Краткие теоретические сведения. Усилителем называют устройство, предназначенное для увеличения параметров

Усилителем называют устройство, предназначенное для увеличения параметров электрического сигнала (напряжения, тока, мощности).

Основными параметрами усилителя яв­ляются коэффициент усиле­ния по напряжению K_u = U_вых / U_вх, коэффициент усиления по току К_i = I_вых / I_вх и коэффициент усиления по мощности

К_р = Р_вых / Р_вх = K_u К_i.

Для усилителя возможны различные значения коэффициентов усиления, но в любом случае коэффициент усиления по мощности К_р больше (обычно существенно больше) единицы.

Коэффициенты усиления K_u, K_i, K_р являются взаимосвязанными параметрами. Вместе с тем при расчете или выборе усилителя для кон­кретного случая применения предпочтение может отдаваться одному из указанных параметров. Это зависит от того, какой параметр сигна­ла на выходе усилителя (напряжение, ток или мощность) является определяющим. Наиболее часто им служит напряжение выходного сигнала.

Все усилители можно подразделить на два класса — с линейным и нелинейным режимами работы.

К усилителям с линейным режимом работы (или усилителям мгновенных значений) предъявляется требова­ние получения выходного сигнала, близкого по форме к входному. Искажения формы сигнала, вносимые усилителем, должны быть ми­нимальными.

Коэффициенты усиления рассчиты­вают по амплитудным или действующим значениям (в случае синусо­идального сигнала) напряжения и тока.

Важнейшим показателем усилителей с линейным режимом работы является амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), отражающая зависимость модуля коэффициента усиле­ния K_u, определенного для синусоидального входного сигнала, от частоты.

В зависимости от вида АЧХ усилители с линейным режимом работы подразделяют на усилители медленно изменяющегося сигнала (усилители постоянного тока — УПТ), усилители звуковых частот (УЗЧ), усилители высокой частоты (УВЧ), широкополосные усилители (ШПУ) и узкополосные усилители (УПУ).

Характерная особенность УПТ — способность усиливать сигналы с нижней частотой, приближающейся к нулю.

Граница верхней частоты в УПТ может составлять в зависимости от назна­чения 10³—10⁸ Гц. УЗЧ характеризуются частотным диапазоном от десятков герц (ƒн – нижняя граничная частота) до 15—20 кГц (ƒв – верхняя граничная частота). УВЧ имеют полосу пропускания от десятков килогерц до десятков и сотен мегагерц. ШПУ имеют ниж­нюю границу частоты примерно такую же, как УЗЧ, и верхнюю — как УВЧ. На основе ШПУ выполняются линейные импульсные усилители. УПУ характеризуются пропусканием узкой полосы частот.

В зависимости от выполняемых функций усилительные каскады подразделяют на каскады предварительно­го усиления и выходные каскады. Каскады пред­варительного усиления предназначены для повышения уровня сигна­ла по напряжению, а выходные каскады — для получения требуемых значений тока или мощности сигнала в нагрузке.

Основными элементами каскада являются управляемый элемент УЭ (функцию которого может выполнять биполярный или полевой тран­зистор) и балластный резистор (рис. 2.1).

Выходной сигнал U_вых снимается с выхода УЭ или с резистора R. Он создается в результате изменения сопротив­ления УЭ и, следовательно, тока в выходной цепи под воздействием входного напряжения. Процесс усиления основывается на преобразовании энергии источника постоянного напряжения в энергию переменного напряжения в выходной цепи за счет изменения сопротивления УЭ по закону, задаваемому входным сигналом.

Рис. 2.1. Принцип построения усилительного каскада

Переменный ток и напряжение выходной цепи (пропорциональные току и напряжению входного сигнала) следует рассматривать как переменные составляющие сум­марных тока и напряжения, накладывающиеся на их постоянные составляющие, установленные в режиме покоя.

Связь между постоянными и пере­менными составляющими должна быть такой, чтобы амплитудные значения переменных составляющих не превышали постоянных сос­тавляющих. Если эти условия не будут выполняться, то ток в выходной цепи на отдельных интервалах будет равен нулю, что приведет к искажению формы выходного сигнала. Таким образом, для обеспечения работы усилительного каскада при переменном входном сигнале в его выходной цепи должны быть созданы постоянные составляющие тока Iп и напряжения Uп.

Постоянные составляющие тока и напряжения определяют так называемый режим покоя усилительного каскада. Параметры режима покоя по входной цепи (I_вх._п., U_вх._п) и по выходной цепи (I_вых._п, U_вых.п) характеризуют электрическое состояние схемы в отсутствие вход­ного сигнала.

Показатели усилительных каскадов зависят от способа включения транзистора, выполняющего роль управляемого элемента. По этому принципу различают три типа усилительных каскадов на биполярных транзисторах: с общим эмит­тером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ).

Существует множество вариантов выполнения схемы усилитель­ного каскада на транзисторе ОЭ. Это обусловлено главным образом особенностями задания режима покоя каскада. Особенности усили­тельных каскадов ОЭ рассмотрим на примере схемы рис. 2.2, полу­чившей наибольшее применение.

Рис. 2.2. Принципиальная схема усилительного каскада

на основе биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером

Основными элементами схемы являются источник питания U_ип, управляемый элемент — транзис­тор VТ и резистор Rк. Эти эле­менты образуют главную цепь усилительного каскада, в которой за счет протекания уп­равляемого по цепи базы коллек­торного тока создается усиленное переменное напряжение на выходе схемы. Остальные элементы каскада выполняют вспомогательную роль. Конден­саторы С₁, С₂ являются разделительными. Конденсатор С₁ исключает шунтирование входной цепи каскада цепью источ­ника входного сигнала по постоянному току, что позволяет, во-первых, исключить протекание постоянного тока через источник входного сигнала по цепи U_ип –R₁ – R_и и, во-вторых, обеспечить независимость от внутреннего сопротивления этого источника R_и напряжения на базе U_бп в режиме покоя. Функция конденсатора С₂ сводится к пропусканию в цепь нагрузки переменной составля­ющей напряжения и задержанию постоянной составляющей.

Резисторы R₁, R₂ используются для задания режима покоя кас­када. Поскольку биполярный транзистор управляется током, ток покоя управляемого элемента (в данном случае ток I_кп) создается заданием соответствующей величины тока базы покоя I_бп.

Резистор R_э является элементом отрицательной обратной связи, предназначенным для стабилизации режима покоя каскада при изме­нении температуры. Конденсатор С_э шунтирует резистор R_э по пе­ременному току, исключая тем самым проявление отрицательной обратной связи в каскаде по переменным составляющим. Отсутствие конденсатора С_э приводит к уменьшению коэффициента усиления по напряжению схемы.

Принцип действия каскада ОЭ заключается в следующем. При наличии постоянных составляющих токов и напряжений в схеме по­дача на вход каскада переменного напряжения приводит к появле­нию переменной составляющей тока базы транзистора, а следовательно, переменной составляющей тока в выходной цепи каскада (в коллекторном токе транзистора). За счет падения напряжения на резисторе R_к создается переменная составляющая напряжения на коллекторе, которая через конденсатор С₂ передается на выход каскада – в цепь нагрузки.

2.5. Рекомендуемая последовательность выполнения расчета усилительного

каскада

1. В соответствии с номером варианта задания из таблицы 2.1 выписать исходные данные: U_вых, f_н, R_г, R_н, М_н.

2. Выбор транзистора по справочнику:

Для того чтобы транзистор не выходил за пределы области безопасных режимов работы (ОБРР) необходимо соблюдение следующих условий:

U_{кэ доп} ³U_{кэ макс}; I_{к доп} ³I_{к макс}; U_{кэ макс} ³ U_ип; I_{к доп} ³ 2^. I_{н m}.

При известном значении U_вых определим U_ип:

U_ип = 2U_{вых m} + D U_{кэ мин} ,

где U_{вых m} – амплитудное значение выходного напряжения каскада;

D U_{кэ мин} – напряжение, соответствующее начальному, существенно нелинейному

участку выходных вольт-амперных характеристик транзистора.

Обычно выбирают D U_{кэ мин} = 2 В.

По справочнику выбрать маломощный низкочастотный или высокочастотный транзистор с указанием его типа и допустимых параметров: U_{кэ доп,} I_{к доп}, Р_к.доп, f_гр, h_21Э, h_11Э.

Величину h_11Э принять равной 600 Ом для любых типов транзисторов. Величину h_21Э принять равной среднему значению из диапазона по справочным данным.

3. Рассчитать сопротивления резисторов R_к и R_э.

В режиме покоя I_{к п} выбирают не более I_{к доп} / 2, однако из практических соображений не рекомендуется выбирать I_{к п} более 10 мА для усилительных каскадов на маломощных транзисторах. Выбрать I_{к п} из диапазона от 2 до 10 мА.

Потенциал коллектора транзистора в схемах каскадов с ОЭ в режиме покоя принимают равным половине напряжения источника питания, а падение напряжения на R_э 10…15% U_ип. Тогда R_к = U_Rк / I_{к п}, R_э = U_Rэ / I_{к п}.

Выбрать стандартные значения номинальных сопротивлений резисторов в соответствии с параметрическим рядом Е24 (см. Приложение 4).

Рассчитать рассеиваемую мощность на корпусе резисторов и выбрать ближайшее большее ее значение по параметрическому ряду мощностей для выбранного типа резистора (см. Приложение 4).

4. Рассчитать сопротивления входного делителя R₁ и R₂.

Для обеспечения достаточной температурной стабильности каскада исходя из практических рекомендаций ток делителя должен быть в 2…5 раз больше тока базы покоя транзистора I_{б п}. При этом I_{б п} = I_{к п} / h_21Э.

Для определения U_{бэ п} воспользуемся уравнениями, приблизительно описывающими начальный рабочий участок входной вольт-амперной характеристики биполярного транзистора (при токе базы покоя не более 0,5 мА).

Для германиевых транзисторов U_{бэ п} = 0,2 + h_11Э^. I_{б п}.

Для кремниевых транзисторов U_{бэ п} = 0,4 + h_11Э^. I_{б п}.

R₂ = (U_{бэ п} + U_Rэ )/ I_дел; U_R2 = I_дел ^.R₂; R₁ = (U_{и п} - U_R2 )/ (I_дел + I_{б п}).

Выбрать стандартные значений сопротивлений.

Рассчитать рассеиваемую мощность резисторов и выбрать ближайшее большее значение по параметрическому ряду мощностей для выбранных типов резисторов:

Р_R1 = (I_дел + I_{б п}) ² R₁; Р_R2 = I_дел ² R₂.

5. Рассчитать емкости разделительных конденсаторов С₁, С₂ и блокировочного конденсатора С_Э.

С₁ = 1/(2pf_н(R_г + R_вх)^.(М_н² – 1)^1/2, где R_вх = R₁ || R₂ || h_11э,

R_вх = (1/R₁ + 1/ R₂ + 1/ h_11э)^-1,

С₂ = 1/(2p^.f_н^.(R_к + R_н) (М_н² – 1)^1/2,

С_Э = (1 + h_21э) /(2p^.f_н^.(R_г^' + h_11э) (М_н² – 1)^1/2, где R_г^' = R_г || R₁ || R₂,

R_г^' = (1/R_г + 1/ R₁ + 1/ R₂)^-1 .

6. Входное и выходное сопротивление переменному току.

Для расчета входного и выходного сопротивлений используем схему замещения (рис.2.3).

Рис. 2.3. Схема замещения усилительного каскада на биполярном транзисторе

R_вых = (1/h_22Э) || R_к , т.к. r_k^* >> R_к (где r_k^* =1/h_22Э), то R_вых» R_к.

7. Определить коэффициент усиления каскада по напряжению:

К_U = (R_к || R_н)^. h_21Э /h_11Э.

Список литературы

1. Бочаров Л.Н., Расчет электронных устройств на транзисторах./Л.Н.Бочаров [и др.].

– М.: Энергия, 1978. – 288 с., ил.

2. Изъюрова Г.И., Расчет электронных схем./Г.И.Изъюрова[и др.]. – М.: Высшая

школа, 1987. – 335с., ил.

3. Справочная книга радиолюбителя-конструктора /под ред. Н. И. Чистякова. –

М.: Радио и связь, 1990. – 624 с., ил.

Дата добавления: 2015-07-11