Апериодические усилительные каскады в режиме малого сигнала

Усилительный каскад на n-p-n транзисторе по схеме с ОЭ с фиксированным током базы

Схема с ОЭ с коллекторной стабилизацией

Схема с ОЭ с эммитерной термостабилизацией

Схема с ОК

Резисторы R_Б ,R_К , R₁, R₂ –обеспечивают режим транзисторов по постоянному току.

Разделительные конденсаторы не могут усиливать постоянный сигнал, и нужны для сохранения постоянной составляющей. Разделительные емкости предназначены для устранения взаимного влияния по постоянному току, поэтому положение рабочей точки не зависит от подключения источника сигнала и резистора нагрузки. Фильтрующая емкость служит для предотвращения попадания сигнала в цепь источника питания и устранения паразитной связи между каскадами возникающей за счет общего источника питания. Блокировочный конденсатор С_БЛ шунтирует резистор R_Э в рабочем диапазоне частот, тем самым устраняя отрицательную обратную связь по току на частоте сигналов.

Схема с ОБ с эммитерной термостабилизацией

Для схемы с ОБ входной сигнал подается через разделительный конденсатор С_R1 между эммитером и базой, так как база транзистора через конденсатор С_БЛ подключена к корпусу. Нагрузка R_N подключена к коллектору посредством конденсаторов С_БЛ и С₂ .

Многокаскадные Усилители.

Междукаскадные связи

Для получения не искаженной формы и заданной мощности полезного сигнала на выходе усилителя необходимо применять несколько каскадов усиления.

Между этими каскадами существуют различные связи.

· Через разделительные конденсаторы (Емкостная связь).

· С помощью трансформатора (Трансформаторная связь).

· Непосредственная (Гальваническая связь).

В усилителях низкой частоты распространена емкостная связь.

Непосредственная связь (Гальваническая)

Трансформаторная связь

6. Каскады предварительного усиления; оконечные усилительные каскады; широкополосные и импульсные усилители; функциональные устройства на ОУ.

Усилители осуществляют увеличение энергии управляющего сигнала, за счет энергии вспомогательного источника. Входной сигнал является. как бы шаблоном, в соответствии с которым регулируется поступление энергии от источника к потребителю усиленного сигнала.

Каскады предварительного усиленияпредназначены для повышения уровня сравнительно слабого сигнала. Эти каскады принято классифицировать по характеру сопротивления нагрузки в выходной цепи транзистора. Наибольшее применение получили резистивные УК, сопротивлением нагрузки которых служит рез-ор.

Рис.1. УК на n-p-n транзисторе по схеме с ОЭ с фиксированным током базы

Рис.2. УК на n-p-n транзисторе по схеме с ОЭ и коллекторной термостабилизацией

Рис.3. УК на n-p-n транзисторе по схеме с ОЭ и эмиттерной термостабилизацией

Одиночный УК содержит: транзистор, цепь смещения раб. точки, цепь питания коллекторной цепи, цепь вх. сигнала и цепь нагрузки. Резисторы Rк, Rэ, Rб, R1,R2 обеспечивают режим транзистора по постоянному току. Разделительные емкости Ср1 и Ср2 предназначены для устранения взаимного влияния по постоянному току предыдущей части схемы на последующую и наоборот. В результате между указанными частями схемы отсутствует гальваническая связь по постоянному току, то положение раб. т. не зависит от подключения источника сигнала и резистора нагрузки. Конденсатор фильтра Сф служит для предотвращения попадания сигнала в цепь источника питания и устранения паразитной связи между каскадами, возникающей за счет общего источника питания. Блокировочный конденсатор Сэ шунтирует рез-ор Rэ в рабочем диапазоне частот и тем самым устраняет отрицательную обратную связь по току на частоте сигнала.

Рис.4. УК на n-p-n транзисторе по схеме с ОБ и эмиттерной термостабилизацией

Рис.5. УК на n-p-n транзисторе по схеме с ОК и эмиттерной термостабилизацией

Для схемы с ОБ входной сигнал подается через разделительный конденсатор с-Ср1 между эмиттером и базой, т.к. база транзистора через конденсатор Сбл1 соединена с землей. Нагрузка Rн подключена к точкам Б и К посредством конденсаторов Ср2 и Сбл1.

На рис. 5 термостабилизация рабочей точки осуществлена схемой эмиттерной термостабилизацией. Входной сигнал подается на базу, а нагрузка подключена к эмиттеру.

Сравнительная оценка УК. Самое высокое Rвх имеет схема с ОК. Самое низкое – ОБ. Самое низкое Rвых – ОК. Самое высокое – ОБ. Более высокий Ku~ могут иметь схемы с ОЭ и ОБ. ОК всегда имеет коэф-т усиления по напряжению <1. Макс. K_I~ им. схемы с ОК и ОЭ.

ОЭ: Rвх=R1||R2||rвх; rвх=rб+(1+β)(Rэ+rэ), где β-коэф-т передачи тока базы; Rвых=Rk||rk*; коэф-т усиления по напр-ю K_U~=β[(γвхγвых)/(Rг+Rвх)]Rн≈Rк/Rэ, где γвх-коэф-т передачи тока вх. цепи, γвых- коэф-т передачи тока вых. цепи; γвх=Rб/(Rб+rвх); γвых=Rк/(Rк+Rн); K_I~= γвх γвых β; K_P~= γвх² γвых² β² Rн/(Rг+Rвх).

ОК:

Rвх=R1||R2||rвх

rвх=rб+(1+β)[(rэ+Rэ||Rн)||rк*];

Rвых=Rэ||(([Rг||Rб]+rб)/(1+β)+rэ);

K_U~= γвх (1+β)(Rн||Rэ||rк*)/(Rг+Rвх);

γвх=Rб/(Rб+rвх);

γвых=Rэ/(Rэ+Rн);

K_I~= γвх γвых (1+β);

K_P~=(Rн||Rэ||rк*) γвх² γвых (1+β)² /(Rг+Rвх).

ОБ:

Rвх=Rэ||rвх;

rвх=rэ+(1-α)rк,

где α -коэф-т передачи тока эмиттера;

Rвых=Rк||(rб+rк);

K_U~= γвх γвых α Rн/(Rг+Rвх);

γвх=Rэ/(Rэ+rвх);

γвых=Rк/(Rк+Rн);

K_I~= γвх γвых α;

K_P~= γвх² γвых² α ² /(Rг+Rвх).

Оконечные УК. Выходная мощность, отдаваемая нагрузке, создается оконечными каскадами, представляющими собой каскады усиления мощности. Выходные каскады усиления или усилители мощности служат для обеспечения в нагрузке заданной мощности переменного сигнала. Они бывают:1) однотактными: транзистор работает в классе А, когда токи в транзисторе существуют в течении всего периода колебания входного сигнала. Раб. т. лежит на середине линейного участка сквозной характеристики управления. Чаще всего координаты этой точки соответствуют номинальному току коллектора и номинальному коллекторному напряжению. Недостаток класса А: теоретический низкий КПД коллекторной цепи. 2) двухтактными: позволяет достигнуть существенно > мощности неискаженного усиления и более выс. КПД. Схема двухтактного эмиттерного повторителя на транзисторах противоположных типов, но с идентичными пар-ми, образующих комплементарную пару:

Рис.6. Двухтактная схема класса В с симметричными источниками питания.

Для питания коллекторной цепи используются 2 одинаковых источника питания, создающих обр. включение коллекторных переходов. Резисторы R1 и R2 одинаковы и при Uвх~=0 они фиксируют потенциал баз транзисторов, = потенциалу корпуса.

Широкополосные и импульсные усилители. Для усиления сигнала чаше всего используют монолитные интегральные схемы (ИС). Для достижения наилучших резисторов, в некоторых задачах используют специально разработанные ИС. К классу таких решений относятся схемы широкополосных и импульсных усилителей.

Широкополосные усилители (ШУ) обладают сравнительно большим динамическим диапазоном, и высокой линейностью амплитудной характеристики. Составляющие усиливаемого сигнала, занимающие полосу частот fmin..fmax, должны в одинаковой степени усиливаться усилителем, чтобы сохранить характер сигнала. При разработке схемы усилителей, верхняя граничная частота которых превышает 100 кГц, следует принимать во внимание некоторые их особенности, основные причины, которых - влияние на величину граничной частоты ШУ:1) частотная зависимость коэффициентов усиления по току реальных транзисторов, кот. определяется их технологическими параметрами; 2) наличие паразитных емкостей, которые с внешними сопротивлениями образуют ФНЧ.

Импульсные усилители (ИУ) предназначены для усиления импуль­сов, имеющих широкий спектр частот. Нижняя частота усиливае­мых колебаний может быть порядка единиц или десятков Герц, а верхняя-порядка нескольких мегагерц.

Для испытания ИУ на их вход подается прямоугольный импульс достаточно большой длительности τ и имеющий плоскую вершину и крутой фронт.

Рис.7. Испытательный прямоугольный импульс и отклик на него ИУ: а)импульс на входе усилителя, б)фронт и начальная часть вершины выходного импульса.

Время от начала подачи вх. импульса до момента вре­мени, когда высота вых. импульса достигает половины уста­новившегося значения, наз. временем задержки или време­нем запаздывания tз. Если вх. измерительный импульс силь­но отличается от идеального прямоугольного импульса, то за на­чало отсчета берут время, соответствующие середине фронта вх. импульса.

Длительность фронта вых. импульса характеризуют вр. нарастания t_H.За время нарастания мгновенное значение вых. импульса изменяется от 0,1 до 0,9 установившегося значения. Длительность переходного процесса характеризуют время установления t_уст в течение кот-го вых. напряжение изме­няется от 1-го пересечения уровня 0,1 до последнего пересече­ния с уровнем 0,9 от установившегося значения.

Функциональные устройства на ОУ. ОУ применяют в линейных схемы в качестве:

1)усилителей постоянного тока, где вых. напряжения изменяется при изменении уровня постоянного напряжения на входе.

2)усилители переменного тока, когда ОУ дает отклик на сигнал переменного тока и не реагирует на сигнал пост-го тока. 3) ОУ в стабилизаторах напряжения. При малых токах нагрузки ОУ используют как источник стабилизированного напряжения. 4) ОУ как дифференциатор. Когда вых. напряжение является производной от формы вх. сигнала. 5) ОУ как интегратор. Когда вых. напряжение представляет собой интеграл от вх. напряжения со знаком «-».

ОУ применяются в нелинейных схемах в качестве:

1]ограничитель напряжения. Когда шкала вх. напряжений велика для вх. напряжений некоторых схем, прибегают к ограничению сигнала с использованием спец. схемы включения ОУ.

2]детектор нуля. При включении ОУ без обратно связи усилитель очень чувствителен к изменениям вх. напряжений. 3] выделения абсолютной величины сигнала. Вых. сигнал отклоняется только в положительную сторону независимо от полярности вх. сигнала. 4] схемы выборки – хранения.

5] малосигнального диода. Использование ОУ без обратной связи.

6] компаратора. Компаратор служит для сравнения двух напряжений. Одно из этих напряжений явл. опорным, а др. – изменяющееся во времени напряжение сигнала.

ОУ применяют в схемах генераторов сигналов: - синусоидальной формы.

- прямоугольной формы.

- треугольной формы.

- пилообразных колебаний.

ОУ прим. в цифровых схемах в качестве:

- триггера Шмита, который служит для получения на выходе сигнала, переключающегося скачком при достижении на его вх. некоторого предварительно заданного уровня.

- ждущего мультивибратора, кот. выдает на вых. импульс напр-ия определенной длительности t после возбуждения сх импульсом запуска большой или малой длительности.