Размещено на http://www.allbest.ru/

Каскады предварительного усиления

Резистивный каскад ОЭ

Основным видом каскадов предварительного усиления являются резистивные каскады, так как они обеспечивают равномерное усиление в достаточно широкой полосе частот при крайней простоте схемы, а также малых габаритах и низкой стоимости ее элементов. Отсутствие индуктивностей сводит к минимуму паразитные взаимные влияния между каскадами, а также влияния внешних полей.

Наиболее часто применяются резистивные каскады ОЭ с эмиттерной стабилизацией (см. рис. 5.5), как обеспечивающие наибольшее усиление по мощности при достаточно высокой стабильности исходного режима. Кроме того, каскады ОЭ имеют относительно большое входное сопротивление, что позволяет в достаточной степени использовать усилительные свойства транзистора предшествующего каскада без специальных мер согласования между каскадами.

Выбор исходного режима

Естественно, что однотактный каскад предварительного усиления может работать только в режиме А. При этом должны быть приняты меры к возможному снижению величин E_к и I_к0. Степень допустимого снижения этих величин оказывается тем большей, чем меньше напряжения, токи и мощности сигналов, усиливаемых каскадом. Помимо уменьшения потребляемой каскадом мощности, снижение Е_к позволяет получить требуемую степень подавления паразитной обратной связи за счет общего источника питания усилителя и необходимое сглаживание пульсаций питающего напряжения при меньшей величине емкости развязывающего фильтра, а снижение I_к0 уменьшает уровень собственных шумов транзистора. Следует, однако, иметь в виду, что чрезмерное снижение Е_к и I_к0 может привести к уменьшению и повышению влияния начального тока I_кн.

При значительных величинах усиливаемого сигнала необходимо учитывать, что в исходном режиме напряжение U_кэ0 и рассеиваемая транзистором мощность P₀ = U_кэ0I_к0 P_к не должны превышать допустимых для данного транзистора значений при максимальной температуре так же, как и максимальные мгновенные значения напряжения u_{кэ max} и i_{к max} - их допустимые величины.

Ввиду наличия емкости С_с, связывающей рассматриваемый каскад с последующим по переменному току и изолирующей их по постоянному току (см. рис.5.5), нагрузкой каскада по постоянному току является резистор R_к.

При малом уровне сигналов (порядка нескольких милливольт) для определения исходного режима необязательно прибегать к построению динамических характеристик и можно ограничиться приводимыми ниже приближенными соотношениями.

Исходный ток коллектора рассчитываемого каскада

I_к0 (1,3…1,5)I_{вх сл}, (1)

где I_{вх сл} - амплитуда тока входной цепи следующего каскада. Выбор I_к0 с указанным в (1) превышением по отношению к I_{вх сл} объясняется тем, что: во-первых, амплитуда тока в выходной цепи рассчитываемого каскада I_к обычно в 1,2…1,3 раза больше I_{вх сл} за счет токов через сопротивление R_к данного каскада и сопротивления плеч делителя смещения следующего каскада (R_{a сл} и R_{b сл}), которые для переменного тока включены все параллельно входной цепи транзистора этого каскада; во-вторых, необходимо иметь некоторый дополнительный запас по величине I_к0 во избежание нелинейных искажений или даже отсечки тока при возможных превышениях уровня входного сигнала.

Исходное напряжение между коллектором и эмиттером

U_кэ0 = Ек - I_к0(R_к +R_э). (2)

Здесь ; (3)

, (4)

причем Е_к - выбранное напряжение питания.

Обычно принимают U_кэ0 = (3…7) В. Напряжение смещения базы U_бэ0, необходимое для получения при номинальной температуре требуемого тока I_к0 при U_кэ0, соответствующем (2), определяется из статической входной характеристики для среднего значения напряжения U_кэ (см. рис. 4.4).

Сопротивления делителя смещения R_a и R_b, как параметры, обеспечивающие при выбранных значениях Е_к, I_к0, R_к и R_э необходимую величину U_бэ0 и заданный коэффициент нестабильности S, рассчитываются:

, (5)

, (6)

. (7)

Определение технических показателей каскада на средних частотах

Сопротивление нагрузки каскада переменному току R_2~ вследствие шунтирующего действия входных цепей последующего каскада значительно меньше, чем для постоянного тока. На средних частотах, где влиянием емкостей С_с и С_{э сл} можно пренебречь (см. параграф 1.4)

. (8)

Небольшая величина этого сопротивления (порядка сотен или десятков ом) дает основание считать режим нагрузки каскада близким к режиму короткого замыкания. В соответствии с этим K_{I0 0}^**) Условимся сопровождать в дальнейшем величины, относящиеся к средним частотам, индексом 0.⁾.

С учетом потерь тока в цепях коллектора и делителя смещения коэффициент усиления по току каскада ОЭ

. (9)

Величины K_E0, R_вх и R_вых для средних частот могут быть рассчитаны на основе приближенных выражений табл. 3.2. При этом должно быть учтено наличие делителей смещения базы рассчитываемого и последующего каскадов. В частности, если предшествующий каскад представляет собой каскад ОБ или ОЭ, сопротивление источника сигналов для переменного тока

, (10)

где R_a и R_b - сопротивления делителя смещения рассматриваемого каскада, а R_кпр - внешнее сопротивление коллекторной цепи, предшествующего каскада (выходным сопротивлением транзистора предшествующего каскада R_выхпр можно пренебречь, т.к. обычно R_выхпр >> R_кпр).

Таким образом, величина коэффициента передачи по отношению к Е₁ (сквозного коэффициента передачи)

. (11)

Положив в выражении (11) R_1~ = 0, получаем значение коэффициента усиления по напряжению для каскада ОЭ

. (11а)

На основании табл. 3.2 и выражения (9) коэффициент усиления по мощности

. (12)

Первичные параметры транзистора r_э, r_б и r_к, необходимые для определения K_E0, K_U0 и K_I0, находятся из выражений (3.7)…(3.14).

Коэффициент гармоник при малом уровне сигналов ввиду незначительной величины нелинейных искажений обычно не рассчитывается.

Влияние емкостей С_с и С_э

В рассматриваемом каскаде (рис. 5.5) частотные искажения в области низших частот вызываются переходной емкостью С_с и емкостью С_э, шунтирующей по переменному току сопротивление R_э. Воспользовавшись схемой замещения рис. 1.6б и имея в виду, что R_к - внешнее сопротивление цепи коллектора, а R_н = R_вхсл - эквивалентное входное сопротивление следующего каскада, получим в соответствии с [1] выражение для относительного усиления

, (13)

где f _c - частота среза за счет влияния емкости С_с (см. параграф 1.4),

. (14)

Здесь ,

где R_вхсл = r_бсл + r_эсл(_0сл+1).

Из выражения (13) видно, что наличие переходной емкости С_с приводит к спаду амплитудно-частотной характеристики.

Физически это объясняется снижением величины выходного тока и его опережением по фазе, происходящим по мере уменьшения частоты.

При f 0, _c /2 (см. рис.1.8).

Задавшись допустимым значением коэффициента частотных искажений на самой низшей частоте диапазона, из (13) и (14) можно определить минимальную необходимую величину переходной емкости

мкФ. (15)

Емкость конденсатора, шунтирующего сопротивление в цепи эмиттера R_э (рис. 5.5) определяется в соответствии с [1] как

мкФ, (16)

где частота среза, обусловленная влиянием С_э,

, (17)

а y_н - общая неравномерность частотной характеристики на низких частотах, учитывающая суммарные искажения за счет емкостей С_с и С_э. Этой величиной следует задаваться.

Входящий в выражение (17) параметр представляет собой глубину отрицательной обратной связи по току, создаваемой сопротивлением R_э на частоте f 0 и определяется как

. (18)

Резистивный каскад ОЭ с неблокированным сопротивлением в цепи эмиттера

Схема каскада с неблокированным сопротивлением R_э отличается от изображенной на рис. 5.5 только отсутствием емкости С_э. Выбор исходного режима и его стабилизация ничем не отличается от рассмотренных выше, т.к. отсутствие емкости С_э для постоянного тока ничего не меняет. Особые свойства каскада с неблокированным сопротивлением R_э проявляются в режиме переменного тока, когда это сопротивление, не шунтируемое емкостью, образует внешнюю частотно-независимую отрицательную обратную связь по току последовательного типа. В результате действия указанной обратной связи возрастает входное сопротивление каскада, что позволяет получить от предшествующего каскада большее усиление по напряжению или повысить использование ЭДС источника сигналов. Кроме того, стабилизируются основные технические показатели каскада, т.к. уменьшается влияние разброса параметров транзистора. В то же время резко уменьшается усиление по напряжению рассматриваемого каскада и возрастает его выходное сопротивление. Последнее, правда, не имеет существенного значения, поскольку при R_вых >> R_к параллельное соединение

.

Все технические показатели этого каскада для средних частот могут быть получены из соответствующих выражений для каскада с шунтированным С_э сопротивлением R_э (табл. 3.2) путем замены в них параметра r_э величиной R_э + r_э R_э. Если R_э >> r_б, то

R_вх R_э(₀+1). (19)

При этом условии и при R₁ 0, как это следует из табл. 3.2,

; (20)

R_вых r_к. (21)

Расчет частотных искажений на низших частотах, возникающих за счет переходной емкости С_с, остается без изменений и выполняется с помощью выражений (13)…(15). Влияние на частотную характеристику емкости С_э отсутствует.

В некоторых случаях применяют компромиссный вариант с шунтированием емкостью С_э лишь части R_э2 общего сопротивления эмиттерной цепи R_э = R_э1 + R_э2, определяемого выбором исходного режима и его стабилизацией (рис. 1). При этом входное сопротивление каскада увеличивается в меньшей степени так же, как и стабильность его технических показателей, зато обеспечивается уменьшение потерь усиления и меньшее возрастание выходного сопротивления.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчеты технических показателей для режима переменного тока производятся по тем же формулам, что и в случае отсутствия сопротивления в цепи эмиттера, но с заменой r_э на R_э1 + r_э.

Расчет емкости С_э выполняется по формулам (16), (17). однако в данном случае

; (22)

; (23)

; (24)

. (25)

Эмиттерный повторитель

При перенесении сопротивления нагрузки полностью в эмиттерную цепь отрицательная обратная связь по току превращается в отрицательную обратную связь по напряжению с коэффициентом обратной связи b = 1, и каскад ОЭ с неблокированным сопротивлением R_э превращается в каскад ОК или эмиттерный повторитель, схема которого приведена на рис. 2.9 (пункт 2.2.1).

Выбор исходного режима при малых уровнях сигналов можно производить приближенно, считая I_э0 I_к0 и используя выражение (1). Напряжение

U_эк0 = Е_к - I_к0R_э. (26)

Для повышения входного сопротивления каскада желательно увеличение R_э в пределах, определяемых минимально допустимой величиной U_кэ0 (как уже упоминалось, в первых каскадах усилителя U_эк0 = U_кэ0 = 3…7 В).

Напряжение смещения U_бэ0 находится также, как и для каскада ОЭ. Расчет сопротивлений делителя приведен в параграфе 1.

Технические показатели каскада на средних частотах

Коэффициент передачи по току по отношению ко входной цепи следующего каскада

, (27)

Где

. (28)

Коэффициент передачи по напряжению, определяемый в соответствии с табл. 3.2

, (29)

где R_2~ и R_1~ находятся из (28) и (10).

Величины R_вх, R_вых и K_P определяются из табл. 3.2 с учетом указанных значений R_2~ и R_1~.

В области низших частот влияние на частотную характеристику оказывает только переходная емкость С_с, которая учитывается так же как и в случае каскада ОЭ (см. выражение (15)). Различие состоит лишь в том, что выходное сопротивление R_вых = R_к в схеме, которая изображена на рис. 1.6, б, должно быть рассчитано как

. (30)

Широкополосные каскады усиления непрерывных колебаний

В широкополосных усилителях, предназначенных для усиления непрерывных колебаний в широком спектре частот (от 20 герц до нескольких десятков мегагерц), обычно оказывается необходимым применение частотной коррекции как в области высоких, так и в области низких частот.

Рассмотрим наиболее распространенные методы высокочастотной и низкочастотной коррекции каскада ОЭ.

Коррекция частотной характеристики в области высоких частот

Наиболее часто для коррекции частотной характеристики каскада в области высоких частот применяется частотно-зависимая отрицательная обратная связь по току образуемая в цепи эмиттера (эмиттерная обратная связь или эмиттерная коррекция АЧХ). Принципиальная схема каскада ОЭ с коррекцией такого вида представлена на рис. 2.

На рис. 2, а сопротивление резистора коррекции R₀ достаточно для получения требуемой стабильности по постоянному току, т.е. R₀ =R_э. В схеме рис. 2, б сопротивление резистора R₀ как элемента коррекции оказывается недостаточным, и последовательно с ним включается R_э, чтобы обеспечить R_э = R_э + R_э0. Параллельно R_э0 включена емкость С_э0, которая выбирается на несколько порядков меньше емкости С_э (рис. 2, б), вследствие чего шунтирующее действие С_э0 сказывается только в области высоких частот в то время, как на средних частотах емкостное сопротивление С_э0 значительно больше R_э0, что приведет к возникновению на этих частотах местной отрицательной обратной связи максимальной глубины, а, следовательно, снижению усиления (K_Е0 вместо K_Е0), что демонстрируется рисунком 3.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Как уже говорилось, емкость С_э0 выбирается так, чтобы на средних частотах не шунтировать R_э0, за счет которого образуется ООС по току последовательного типа, имеющая глубину

. (31)

В соответствии с этим сквозной коэффициент усиления на средних частотах при наличии ООС

, (32)

Размещено на http://www.allbest.ru/

где K_E0 - коэффициент усиления на средних частотах некорректированного каскада ОЭ (кривая 1, рис. 3). По мере увеличения частоты вследствие шунтирующего действия емкости С_э0 уменьшается глубина ООС по току, образуемой сопротивлением

, (33)

а коэффициент усиления каскада K_E возрастает. При этом в той или иной мере компенсируется спад коэффициента усиления, вызванный уменьшением на высоких частотах и влиянием емкости коллекторного перехода С_к (рис. 1.6, в). В результате коэффициент усиления K_E в области высших частот может оказаться равным его значению для средних частот K_E0 (кривая 2, рис. 3). Наличие максимума кривой 2 рис. 3 объясняется тем, что сначала по мере возрастания частоты увеличение коэффициента усиления, обуславливаемое снижением глубины обратной связи, с избытком компенсирует его уменьшение, вызванное указанными выше причинами, в результате чего усиление увеличивается. По мере дальнейшего возрастания частоты увеличение усиления ограничивается более интенсивным его спадом за счет и С_к на этих частотах.

Так как от широкополосного усилителя желательно иметь возможно большее усиление при достаточно широкой полосе равномерно усиливаемых частот, эффективность работы этого усилителя определяется коэффициентом добротности:

Д = K_E0f_{в гр}, (34)

где f_{в гр} - верхняя граничная частота, на которой усиление уменьшается по сравнению с усилением на средних частотах в раз, т.е. составляет 0,707 от усиления на средней частоте. При наличии эмиттерной коррекции коэффициент добротности каскада Д_кэ = K_E0f_{в кэ гр} за счет значительного увеличения f_{в кэ гр} по сравнению с f_{в гр} (рис. 3) оказывается больше Д (34)даже несмотря на уменьшение усиления (K_E0) на средних частотах. Отношение Д_кэ/Д характеризует выигрыш, получаемый за счет применения эмиттерной коррекции.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Помимо высокочастотной коррекции за счет эмиттерной обратной связи, в некоторых случаях применяют индуктивную коррекцию высоких частот, осуществляемую посредством индуктивности L_к, включаемой в коллекторную цепь (рис. 4).

Схема замещения скорректированного каскада ОЭ в интересующем нас диапазоне высоких частот представлена на рис. 4, б.

Здесь С₀ = С_к(₀ + 1) + С_м - эквивалентная емкость, включающая в себя емкость коллекторного p-n - перехода С_к(₀ + 1) и емкость монтажа С_м, влияние которых в области высоких частот оказывает шунтирующее действие на сопротивление нагрузки R_н и приводит к снижению усиления на этих частотах. Благодаря включению корректирующего дросселя L_к в коллекторной цепи образуется параллельный резонансный контур, создаваемый элементами С₀, L_к, R_к, который настраивается на частоту, близкую к наиболее высокой (интересующей нас) частоте усиливаемого диапазона. На частоте резонанса (резонанс токов) сопротивление активное и весьма большое, равное L_к/С₀R_к. При этом общее сопротивление коллекторной нагрузки транзистора возрастает, что и приводит к росту коэффициента усиления каскада на рассматриваемой частоте.

Коэффициент добротности каскада при использовании индуктивной коррекции

Д_ки = K_E0f_{в ки гр},

где f_{в ки гр} - граничная частота при индуктивной коррекции, а K_E0 - коэффициент усиления каскада в области средних частот, ибо введение корректирующего дросселя L_к не оказывает влияния на усиление в этой области частот.

Выигрыш от введения коррекции Д_ки/Д >> 1, более того, выигрыш при индуктивной коррекции оказывается большим, чем при эмиттерной, т.е. Д_ки > Д_кэ в связи с тем, что усиление на средних частотах при индуктивной коррекции K_E0 больше, чем при наличии эмиттерной коррекции K_E0 (см. рис. 3). Тем не менее, эмиттерная коррекция, основанная на применении отрицательной ОС, обеспечивает следующие существенные преимущества:

а) вследствие увеличения входного сопротивления скорректированного каскада увеличивается усиление по напряжению, обеспечиваемое предшествующим каскадом, поскольку указанное входное сопротивление является его нагрузочным сопротивлением;

б) повышается стабильность исходного режима работы транзистора за счет образования дополнительной ООС по постоянному току;

в) уменьшается влияние разброса параметров транзистора на величину усиления и частотную характеристику каскада.

Кроме того, в технологическом отношении предпочтительнее применение корректирующей емкости, а не корректирующей индуктивности.

Оба рассмотренных метода, помимо улучшения АЧХ, корректируют также и фазочастотную характеристику.

Коррекция частотной характеристики каскада ОЭ в области низких частот

каскад частота эмиттер резистивный

Для коррекции частотной характеристики в области низких частот может быть использовано звено С_фR_ф, включаемое в коллекторную цепь. Схема резистивного каскада ОЭ с коррекцией рассматриваемого вида приведена на рис. 5, а. На рис. 5, б приведена схема замещения по переменному току.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Как упоминалось в 1.4 и 1, наличие переходной емкости С_с приводит к снижению усиления на низких частотах и спаду амплитудно-частотной характеристики в этой области частот. Включаемое в коллекторную цепь звено С_фR_ф и призвано скомпенсировать искажения в указанной области частот. Емкость С_ф выбирается таким образом, что в области средних частот ее емкостное сопротивление значительно меньше R_Ф и поэтому полностью шунтирует указанное сопротивление. Таким образом, на средних частотах нагрузка в цепи коллектора определяется только величиной R_к. По мере уменьшения частоты емкостное сопротивление возрастает и на определенной низкой частоте становится значительно больше R_Ф, благодаря чему сопротивление в коллекторной цепи становится равным R_к + R_Ф. Это приводит к увеличению коэффициента усиления каскада K_E. Для получения эффективного действия коррекции необходимо, чтобы R_Ф было значительно больше R_к, а сопротивление цепи С_сR_н достаточно велико и практически не шунтировало коллекторную цепь R_к, R_Ф, C_Ф. Если при этом емкость конденсатора С_э настолько велика, что можно считаться только с искажениями, создаваемыми переходной цепью С_с, то в этом случае параметрами коррекции являются безразмерные величины

и . (35)

Параметр b обычно лежит в пределах 0,3…0,7, а m = 0,6…1,4.

Рассмотренный метод корректирует также и фазочастотную характеристику каскада.

Размещено на Allbest.ru