Слайд 1Основы схемотехники.
Тема: Межкаскадные связи. Схемы стабилизации
Ктн.,доц Долин Георгий Аркадьевич
Телефон мобильный:
8-926-610-9859, 8-925-603-6373
E-mail: dolin1974@gmail.com, george-dolin@yandex.ru,
georgedolin@hotmail.com, e-seminar@mail.ru
skype dolin-george
Слайд 2КАК ВЫБРАТЬ ПОЛОЖЕНИЕ РАБОЧЕЙ ТОЧКИ
Рис. 3. Входная характеристика
транзистора
Рис. 4.
Выходная характеристика
транзистора
Зависимость тока входного электрода от напряжения на нем
при постоянном напряжении выходного электрода называется входной статической характеристикой (рис. 3). Другими словами, для транзистора, включенного по схеме ОЭ, входная статическая характеристика представляет собой зависимость тока базы от напряжения на базе при неизменном напряжении на коллекторе. Если напряжение на коллекторе меняется, то характеристика тоже изменяется. Обычно снимают не одну, а семейство входных характеристик для различных напряжений UK3.
Выходной статической характеристикой (рис. 4) называется зависимость . тока выходного электрода транзистора от напряжения на этом электроде при неизменном токе входного электрода. При включении транзистора по схеме ОЭ — это зависимость тока Iк от напряжения UK3 при неизменном токе базы IБ.
Слайд 3КАК ВЫБРАТЬ ПОЛОЖЕНИЕ РАБОЧЕЙ ТОЧКИ
Рис. 3. Входная характеристика
транзистора
Рис. 4.
Выходная характеристика
транзистора
Статические характеристики предполагают, что в коллекторную цепь транзистора
не включено сопротивление нагрузки.
Если такое сопротивление есть, то изменение тока коллектора происходит не только под действием изменения тока или напряжения на базе, но и под действием изменения напряжения на самом коллекторе.
Это последнее изменение происходит потому, что при изменении коллекторного тока, протекающего через резистор нагрузки RK, происходит изменение падения напряжения на этом резисторе. А это значит, что в процессе усиления переменного сигнала на коллекторе транзистора, напряжение изменяется непрерывно и транзистор как бы непрерывно переходит с одной выходной статической характеристики на другую.
Слайд 4КАК ВЫБРАТЬ ПОЛОЖЕНИЕ РАБОЧЕЙ ТОЧКИ
Рис. 3. Входная характеристика
транзистора
Рис. 4.
Выходная характеристика
транзистора
Построим на выходной статической характеристике линию, которая будет
характеризовать ток коллектора в зависимости от изменяющегося коллекторного напряжения. Такую линию называют нагрузочной (динамической) выходной или рабочей характеристикой транзистора. Для ее построения предположим вначале, что транзистор заперт и ток коллектора равен нулю: Iк= =0. В этом случае напряжение на коллекторе равно напряжению Ек его источника питания, так как падение напряжения на нагрузке Rк отсутствует. На оси напряжений UКэ семейства статических выходных характеристик найдем точку, соответствующую иКэ — Ек. Эту точку нулевого тока обозначим М. Теперь найдем вторую крайнюю точку динамической характеристики из предположения, что напряжение на коллекторе транзистора иKЭ = 0, т. е. транзистор замкнут накоротко. В этом случае ток коллектора Ik=Ek/Rk.
Слайд 5КАК ВЫБРАТЬ ПОЛОЖЕНИЕ РАБОЧЕЙ ТОЧКИ
Рис. 3. Входная характеристика
транзистора
Рис. 4.
Выходная характеристика
транзистора
В действительности коллекторный ток таким быть не может,
так как при нулевом коллекторном напряжении транзистор вообще не работает. Отметим, что теоретический максимальный ток на оси токов семейства статических коллекторных характеристик соответствует точке N. Таким образом, получили две крайние точки динамической выходной характеристики. Остальные точки лежат на прямой, соединяющей их. Так как уравнение Uk=Ek — IkRk — уравнение прямой линии, через точки М и N проведем прямую, которая и есть выходная динамическая характеристика. Если изменить сопротивление нагрузки Rк, например увеличить его до R‘K, то ток I‘k = Ek/R‘k станет меньше Ik = EК/Rk и точка N опустится, а динамическая характеристика наклонится вниз, повернувшись вокруг точки М. При RK — oo коллекторный ток прекратится. Наоборот, если уменьшить Rk, то коллекторный ток увеличится и динамическая характеристика поднимется.
Слайд 6КАК ВЫБРАТЬ ПОЛОЖЕНИЕ РАБОЧЕЙ ТОЧКИ
Рис. 3. Входная характеристика
транзистора
Рис. 4.
Выходная характеристика
транзистора
Далее находят точки пересечения выходной динамический характеристики со
статическими характеристиками при различных токах базы. Затем определяют соответствующие напряжения коллектора UK3 этих точек и строят по характеристике IБ(UКэ) точки динамической входной характеристики (см. рис. 3).
Как видно из рис. 3, входная динамическая характеристика нелинейная (хотя и получена с помощью линейной выходной характеристики). Следовательно, во входной цепи усилителя возникают нелинейные искажения, т. е. если синусоидальное напряжение UБЭ входной цепи достаточно велико, то ток IБ будет нелинейным.
Слайд 7КАК ВЫБРАТЬ ПОЛОЖЕНИЕ РАБОЧЕЙ ТОЧКИ
Рис. 3. Входная характеристика
транзистора
Рис. 4.
Выходная характеристика
транзистора
Обычно в справочниках не приводят семейства входных статических
характеристик для схемы ОЭ и для ОБ. Объясняется это тем, что коллекторное напряжение слабо влияет на входной ток, поэтому обычно ограничиваются двумя входными статическими характеристиками: при UКЭ =0 и 5 В.
Если особой точности не требуется, то можно считать, что входная динамическая характеристика совпадает по форме с входной статической характеристикой при UКЭ= =5 В. При этом в действительности искажения в каскаде будут меньше, так как нелинейность входной динамической характеристики меньше нелинейности, входных статических характеристик.
Слайд 8КАК ВЫБРАТЬ ПОЛОЖЕНИЕ РАБОЧЕЙ ТОЧКИ
Рис. 3. Входная характеристика
транзистора
Рис. 4.
Выходная характеристика
транзистора
Если теперь подать на базу транзистора переменное напряжение,
то рабочая точка Т будет непрерывно перемещаться по динамической характеристике в соответствии с мгновенными значениями входного напряжения.
Если положение рабочей точки, напряжения питании и сам транзистор выбраны неправильно, то могут появиться значительные искажения.
Слайд 9КАК ВЫБРАТЬ ПОЛОЖЕНИЕ РАБОЧЕЙ ТОЧКИ
Рис. 5. Схема усилительного
транзисторного каскада
На
рис. 5 показана принципиальная схема простейшего усилительного каскада при включении
транзистора по схеме ОЭ. Каскад содержит два источника питания: Ек — коллекторного напряжения и Еб — напряжения смещения. В реальном усилительном каскаде напряжение смещения получают от источника коллекторного напряжения. Сделаем два опущения. Первое: нагрузка RK каскада одинакова для постоянного и переменного токов. Такое допущение справедливо-только в том случае, когда выходное напряжение каскада подается на устройство с очень большим входным сопротивлением. В нашей схеме роль такого сопротивления играет сопротивление резистора Ru переходной цепи, т. е. первое допущение справедливо, если Rn>RK. Однако в реальных условиях роль резистора. Ra играет небольшое входное сопротивление следующего каскада, поэтому нагрузка транзистора для постоянного тока не равна нагрузке для переменного тока. Второе допущение: внутреннее сопротивление источника сигнала будем считать одинаковым для постоянного и переменного токов (хотя в действительности это не так).
Слайд 10КАК ВЫБРАТЬ ПОЛОЖЕНИЕ РАБОЧЕЙ ТОЧКИ
Рис. 5. Схема усилительного
транзисторного каскада
Работа
усилительного каскада зависит от исходного режима, т.е. от положения рабочей
точки Т на характеристиках при отсутствии сигнала (режим по постоянному току) и от амплитуды входного сигнала.
Как видно из характеристик на рис. 3 и 4, исходный режим по постоянному току, т. е. исходное положение рабочей точки Т на характеристиках, зависит от напряжения источника смещения Еб, так как именно этим напряжением определяется (при отсутствии входного сигнала) ток базы IБ, а следовательно коллекторный ток Iк и напряжение UКэ. Таким образом, изменяя напряжение смещения на базе Е6, можно установить необходимое исходное положение рабочей точки Т на выходной характеристике транзистора.
Каким же должно быть это положение?
Слайд 11КАК ВЫБРАТЬ ПОЛОЖЕНИЕ РАБОЧЕЙ ТОЧКИ
Рис. 6. График работы
усилительного
транзисторного
каскада
Если неправильно выбрать положение рабочей точки Т (рис. 6), то транзистор в
процессе усиления будет периодически находиться в режиме насыщения (когда коллекторный ток максимален и не увеличивается, несмотря на продолжающееся увеличение амплитуды входного сигнала), либо в режиме отсечки (когда коллекторный ток минимален из-за запирания транзистора).
В обоих случаях усиление сигнала будет происходить со значительными нелинейными искажениями, т. е. форма выходного тока усилительного каскада не будет соответствовать форме входного усиливаемого сигнала.
Поэтому положение точки Т на выходной характеристике должно удовлетворять условиям:
|Uкт|> UКэт+UКЭmin; | UКЭT| + UKЭm
Слайд 12КАК ВЫБРАТЬ ПОЛОЖЕНИЕ РАБОЧЕЙ ТОЧКИ
Рис. 6. График работы
усилительного
транзисторного
каскада
Таким образом, выяснив из приведенных соотношений исходное положение точки Т на выходной
динамической характеристике, определяют соответствующей этому положению исходный ток базы IБT (см. рис. 4 — для нашего случая IБт = 0,6 мА). Затем, отыскав на входной динамической характеристике точку, соответствующую IБТ, определяют необходимое для создания этого тока напряжение смещения на базе U БЭ (по рис. 3 току IБГ = 0,6 мА необходимо напряжение смещения на базе UБ=0,37 В).
Однако надо учитывать и мощностные возможности транзистора. Ведь, произведение напряжения Uкэ , соответствующее точке Т, на ток коллектора Iк г — это мощность Рк, рассеиваемая на транзисторе в состоянии покоя. Она не должна превышать допустимую для данного транзистора Ркmах, иначе он перегреется и выйдет из строя. Поэтому условие для выбора транзистора по мощности:
|UKa т|Iкт < PK max.
Слайд 13Схемы задания и стабилизации режима покоя в транзисторных каскадах
На рис.
а представлена схема УК с фиксированным напряжением базы. Данное фиксирование
(стабилизация) осуществляется заменой источника напряжения смещения делителем напряжения питания Еп (сопротивления Rб1 и Rб2), часть которого, выделяемая на резисторе Rб1, равна значению напряжения базы Uбэ0, т.е. задает режим покоя (Uвх = 0) в УК.
Конденсаторы Ср1 и Ср2 являются разделительными: Ср1 исключает шунтирование входной цепи каскада цепью источника входного сигнала по постоянному току, что позволяет, исключить протекание постоянного тока через источник входного сигнала по цепи +Еп → Rб2 → внутреннее сопротивление источника Rг, а также обеспечить независимость напряжения Uбэ0 в режиме покоя от внутреннего сопротивления источника входного сигнала. Назначение конденсатора Ср2 – пропускать в цепь нагрузки только переменную составляющую напряжения.
Слайд 14Схемы задания и стабилизации режима покоя в транзисторных каскадах
Рассмотрим подробнее
процесс задания режима покоя. Для этого воспользуемся графоаналитическим методом.
Составим уравнение по
2-му закону Кирхгофа для режима покоя, т.е. для постоянных составляющих токов и напряжений:
Iк0Rк + Uкэ0 + URэ0 – Eп = 0.
Величина URэ0 незначительна, поэтому ею для упрощения анализа можно пренебречь, и тогда получаем уравнение
Iк0Rк + Uкэ0 = Eп.
Данное выражение является уравнением прямой линии на плоскости выходных ВАХ транзистора. Эта линия называется нагрузочной характеристикой (линией) УК (б). Точка пересечения этой линии с ВАХ, соответствующей Iб0, определяет режим работы каскада по постоянному току (режим покоя).
Основные параметры УК зависят от внешних возмущений и в первую очередь от температуры. При изменении температуры изменяется обратный ток Iкобр напряжение Uбэ и коэффициент передачи по току. Все эти изменения принято характеризовать понятием дрейф нуля УК. Внешние воздействия, изменяя ток покоя транзистора, выводят транзистор из заданного режима (в нелинейную область ВАХ).
Слайд 15Методы стабилизации работы УК
Основные методы стабилизации работы УК:
термокомпенсация,
параметрическая стабилизация,
введение отрицательной
обратной связи (термостабилизация).
Термокомпенсация заключается в том, что отдельные термозависимые элементы или
целиком каскады помещаются в термокамеру с постоянной температурой.
Параметрическая стабилизация основана на введении в схему элементов (полупроводниковых элементов или терморезисторов), которые компенсируют изменение параметров схемы при внешних воздействиях среды.
Например, воздействие температуры может быть уменьшено включением в цепь базы схемы на рис., а прямосмещенного диода VD, температурный коэффициент стабилизации напряжения (ТКН) которого равен ТКН эмиттерного перехода транзистора. При изменении температуры окружающей среды напряжение Uбэ0 и напряжение на диоде UVD будет меняться одинаково, в результате чего ток покоя базы Iб0 останется постоянным.
Слайд 16Методы стабилизации работы УК
Основные методы стабилизации работы УК:
термокомпенсация,
параметрическая стабилизация,
введение отрицательной
обратной связи (термостабилизация).
Введение отрицательной обратной связи является более распространенным. Эффект
стабилизации в такой схеме достигается введением по постоянному току отрицательной обратной связи (ООС), путем включения резистора Rэ. На частотах сигнала эта ООС устраняется шунтированием резистора Rэ емкостью Cэ.
В данном случае напряжение Uбэ0определяется как:
Uбэ0= Uбэ - URэ.
Механизм действия ООС можно изобразить следующей диаграммой:
Внешнее воздействие (t°)↑ → Iк0↑ → URэ↑ → Uбэ0↓ → Iб0↓ → Iк0↓.
петля ООС
В некоторых усилителях используются одновременно метод параметрической стабилизации и введение ООС по току и напряжению.
Слайд 17 Режимы работы транзистора
В общем случае для транзистора возможны четыре устойчивых состояния (режима). Они
отличаются друг от друга тем, в каком состоянии (прямое или
обратное смещение) находятся эмиттерный и коллекторный переходы транзистора. Приведем их полное описание.
Активный режим – соответствует случаю, рассмотренному при анализе усилительных свойств транзистора. В этом режиме прямосмещенным оказывается эмиттерный переход, а на коллекторном присутствует обратное напряжение, именно в активном режиме транзистор наилучшим образом проявляет свои усилительные свойства. Поэтому часто такой режим называют основным или нормальным.
Инверсный режим – полностью противоположен активному режиму, т.е. обратносмещенным является эмиттерный переход, а прямосмещенным – коллекторный. В таком режиме транзистор также может использоваться для усиления. Однако из-за конструктивных различий между областями коллектора и эмиттера усилительные свойства транзистора в инверсном режиме проявляются гораздо хуже, чем в режиме активном. Поэтому на практике инверсный режим практически не используется.
Режим насыщения (режим двойной инжекции) – оба перехода транзистора находятся под прямым смещением. В этом случае выходной ток транзистора не может управлять его входным током, т.е. усиление сигналов невозможно. Режим насыщения используется в ключевых схемах, где в задачу транзисторов входит не усиление сигналов, а замыкание/размыкание разнообразных электрических цепей.
Режим отсечки – к обоим переходам подведены обратные напряжения. Такой режим также используется в ключевых схемах. Поскольку в нем выходной ток транзистора практически равен нулю, то он соответствует размыканию транзисторного ключа.
Угол отсечки – половиной той части периода, в течение которого транзистор открыт.
Заметим, что кроме названных основных рабочих режимов в транзисторе возможен режим пробоя на различных переходах. Обычно он возникает только в случае аварии и не используется в работе, однако существуют специальные лавинные биполярные транзисторы, в которых режим пробоя является как раз основным рабочим режимом.
Слайд 18При построении усилительных устройств наибольшее распространение получили каскады на биполярных
и полевых транзисторах, выполненные по схеме включения транзистора с общим
эмиттером (ОЭ) и общим истоком (ОИ).
Коэффициент усиления по напряжению kU в схеме с ОЭ на биполярном транзисторе определяется по формуле:
kU = h21ОЭ • (Rк / Rвх_диф),
а для схемы с ОИ на полевом транзисторе по формуле:
kU = S • Rc,
т.е. коэффициент усиления напрямую зависит от сопротивления в цепи коллектора или стока.
Слайд 19Выбирать номинал этого резистора очень большим невозможно, потому что это
приведет к уменьшению среднего тока в цепи коллектора или стока,
а при уменьшении этого тока уменьшается дифференциальный коэффициент передачи тока h21ОЭ для биполярного транзистора, или крутизна передаточной характеристики S для полевого транзистора.
Поэтому для увеличения коэффициента усиления по напряжению наилучшим решением является использование в качестве сопротивления нагрузки Rк или Rс источника тока (обладающего максимальным дифференциальным сопротив-лением).
Слайд 20ИСТОЧНИКИ ТОКА НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ
Если в схеме с общей
базой (ОБ) зафиксировать напряже-ние на базе источником постоянного напряжения Uсм,
а ток, который втекает в эмиттер, задать резистором Rэ, то значение тока эмиттера можно рассчитать по формуле:
Eк
+
–
Uсм
Rэ
Rнагр
Iк
Iэ
Iэ = (Uсм – Uэб) / Rэ
Ток коллектора в этой схеме почти равен току эмиттера:
Iк = α • Iэ.
Слайд 21Изменение сопротивления нагрузки Rнагр не влияет на ток в цепи
эмиттера, поэтому и коллекторный ток тоже не изменяется.
Схема с
ОБ имеет максимальное выходное сопротивление, поэтому выходное сопротивление в этой схеме приближается к выходному сопротивлению идеального источника тока, т.е. к бесконечности.
Слайд 22Для стабилизации тока коллектора Iк необходимо поддерживать постоянным ток базы
Iб.
Из входной характеристики биполярного транзистора сле-дует, что стабилизация базо-вого
тока Iб означает стабили-зацию напряжения эмиттер-но-базового перехода Uэб.
В качестве элемента, поддерживающего постоянным напряжение на эмиттерно-базовом переходе, можно использовать p-n-переход, через который проходит постоянный ток Iсм. Этот ток задается резистором Rсм.
Слайд 23Для стабилизации режима по постоянному току транзистора VT2 используется транзистор
VT1 в диодном включении.
При идентичных параметрах этих транзисторов обеспечивается
хорошая температурная стабилиза-ция режима работы транзистора VT2.
Изменение напряжения на эмиттерно-базовом переходе транзистора VT2 при изменении температуры транзисторов приводит к аналогичным изменениям падения напряжения на эмиттерно-базовом переходе транзистора VT1.
Поэтому ток базы Iб и ток коллектора Iк транзистора VT2 остаются неизменными в широком диапазоне изменения температур этих транзисторов за счет взаимной температурной компенсации изменения падения напряжения на эмиттерно-базовых p-n-переходах транзисторов.
Слайд 24В качестве нагрузки усилитель-ных каскадов часто используют аналогичную схему источника
тока, называемую «токовым зеркалом».
По выполняемой функции «токовое зеркало» является управляемым
током источником тока, коэффициент передачи которого равен единице.
Для нормальной работы устройства необходимо, чтобы параметры транзисторов VT1, VT2 были полностью идентичными.
Транзистор VT1 используется в диодном включении. Т.к. напряжение коллектор-база равно нулю, то транзистор работает в активном режиме.
Слайд 25При равенстве параметров транзисторов:
UэбVT1 = UэбVT2
токи
коллекторов также равны: IкVT1 = IкVT2.
Для входного тока устройства справедливо соотношение:
Iвх = IкVT1 + IбVT1 + IбVT2 = IкVT1 • ( 1 + 2 / β).
Учитывая, что β >> 1, можно с достаточной для инженерных расчетов точностью записать:
Iвх ≈ IкVT1 = IкVT2 = Iвых.
Слайд 26Поскольку подбор идентичных транзисторов не всегда возможен, то на практике
используют улучшенную схему «токового зеркала», которая включает эмиттерные резисторы с
одинаковыми номиналами.
Эти резисторы образуют отрицательную обратную связь по выходногму току, и тем самым стабилизируют работу «токового зеркала».
Слайд 27Такое улучшение позволяет более точно повторять входной ток Iвх на
выходе IкVT2 при недостаточной идентичности используемых транзисторов.
Если падение напряжения на
эмиттерных резисторах больше напряжения на эмиттерно-базовых переходах: URэ > Uэб,
то эта схема позволяет не только повторять входной ток на выходе, но и масштабировать выходной ток.
При Rэ1 > Rэ2 выходной ток IкVT2 можно сделать в несколько раз большим, чем входной ток Iвх .
Слайд 28Более сложная схема «токового зеркала» Уилсона обеспечивает точное повторение входного
тока Iвх на выходе.
От исходной схемы она отличается введением
дополни-тельного транзистора VT3.
Запишем уравнения токов для этой схемы с учетом идентичности всех транзисторов:
Iвх = IкVT1 + IбVT3;
Iвых = IкVT3 .
Слайд 29Для идентичных транзисторов VT1 и VT2:
IбVT1 = IбVT2
;
IкVT1 = IкVT2 ;
IэVT3 = IкVT3 + IбVT3 = IкVT2 + IбVT2 + IбVT1.
Принимая во внимание, что:
IбVT3 ≈ IбVT2 = IбVT1 = Iб;
Получаем окончательный результат:
Iвых = IкVT3 = IэVT3 – IбVT3 =
(IкVT2 + IбVT2 + IбVT1) – IбVT3 = IкVT1 + IбVT3 = Iвх.
При идентичности транзисторов повторяемость входного тока на выходе схемы «токового зеркала» Уилсона будет полной.
Слайд 30ИСТОЧНИКИ ТОКА НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ
При использовании полевых транзисторов (ПТ)
с изоляцией затвора p-n-переходом или МОП транзисторов со встроенным каналом
схемы источников тока могут быть предельно упрощены.
Связано это с тем, что эти транзисторы работают при полярности напряжения затвора, противопо-ложной полярности напряжения стока.
Простейший источник тока может быть получен при закорачивании выводов затвора и истока (на рис. резистор в цепи истока Rи = 0).
Слайд 31Ток в цепи сопротивления нагрузки Rнагр равен току стока I0с
при нулевом напряжении Uзи = 0.
Этот параметр имеет технологичес-кий
разброс в 2 ÷ 3 раза даже у полевых транзисторов одного типа.
Если необходим источник тока с меньшим значением, чем I0с, можно включить в цепь истока резистор Rи.
На передаточной характеристике ко-тангенс угла наклона прямой равен номиналу резистора Rи в цепи истока.
В точке пересечения этой прямой с передаточной характеристикой ПТ определяем ток стабилизации Iстаб, протекающий через канал ПТ и сопротивление нагрузки.
Rнагр
Iс
Eс
+
–
Rи
Iст, мА
–1
–2
I0с
Iстаб
2
4
6
8
10
Uзи, В
Слайд 32МНОГОКАСКАДНЫЕ УСИЛИТЕЛИ
Как правило, коэффициент усиления по напряжению одиночного транзисторного каскада
не превышает нескольких десятков.
Поэтому в случае необходимости получения больших
значений коэффициента усиления используют многокаскадные усилители, построенные путем последовательного соединения нескольких одиночных каскадов.
Результирующий коэффициент усиления рассчи-тывается как произведение отдельных коэффициентов.
При таком соединении встает проблема согласова-ния входных и выходных сигналов как по постоянному, так и по переменному току.
Слайд 33Типы межкаскадных связей
Для получения большего усиления, УК соединяются между собой.
Для исключения взаимного влияния УК друг на друга при передаче
сигнала применяют различные типы межкаскадной связи.
Основные типы межкаскадных связей:
непосредственная,
резистивно-емкостная,
трансформаторная.
Слайд 34Типы межкаскадных связей
Непосредственная связь. При непосредственной межкаскадной связи выходной электрод
предыдущего каскада соединяется с входным электродом последующего непосредственно. Различают последовательную
и параллельную непосредственную связь.
К достоинствам непосредственной межкаскадной связи следует отнести простоту ее реализации, отсутствие при ее использовании низкочастотных искажений, возможность стабилизации режимов работы на постоянном токе усилительного тракта в целом за счет охвата этого тракта общей петлей обратной связи (ОС). Недостатком, нарушающим нормальную работу усилителей, является дрейф нуля. Непосредственная связь широко используется в усилителях постоянного тока (УПТ) и в аналоговых микросхемах.
Слайд 35Типы межкаскадных связей
При резисторно-емкостной связи применяется разделительный конденсатор С1, который
преграждает путь постоянной составляющей напряжения из выходной цепи на вход
следующего каскада.
УК, соединенные такой связью свободны от недостатков каскадов с непосредственной связью, т.е. они не обладают дрейфом нуля, передаваемым на следующий каскад, и без затруднения позволяют обеспечить необходимые напряжения на усилительных элементах при питании многокаскадного усилителя от одного источника. Также, такие каскады обладают хорошей частотной характеристикой, имеют небольшие нелинейные искажения и находят широкое применение.
Конденсатор С является блокирующим для постоянного тока и конденсатором связи для переменного тока. Резистор R3 является коллекторной нагрузкой первого каскада. Резистор R4 является входной нагрузкой, а также замыкает по постоянному току цепь перехода база-эмиттер второго каскада.
Резисторно-емкостная связь используется, главным образом, в усилителях низкой частоты. Конденсатор связи С должен иметь низкое реактивное сопротивление для минимизации ослабления сигнала на низких частотах. Обычно используется емкость в пределах от 10 до 100 микрофарад. Конденсатор связи обычно бывает электролитическим.
Слайд 36Типы межкаскадных связей
При трансформаторной межкаскадной связи используется трансформатор. Через первичную
обмотку трансформатора, включаемую в выходную цепь усилительного элемента, на выходной
электрод подается напряжение питания, а ко вторичной присоединяют входную цепь следующего каскада. Переменная составляющая выходного тока, проходя через первичную обмотку, создает на ней напряжение сигнала, трансформирующееся во вторичную обмотку и подающееся на вход следующего каскада.
К достоинству связи этого типа следует отнести то, что при ее применении выбором коэффициента трансформации можно обеспечить оптимизацию значения нагрузки усилительного прибора и тем самым реализовать возможность получения предельных значений сигнальной мощности, отдаваемой в нагрузку. В связи с этим трансформаторное подключение нагрузки к выходной цепи транзистора используется в оконечных каскадах усилителей мощности, где требуется получение больших сигнальных мощностей и высоких значений КПД.
Недостатком этого типа является то, что трансформаторы громоздки и дороги. Кроме того, усилитель с трансформаторной связью может использоваться только в узком диапазоне частот.
Слайд 37По виду межкаскадных связей усилители разделяются на две группы: усилители
переменного тока и усилители постоянного тока.
К первой группе относятся
усилители с трансформаторными или RC-связями, ко второй группе относятся усилители с непосредственными гальваническими связями.
В усилителях переменного тока в каждом отдельном каскаде можно установить наиболее оптимальный режим работы по постоянному току, например с точки зрения коэффициента усиления или вносимых искажений.
Однако, если в этих усилителях входной сигнал содержит и постоянную составляющую, то после усиления информация о постоянной составляющей будет потеряна.
Слайд 38В усилителях с гальваническими связями режимы работы транзисторов по постоянному
току взаимосвязаны и изменение режима работы по постоянному току в
первых каскадах (например, при изменении тампературы) приводит к многократному изменению режима работы по постоянному току в выходных каскадах.
Поэтому для стабилизации режимов работы в усилителях постоянного тока используют методы термокомпенсации:
дифференциальные усилительные каскады,
нагрузки усилительных каскадов выполняются по схеме «токового зеркала», а также
для стабилизации режима работы широко используют отрицательную обратную связь ООС с выхода усилителя на вход.
Слайд 39Усилители с RC-связями
В усилителях с RC-связями нижняя частота усиливаемого
сигнала Fн (определяемая по снижению коэффициента усиления на 3 дБ
по сравнению с коэффициентом усиления на средних частотах) зависит от номиналов разделительных конденсаторов между каскадами и конденсаторов, блокирующих цепи ООС стабилизации режима работы.
Цепь с разделительным конденсатором С1 можно представить эквивалентной схемой. Резистор Rб равен параллельному соединению резисторов базового делителя Rб1 и Rб2. Резистор Rвх_диф – это входное дифференциальное сопротивления каскада с ОЭ.
Поскольку в большинстве случаев Rб >> Rвх_диф, то резистор Rб в этой схеме можно не учитывать.
Слайд 40Коэффициент передачи по напряжению в эквивалентной схеме уменьшаеся в корень
из двух раз (т.е. на 3 дБ) на частоте, при
которой реактивное сопротивление конденсатора равно сопротивлению Rвх_диф :
Rвх_диф = 1 / ω • С1 = 1 / (2 • π • Fн • С1).
Поэтому: С1 = 1 / (2 • π • Fн • Rвх_диф).
Uвх
Rвх_диф
Rб
Слайд 41Точно также конденсатор С2 уменьшает коэффициент передачи по напряжению на
3 дБ на частоте Fн:
С2 = 1 / (2 • π • Fн • Rнагр).
Аналогично конденсатор С3 уменьшает коэффициент передачи по напряжению на 3 дБ на частоте Fн:
С3 = 1 / (2 • π • Fн • Rэ).
Результирующее уменьшение коэффициента передачи на частоте Fн составит 9 дБ.
Для того, чтобы суммарное уменьшение коэффициента передачи не превышало 3 дБ, в этих формулах необходимо рассчитанные номиналы конденсаторов увеличить в 3 раза (т.е. умножить на количество тех конденсаторов, которые определяют снижение коэффициента передачи на низких частотах).
Слайд 42Описанные в литературе более точные формулы расчета номиналов этих конденсаторов
приводят к результатам с немного меньшими значениями.
Поэтому рассчитанные по
формулам и умноженные на количество конденсаторов номиналы С1, С2 и С3 получаются с небольшим запасом, что в итоге позволяет улучшить частотную характеристику усилителя, т.е. получить уменьшение коэффициента передачи на частоте Fн менее 3 дБ.
Аналогично рассчитываются номиналы конден-саторов в многокаскадных схемах с RC-связями между каскадами.
Слайд 43УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Усилители постоянного тока усиливают сигналы в полосе частот
от нуля до верхней граничной частоты Fв с неравномерностью не
более 3 дБ.
Наибольшее распространение в вычис-лительной технике получили специали-зированные усилители постоянного тока (усилители с гальваническими связями) – операционные усилители (ОУ).