и многокаскадным. Транзисторы в каскадах предвари-тельного усиления включают с ОЭ, а лампы — с общим катодом, что позволяет получить наибольшее усиление . Включение транзистора с ОБ целесообразно во входных каскадах, работающих от источника сигнала с малым внутренним сопротивлением. Для уменьшения нелинейных искажений в каскадах предварительного усиления предпочтителен режим А.
- По виду связи между каскада-ми (при многокаскадном выполнении усилителей) различают усили-тели с емкостной,
- трансформаторной
- гальванической связью (уси-лители постоянного тока).
Усилители с емкостной связью.
Усилители с емкостной или ЯС-бвязью имеют широкое применение.. Они просты в конструкции и наладке, дешевы, обладают стабильными характеристиками, на-дежны в работе, имеют небольшие размеры и массу. Типовые схе-мы усилителя на транзисторах и лампах с емкостной связью Частотная характеристика резисторного каскада с емкостной связью может быть разделена на три области частот: нижних НЧ, средних СЧ и верхних ВЧ. В области нижних частот коэффициент усиления Kн снижается (с уменьшением частоты) в ос-новном из-за увеличения сопротивления конденсатора межкас-кадной связи Ср1. Емкость этого конденсатора выбирают достаточ-но большой, что снизит падение напряжения на нем. Обычно низ-кочастотный диапазон ограничивается частотой fH, на которой ко-эффициент усиления снижается до 0,7 среднечастотного значения, т. е. Kн=0,7K0. В области средних частот, составляющих основную часть рабочего диапазона усилителя, коэффициент усиления Kо практически не зависит от частоты. В области верхних частот fB снижение усиления Kв обусловлено емкостью Со=/=Свых+См+Свх (где Свых — емкость усилительного элемента каскада; См — емкость монтажа, Свх — емкость усилительного элемента следующего кас-када) . Эту емкость всегда стремятся свести к минимуму, чтобы ограничить через нее ток сигнала и обеспечить большой коэффициент усиления. Расчет резисторного каскада предварительного усиления. Ис-ходные данные: полоса усиливаемых частот fн-fв = 100-4000 Гц, коэффициент частотных искажений MH Усилители с трансформаторной связью
. Каскады предварительного усиления с трансформаторной связью обеспечивают лучшее-согласование усилительных каскадов по сравнению с каскадами с резисторной емкостной связью и применяются в качестве инверсных для подачи сигнала на двухтактный выходной каскад. Нередко трансформатор используют в качестве входного устройства. Схемы усилительных каскадов с последовательным и параллельным включением трансформатора показаны на. Схема с последовательно включенным трансформатором не содержит резистора RK в коллекторной цепи, поэтому обладает более высо-ким выходным сопротивлением каскада, равным выходному сопро-тивлению транзистора, и применяется чаще. В схеме с параллельно включенным трансформатором требуется переходной конденсатор С. Недостатком этой схемы являются дополнительные потери мощно-сти сигнала в резисторе RK и снижение выходного сопротивления вследствие шунтирующего действия этого резистора. Нагрузкой трансформаторного каскада обычно служит относи-тельно низкое входное сопротивление последующего каскада. В этом случае для межкаскадной связи используют понижающие транс форматоры с коэффициентом трансформации n2=*RB/R"H Частотная характеристика усилителя с трансформаторной связью имеет снижение коэффициента усиления в области нижних и верхних частот. В области нижних частот спад коэффи-циента усиления каскада объясняется уменьшением индуктивного сопротивления обмоток трансформатора, вследствие чего возрастает их шунтирующее де.йствие входной и выходной цепей каскада и снижается коэффициент усиления К=Kо/. На средних частотах влиянием реактивных эле-ментов можно пренебречь. В области верхних частот на коэффициент уси-ления влияют емкость коллекторного перехода Ск и индуктивность рассеи-вания ls обмоток трансформатора. На некоторой частоте емкость Ск и индуктивность Is могут вызвать резонанс напряжения, вследствие че-го на этой частоте возможен подъем частотной характеристики. Иногда этим пользуются для коррекции час-тотной характеристики усилителя. Усилители низкой частоты в основном предназначены для обеспечения заданной мощности на выходном устройстве, в качестве которого может быть – громкоговоритель, записывающая головка магнитофона, обмотка реле, катушка измерительного прибора и т. д. Источниками входного сигнала являются звукосниматель, фотоэлемент и всевозможные преобразователи неэлектрических величин в электрические. Как правило, входной сигнал очень мал, его значение недостаточно для нормальной работы усилителя. В связи с этим перед усилителем мощности включают один или несколько каскадов предварительного усиления, выполняющих функции усилителей напряжения. В предварительных каскадах УНЧ в качестве нагрузки чаще всего используют резисторы; их собирают как на лампах, так и на транзисторах. Усилители на биполярных транзисторах обычно собирают по схеме с общим эмиттером. Рассмотрим работу такого каскада (рис. 26). Напряжение синусоидального сигнала u вх
подают на участок база – эмиттер через разделительный конденсатор С р1
, что создает пульсацию тока базы относительно постоянной составляющей I б0
. Значение I б0
определяется напряжением источника Е к
и сопротивлением резистора R б
. Изменение тока базы вызывает соответствующее изменение тока коллектора, проходящего по сопротивлению нагрузки R н
. Переменная составляющая тока коллектора создает на сопротивлении нагрузки R k
усиленное по амплитуде падение напряжения u вых
. Расчет такого каскада можно произвести графически с использованием приведенных на рис. 27 входных и выходных характеристик транзистора, включенного по схеме с ОЭ. Если сопротивление нагрузки R н
и напряжение источника Е к
заданы, то положение линии нагрузки определяется точками С
и D
. При этом точка D
задана значением Е к
, а точка С
– током I к
=Е к
/R н
. Линия нагрузки CD
пересекает семейство выходных характеристик. Выбираем рабочий участок на линии нагрузки так, чтобы искажения сигнала при усилении были минимальны. Для этого точки пересечения линии CD
с выходными характеристиками должны находиться в пределах прямолинейных участков последних. Этому требованию соответствует участок АВ
линии нагрузки. Рабочая точка при синусоидальном входном сигнале находится в середине этого участка – точка О
. Проекция отрезка AO на ось ординат определяет амплитуду коллекторного тока, а проекция того же отрезка на ось абсцисс – амплитуду переменной составляющей коллекторного напряжения. Рабочая точка O
определяет ток коллектора I к0
и напряжение на коллекторе U кэ0
соответствующие режиму покоя. Кроме того, точка O
определяет ток покоя базы I б0
, а следовательно, и положение рабочей точки O"
на входной характеристике (рис. 27, а, б). Точкам А
и В
выходных характеристик соответствуют точки А"
и В"
на входной характеристике. Проекция отрезка А"O"
на ось абсцисс определяет амплитуду входного сигнала U вх т
, при которой будет обеспечен режим минимальных искажений. Строго говоря, U вх т
, необходимо определять по семейству входных характеристик. Но так как входные характеристики при различных значениях напряжения U кэ
, отличаются незначительно, на практике пользуются входной характеристикой, соответствующей среднему значению U кэ
=U кэ 0
.
