Усилители переменного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция 7

Усилители переменного тока

Усилители на полевых транзисторах

Электронный усилитель в общем случае состоит из отдельных каскадов, соединенных между собой последовательно (рис. 2.5).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Функция передачи всего усилителя

равна произведению функций передачи отдельных (i-х) каскадов:

,

откуда следует, что амплитудно-частотная характеристика усилителя является произведением АЧХ каскадов, а фазочастотная характеристика - соответственно суммой их ФЧХ:

.

Каждый каскад состоит из одного или нескольких основных активных элементов (транзисторов) и вспомогательных элементов, обеспечивающих режим по постоянному току (режим покоя) активных элементов, что требуется для работы каскада в линейном режиме. Рабочая точка полевого транзистора, определяющая режим покоя, характеризуется значениями тока и напряжения стока при отсутствии входного сигнала ( на рис. 2.6) и должна располагаться в рабочем секторе семейства стоковых характеристик. Рабочий сектор ограничивается, с одной стороны, участками с нелинейной зависимостью между выходным и входным сигналами (- режим отсечки; - режим насыщения), а с другой стороны, участками, где возможен электрический () или тепловой пробой (при рассеиваемой транзистором мощности больше допустимой ). В пределах рабочего сектора положение рабочей точки определяется требованиями к параметрам каскада, таким как коэффициент усиления, потребляемая мощность, максимальная выходная мощность, коэффициент полезного действия и др.

Размещено на http://www.allbest.ru/

На рис. 2.7 приведена схема усилительного каскада на полевом транзисторе с общим истоком (ОИ), отличающаяся тем, что входной сигнал подается на затвор, а выходной сигнал снимается со стока (источник питания является источником напряжения с очень малым внутренним сопротивлением).

Размещено на http://www.allbest.ru/

При нулевом входном напряжении () постоянный ток стока , а также напряжения и (т.е. режим покоя) полностью определяются значением и сопротивлениями резисторов , что можно видеть, рассмотрев уравнения входной (затвор-истоковой) и выходной (сток-истоковой) цепей ( - тепловой ток закрытого p-n-перехода):

(2.1)

полевой транзистор усилитель каскад

Таким образом, резистор задает напряжение в рабочей точке (а в конечном счете, ток стока ), резистор обеспечивает гальваническую связь затвора с общей шиной, т.е. обеспечивает передачу напряжения с резистора на участок затвор-исток, а от резистора зависит (при выбранном токе ) величина напряжения . Сопротивление можно задавать в довольно широких пределах, однако оно не должно быть слишком большим, иначе на нем ток создаст заметное падение напряжения, причем нестабильное, которое изменит положение рабочей точки. Но оно не должно быть и слишком малым, чтобы не перегрузить источник входного сигнала, в качестве которого часто выступает предыдущий каскад. Уравнение выходной цепи (2.1) можно изобразить на графиках стоковых ВАХ (рис. 2.6) в виде нагрузочной прямой по постоянному току . Изменение температуры окружающей среды приводит к смещению рабочей точки не только из-за изменения , но и за счет изменения потенциального барьера p-n-перехода () и удельного сопротивления канала ():

. (2.2)

В этом выражении ; s и - соответственно крутизна и внутреннее сопротивление транзистора. Как видно из (2.2), приращение тока стока будет тем меньше, чем больше , т.е. резистор стабилизирует положение рабочей точки, что можно объяснить действием отрицательной обратной связи, образованной элементом , который входит как во входную, так и в выходную цепь. Отрицательная обратная связь, стабилизируя положение рабочей точки, в то же время уменьшает коэффициент усиления каскада в () раз. Чтобы исключить влияние на коэффициент усиления в области рабочих частот усилителя (), параллельно резистору включают блокирующий конденсатор большой емкости.

Поскольку у усилителя переменного тока каскады между собой, а также с источником входного сигнала и нагрузкой соединены через разделительные конденсаторы , каждый каскад по постоянному току оказывается изолированным от остальной схемы, что значительно облегчает обеспечение режимов по постоянному току каскадов.

Две другие схемы включения транзистора в усилительном каскаде приведены на рис. 2.8. В схеме с общим затвором (ОЗ) входной сигнал подается на исток, а выходной снимается со стока, тогда как в схеме с общим стоком (ОС) выходной сигнал снимается с истока, а входной подается на затвор. В схеме на рис. 2.8,а , поскольку резистор не нагружает источник входного сигнала, а в схеме на рис. 2.8,б резистор подключен к общему зажиму резисторов и , благодаря чему напряжение смещения в рабочей точке определяется малым сопротивлением , в то время как сопротивлением нагрузки каскада является

.

Анализ каскада на переменном токе проводится с использованием его малосигнальной эквивалентной схемы, составленной из моделирующей схемы транзистора (рис. 1.18) и элементов внешних цепей, при этом напряжение моделирующей схемы должно быть выражено через переменные эквивалентной схемы каскада. Поскольку емкости разделительного и блокирующего конденсаторов и гораздо больше емкостей транзистора , и , анализ каскада можно выполнить раздельно для каждой области частот: средних (полагая ), верхних () и нижних (). На рис. 2.9 приведена малосигнальная эквивалентная схема каскада с общим истоком.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Результаты анализа этой схемы в виде выражения коэффициента усиления в области средних частот , а также выражений входного сопротивления и входной емкости представлены в табл. 2.1. Чтобы получить выражения выходного сопротивления и выходной емкости , достаточно провести анализ этой же эквивалентной схемы, переключив источник напряжения с входных на выходные зажимы (при этом свободный зажим можно непосредственно подсоединить к общей шине, т.е. положить на входе каскада , что позволяет получить более простые выражения выходных параметров). Аналогично анализируются и две другие схемы каскадов (ОЗ и ОС). Приведенные в табл. 2.1 выражения параметров каскадов с различными схемами включения транзистора являются приближенными, учитывающими реальные значения параметров элементов схемы.

Таблица 2.1

Учитывая резкое различие между емкостью разделительного конденсатора и емкостями транзистора, функцию передачи каскада в широком диапазоне частот можно записать в такой форме:

, (2.3)

где , - низкочастотная и высокочастотная постоянные времени. Амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики каскада имеют вид, показанный на рис. 2.2 (кривые 2). Спад АЧХ в области нижних частот объясняется действием разделительного конденсатора (с уменьшением частоты сигнала сопротивление конденсатора возрастает и напряжение сигнала на входном зажиме транзистора уменьшается), а в области верхних частот - действием емкостей , , (с увеличением частоты сигнала сопротивления емкостей уменьшаются, и генератор тока , который поставляет сигнал на выход каскада, в большей мере шунтируется этими емкостями).

Схема каскада ОИ описывается выражением (2.3) только при условии , но в этом случае выражения параметров каскада будут не такими, как в табл. 2.1:

. (2.4)

Если необходимо учесть влияние на частотные свойства каскада, то можно поступить формально, заменив в выражении (2.4) на . Наличие в схеме конденсатора приводит к дополнительным частотным и фазовым искажениям в области нижних частот.

Сравнивая однотипные параметры различных каскадов, можно сделать следующие выводы: каскад ОИ инвертирует входной сигнал (); каскад ОЗ по сравнению с другими каскадами имеет наименьшее входное сопротивление; каскад ОС (истоковый повторитель) отличается малым выходным сопротивлением, малой входной емкостью, широкой полосой пропускания, но низким значением коэффициента усиления напряжения ().

Размещено на Allbest.ru