ДОСЛІДЖЕННЯ РЕЗИСТОРНОГО
ПІДСИЛЮВАЛЬНОГО КАСКАДУ
ОСНОВНІ УМОВНІ ПОЗНАЧЕННЯ І СКОРОЧЕННЯ
АЧХ – амплітудно-частотна характеристика;
ПХ – перехідна характеристика;
СЧ – середні частоти;
НЧ – низькі частоти;
ВЧ – високі частоти;
К – коефіцієнт посилення підсилювача;
Uc - напруга сигналу частотою w;
Cp – розділовий конденсатор;
R1, R2 – опору дільника;
Rк - колекторний опір;
Rе - опір у ланцюзі емітера;
Cе - конденсатор у ланцюзі емітера;
Rн – опір навантаження;
Сн – ємність навантаження;
S - крутість трагзистора;
Lк - коригуюча індуктивність;
Rф, Сф – елементи НЧ – корекції.
1. МЕТА РОБОТИ.
Метою цієї роботи є:
1) вивчення роботи резисторного каскаду у сфері низьких, середніх та високих частот.
2) вивчення схем низькочастотної та високочастотної корекції АЧХ підсилювача;
2. ДОМАШНЕ ЗАВДАННЯ.
2.1. Вивчити схему резисторного каскаду, усвідомити призначення всіх елементів підсилювача та їх вплив на параметри підсилювача (підрозділ 3.1).
2.2. Вивчити принцип роботи та принципові схеми низькочастотної та високочастотної корекції АЧХ підсилювача (підрозділ 3.2).
2.3. З'ясувати призначення всіх елементів на лицьовій панелі лабораторного макету (розділ 4).
2.4. Знайти відповіді всі контрольні питання (розділ 6).
3. РЕЗИСТОРНИЙ КАСАКАД НА БІПОЛЯРНОМУ ТРАНЗИСТОРІ
Резисторні підсилювальні касакади широко застосовують у різних галузях радіотехніки. Ідеальний підсилювач має рівномірну АЧХ у всій смузі частот, реальний підсилювач завжди має спотворення АЧХ, насамперед зниження посилення на низьких і високих частотах, як показано на рис. 3.1.
Схема резисторного підсилювача змінного струму на біполярному транзисторі за схемою із загальним емітером представлена на рис. 3.2, де Rc - внутрішній опір джерела сигналу Uc; R1 та R2 - опори дільника, що задають робочу точку транзистора VT1; Rе - опір ланцюга емітера, яке шунтується конденсатором Се; Rк - колекторний опір; Rн – опір навантаження; Cp - розділові конденсатори, що забезпечують поділ постійного струму транзистора VT1 від ланцюга сигналу і ланцюга навантаження.
Температурна стабільність робочої точки зростає при збільшенні Rе (за рахунок збільшення глибини негативного зворотного зв'язку в касакаді на постійному струмі), стабільність робочої точки також зростає і при зменшенні R1, R2 (за рахунок збільшення струму дільника та підвищення температурної стабілізації потенціалу бази VT1). Можливе зменшення R1,R2 обмежено допустимим зниженням вхідного опору підсилювача, а можливе збільшення Rе обмежено максимально допустимим падінням постійної напруги на опорі емітера.
3.1. Аналіз роботи резисторного підсилювача в області низьких, середніх та високих частот.
Еквівалентна схема отримана з урахуванням того, що на змінному струмі шина живлення (“-Е п ”) та загальна точка (“земля”) є короткозамкненими, а також з урахуванням припущення 1/wCе<< Rэ, когда можно считать эмиттер VT1 подключенным на переменном токе к общей точке.
Поведінка підсилювача по-різному в області низьких, середніх і високих частот (рис. 3.1). На середніх частотах (СЧ) , де опір роздільного конденсатора Ср нехтує мало (1/wCр<< Rн), а влиянием емкости Со можно пренебречь, так как 1/wCо >> Rк, еквівалентна схема підсилювача перетворюється на схему рис.3.4.
Зі схеми рис.3.4 слід, що у середніх частотах посилення касакада До залежить від частоти w:
К = - S/(Yi + Yк + Yн),
звідки з урахуванням 1/Yi > Rн > Rк отримуємо наближену формулу
Отже, в підсилювачах з високоомним навантаженням номінальний коефіцієнт підсилення К прямо пропорційний величині опору колектора Rк.
В області низьких частот (НЧ) також можна знехтувати малою ємністю З, але необхідно врахувати зростаючий зі зниженням w опір розподільчого конденсатора Ср. Це дозволяє одержати з рис. 3.3 еквівалентну схему підсилювача НЧ у вигляді рис.3.5, звідки видно, що конденсатор Ср і опір Rн утворюють дільник напруги, що знімається з колектора транзистора VT1.
Чим нижче частота сигналу w тим більше ємнісний опір Ср (1/wCр), і тим менша частина напруги потрапляє на вихід, в результаті чого відбувається зниження посилення. Таким чином, Ср визначає поведінку АЧХ підсилювача в області НЧ та практично не впливає на АЧХ підсилювача в області середніх та високих частот. Чим більше Ср, тим менше спотворення АЧХ в області НЧ, а при посиленні імпульсних сигналів - тим менше спотворення імпульсу в області великих часів (спад плоскої частини вершини імпульсу), як показано на рис.3.6.
У сфері високих частот (ВЧ), як і СЧ, опір роздільного конденсатора Ср зневажливо мало, у своїй визначальним на АЧХ підсилювача буде наявність ємності З. Еквівалентна схема підсилювача в області ВЧ представлена на схемі рис.3.7, звідки видно, що ємність З шунтує вихідну напругу Uвих, отже з підвищенням w зменшуватиметься посилення касакада. Додатковою причиною зниження посилення на ВЧ є зменшення крутості транзистора S за законом:
S(w) = S/(1 + jwt),
де t – постійна часу транзистора.
Шунтуюча дія буде позначатися менше при зменшенні опору Rк. Отже, збільшення верхньої граничної частоти смуги посилюваних частот необхідно зменшувати колекторний опір Rк, проте це неминуче призводить до пропорційного зниження номінального коефіцієнта посилення.
Структурну схему повного підсилювача низької частоти УНЧ зображено на Рис.14.
Структурна схема УНЧ.
Вхідний каскадвиділено із групи каскадів попереднього посилення, оскільки щодо нього пред'являються додаткові вимоги за погодженням із джерелом сигналу.
Для зменшення шунтування джерела сигналу R iнизьким вхідним опором підсилювача R ВХ~має виконуватися умова: R ВХ~ >> R i
Найчастіше вхідним каскадом є емітерний повторювач, у якого R ВХ~досягає 50 кОм і більше або використовуються польові транзистори, що мають дуже великий вхідний опір.
Крім цього вхідний каскад повинен мати максимальне відношення сигнал / шум, так як він визначає шумові властивості всього підсилювача.
Регулюваннядозволяють оперативно встановлювати рівень вихідної потужності (гучність, баланс) та змінювати форму АЧХ (тембр).
Кінцеві каскадизабезпечують необхідну вихідну потужність навантаження при мінімальних нелінійних спотвореннях сигналу і високої економічності. Вимоги до кінцевих каскадів визначаються їх особливостями.
1. Робота підсилювача потужності на низькоомне навантаження акустичних систем потребує оптимального узгодження кінцевого каскаду з повним звуковим опором АС: R ВИХІЙ ≈ R Н .
2. Кінцеві каскади споживають основну частину енергії джерела живлення та економічність для них є одним із основних параметрів.
3. Частка нелінійних спотворень, внесених кінцевими каскадами, становить 70…90%. Це враховується під час виборів їх режимів роботи.
Передкінцеві каскади. При великих вихідних потужностях підсилювача призначення та вимоги до передконечних каскадів аналогічні кінцевим каскадам.
Крім цього, якщо двотактнікінцеві каскади виконані на транзисторах однаковоюструктури, то передконечні каскади мають бути фазоінверсними .
Вимоги до каскадам попереднього посиленнявипливають із призначення - посилювати напруга і струм, створювані джерелом сигналу на вході, до величини, яка потрібна збудження каскадів посилення потужності.
Тому найбільш важливими показниками для багатокаскадного попереднього підсилювача є коефіцієнт посилення напруги і струму, частотна характеристика (АЧХ) і частотні спотворення.
Основні властивості каскадів попереднього посилення:
1. Амплітуда сигналу в попередніх каскадах зазвичай мала, у більшості випадків нелінійні спотворення невеликі і можуть не враховуватися.
2. Побудова каскадів попереднього посилення за однотактними схемами вимагає застосування в них неекономічного режиму А, що практично не позначається на загальній економічності підсилювача через малі значення струмів спокою транзисторів.
3. Найбільшого поширення в попередніх каскадах набула схема включення транзистора із загальним емітером, що дозволяє отримати найбільше посилення і має досить великий вхідний опір, так що каскади можна з'єднати без узгоджувальних трансформаторів, не втрачаючи у посиленні.
4. З можливих способів стабілізації режиму в попередніх каскадах найбільшого поширення набула емітерна стабілізація як найефективніша і найпростіша за схемою.
5. Для поліпшення шумових властивостей підсилювача, транзистор першого каскаду вибирають малошумливим з великим значенням статичного коефіцієнта посилення по струму h 21е >100, яке режим по постійному струму повинен бути слаботочним I ок = 0,2 ... 0,5 мА, а сам транзистор підвищення вхідного опору УНЧ включають за схемою із загальним колектором (ОК).
Для дослідження властивостей попередніх каскадів посилення складається еквівалентнаелектрична схема їх за змінним струмом. Для цього транзистор замінюється схемою заміщення (еквівалентним генератором Ї ВИХ, внутрішнім опором R ВИХ,прохідною ємністю З К), а до нього підключаються всі елементи зовнішнього ланцюга, що впливають на коефіцієнт посилення та АЧХ (частотні спотворення).
Властивості попередніх каскадів посилення визначаються схемою їх побудови: ємніснийабо гальванічноїзв'язками, на біполярних або польових транзисторах, диференціальні, каскодні та інші спеціальні схеми.
Каскади попереднього посиленняЗагальні відомості. Попередній підсилювач посилює коливання напруги або струму джерела сигналу до значень, які необхідно подати на вхід кінцевого каскаду для отримання в навантаженні заданої потужності. Попередній підсилювач може бути одно- та багатокаскадним. Транзистори в каскадах попереднього посилення включають з ОЕ, а лампи - із загальним катодом, що дозволяє отримати найбільше посилення. Включення транзистора з ПРО доцільно у вхідних каскадах, що працюють від джерела сигналу з мінімальним внутрішнім опором. Для зменшення нелінійних спотворень у каскадах попереднього посилення кращий режим А.
- По виду зв'язку між каскадами (при багатокаскадному виконанні підсилювачів) розрізняють підсилювачі з ємнісною,
- трансформаторний
- гальванічним зв'язком (підсилювачі постійного струму).
Підсилювачі з ємнісним зв'язком.Підсилювачі з ємнісною або ЯС-б'яззю мають широке застосування. Вони прості в конструкції та налагодженні, дешеві, мають стабільні характеристики, надійні в роботі, мають невеликі розміри і масу. Типові схеми підсилювача на транзисторах і лампах з ємнісним зв'язком Частотна характеристика резисторного каскаду з ємнісним зв'язком може бути розділена на три області частот: нижніх НЧ, середніх СЧ і верхніх ВЧ. В області нижніх частот коефіцієнт посилення Kн знижується (зі зменшенням частоти) в основному через збільшення опору конденсатора міжкас-кадного зв'язку Ср1. Місткість цього конденсатора вибирають досить великий, що знизить падіння напруги на ньому. Зазвичай низькочастотний діапазон обмежується частотою fH, на якій коефіцієнт посилення знижується до 0,7 середньочастотного значення, тобто Kн=0,7K0. В області середніх частот, що становлять основну частину робочого діапазону підсилювача, коефіцієнт підсилення K практично не залежить від частоти. В області верхніх частот fB зниження посилення Kв обумовлено ємністю С=/=Свих+См+Свх (де Свіх - ємність підсилювального елемента каскаду; См - ємність монтажу, Свх - ємність підсилювального елемента наступного кас-каду). Цю ємність завжди прагнуть звести до мінімуму, щоб обмежити через неї струм сигналу та забезпечити великий коефіцієнт посилення. Розрахунок резисторного каскаду попереднього посилення. Вихідні дані: смуга посилюваних частот fн-fв = 100-4000 Гц, коефіцієнт частотних спотворень MH Підсилювачі з трансформаторним зв'язком. Каскади попереднього посилення з трансформаторним зв'язком забезпечують краще-узгодження підсилювальних каскадів у порівнянні з каскадами з резисторним ємнісним зв'язком і застосовуються як інверсні для подачі сигналу на двотактний вихідний каскад. Нерідко трансформатор використовують як вхідний пристрій. Схеми підсилювальних каскадів з послідовним та паралельним включенням трансформатора показані на. Схема з послідовно включеним трансформатором не містить резистора RK в колекторному ланцюгу, тому володіє більш високим вихідним опором каскаду, рівним вихідному опору транзистора, і застосовується частіше. У схемі з паралельно включеним трансформатором потрібно перехідний конденсатор С. Недоліком цієї схеми є додаткові втрати потужності сигналу в резисторі RK і зниження вихідного опору внаслідок дії шунтуючого цього резистора. Навантаженням трансформаторного каскаду зазвичай служить відносно низький вхідний опір наступного каскаду. У цьому випадку для міжкаскадного зв'язку використовують понижуючі трансформатори з коефіцієнтом трансформації n2=*RB/R"H Частотна характеристика підсилювача з трансформаторним зв'язком має зниження коефіцієнта посилення в області нижніх та верхніх частот. В області нижніх частот спад коефіцієнта посилення каскаду пояснюється зменшенням індуктивного опору обмоток трансформатора, внаслідок чого зростає їх шунтуюча дія вхідний і вихідний ланцюгів каскаду і знижується коефіцієнт посилення К=Kо/. На середніх частотах впливом реактивних елементів можна знехтувати. В області верхніх частот на коефіцієнт посилення впливають ємність колекторного переходу Ск і індуктивність розсіювання ls обмоток трансформатора. На деякій частоті ємність Ск і індуктивність Is можуть викликати резонанс напруги, внаслідок чого на цій частоті можливий підйом частотної характеристики. Іноді цим користуються для корекції частотної характеристики підсилювача. Підсилювачі низької частоти в основному призначені для забезпечення заданої потужності на вихідному пристрої, в якості якого може бути - гучномовець, головка магнітофона, що записує, обмотка реле, котушка вимірювального приладу і т. д. Джерелами вхідного сигналу є звукознімач, фотоелемент і всілякі перетворювачі неелектричних величин електричні. Як правило, вхідний сигнал дуже малий, його значення недостатньо для нормальної роботи підсилювача. У зв'язку з цим перед підсилювачем потужності включають один або кілька каскадів попереднього посилення, що виконують підсилювачі функції напруги. У попередніх каскадах УНЧ як навантаження найчастіше використовують резистори; їх збирають як у лампах, і на транзисторах. Підсилювачі на біполярних транзисторах зазвичай збирають за схемою із загальним емітером. Розглянемо роботу такого каскаду (рис. 26). Напруга синусоїдального сигналу u вхподають на ділянку база – емітер через розділовий конденсатор З р1що створює пульсацію струму бази щодо постійної складової I б0. Значення I б0визначається напругою джерела Є дота опором резистора R б. Зміна струму бази викликає відповідну зміну струму колектора, що проходить по опору навантаження R н. Змінна складова струму колектора створює на опорі навантаження R kпосилене за амплітудою падіння напруги u вих. Розрахунок такого каскаду можна здійснити графічно з використанням наведених на рис. 27 вхідних та вихідних характеристик транзистора, включеного за схемою з ОЕ. Якщо опір навантаження R нта напруга джерела Є дозадані, то положення лінії навантаження визначається точками Зі D. При цьому крапка Dзадана значенням Є до, а крапка З- Струмом I до =Є до/R н. Лінія навантаження CDперетинає сімейство вихідних показників. Вибираємо робочу ділянку на лінії навантаження так, щоб спотворення сигналу при посиленні були мінімальними. Для цього точки перетину лінії CDз вихідними характеристиками повинні бути в межах прямолінійних ділянок останніх. Цій вимогі відповідає ділянка АВлінії навантаження. Робоча точка при синусоїдальному вхідному сигналі знаходиться в середині цієї ділянки – точка Про. Проекція відрізка AO на вісь ординат визначає амплітуду колекторного струму, а проекція того ж відрізка на вісь абсцис – амплітуду змінної складової колекторної напруги. Робоча точка Oвизначає струм колектора I к0та напруга на колекторі U ке0відповідні режиму спокою. Крім того, точка Oвизначає струм спокою бази I б0, а отже, і положення робочої точки O"на вхідній характеристиці (рис. 27, а б). Крапкам Аі Увихідних характеристик відповідають точки А"і В"на вхідній характеристиці. Проекція відрізка А "O"на вісь абсцис визначає амплітуду вхідного сигналу U вх т, коли буде забезпечено режим мінімальних спотворень. Суворо кажучи, U вх т, необхідно визначати за сімейством вхідних характеристик. Але оскільки вхідні характеристики при різних значеннях напруги U ке, відрізняються незначно, на практиці користуються вхідною характеристикою, що відповідає середньому значенню U ке=U ке 0.
