Цепи с обратной связью. Нелинейные цепи. Усилительные устройства. Автоколебательные системы (12-15 главы учебника "Радиотехнические цепи и сигналы" под ред. К.Е.Румянцева), страница 20

              Для усиления импульсных сигналов усилительные элементы работают в режиме D. В этом режиме исходная рабочая точка вы­бирается вблизи области отсечки (точка D1 на рис. 14.8, б) либо насыщения транзистора (точка D2на рис. 14.8, б). Такое использо­вание транзистора позволяет увеличить КПД усилительного кас­када до 90 % и более. Достигается это за счет того, что при усиле­нии импульсного сигнала рабочая точка перемещается по нагру­зочной линии от точки D1 к точке D2или наоборот. При нахожде­нии рабочей точки в положении D2на транзисторе падает малое напряжение uкэ, а в рабочей точке D1 через транзистор протекает малый ток iк. В обоих случаях на коллекторе транзистора рассеива­ется малая мощность Р = uкэiк.

              

               

Рис. 14.10. Варианты включения БТ  с общими базой (а), эмиттером (б) и коллектором (в) и ПТ с общими затвором (г), истоком (д) и стоком (e)

                 При построении каскадов УУ используют три основных вари­анта включения транзисторов (рис. 14.10):

              с общей базой (ОБ) для БТ и общим затвором (ОЗ) для ПТ;

              с общим эмиттером (ОЭ) для БТ и общим истоком (ОИ) для ПТ;

              с общим коллектором (ОК) для БТ и общим стоком (ОС) для ПТ.

             Каждый из вариантов включения транзисторов имеет свои осо­бенности при усилении сигналов. Например, при включении тран­зисторов по схеме с ОБ (ОЗ) обеспечивается усиление только напряжения, а коэффициент усиления тока близок к единице (повторитель тока), при включении транзистора по схеме с ОК (ОС) обеспечивается усиление тока и мощности, а коэффициент усиления напряжения близок к единице (повторитель напряже­ния). Только включение транзистора по схеме с ОЭ (ОИ) позво­ляет усиливать напряжение, ток и мощность.

14.4. Апериодический усилитель

              Под апериодическим усилителем понимается устройство, в ко­тором в качестве нагрузки усилительного элемента используется резистор. Как правило, они имеют широкую полосу усиливаемых частот. На рис. 14.11 показана схема апериодического усилителя и его эквивалентная схема.

              Однокаскадный апериодический усилитель (см. рис. 14.11, а) включает биполярный транзистор VTрезистор нагрузки Rk. Цепи смещения, определяющие положение исходной рабочей точки, представлены источником напряжения смещения Uсм. К выходным зажимам усилителя подключена паразитная емкость нагрузки Сн.

              Работу апериодического усилителя рассмотрим в диапазоне частот, верхняя частота которого меньше граничной f<fгр. В этом случае можно рассматривать только действительные части h11, h21 и h22 H-параметров, а также принять h12 = 0. Для этого усилителя, представленного в виде четырехполюсника, коэффициент усиле­ния напряжения описывается выражением

где YH= (1/Rk) +jωCH — комплексная проводимость нагрузки уси­лителя. Знак минус в формуле говорит о том, что усилитель ин­вертирующий, т.е. выходное напряжение по фазе на 180° сдвину­то относительно входного напряжения.

              В приведенном выражении величина h11 определяется отношени­ем амплитуд сигнальных составляющих входного напряжения к входному току, в связи с чем параметр h11 представляет собой вход­ное сопротивление Rвхчетырехполюсника. Параметр h21 является безразмерной величиной и характеризует способность транзистора усиливать ток базы. В связи с этим отношение h21/h11 = h21/ Rвхимеет размерность А/В и называется крутизной транзистора Sв окрест­ности исходной рабочей точки. С учетом этого эквивалентную схе­му апериодического усилителя можно свести к виду, представ­ленному на рис. 14.11, б, а расчет коэффициента усиления напря­жения провести по формуле

K()=Uвых()/Uвх()= -S/(h22+(1/Rk)+ jωCн)=S/((h22+Gн)(1+ jωτн),

где Gн = l/Rк— активная составляющая проводимости нагрузки;  τн = Сн/(h22+ Gн) — постоянная времени выходной цепи усилителя.

а                                                                б

Рис. 14.11. Схема апериодического усилителя (а) и его

эквивалентная схема (б)

                В этом выражении величина S/((h22+Gн)=K0 представляет со­бой максимальный коэффициент усиления напряжения на нуле­вой частоте входного сигнала. Параметр h22, как правило, отвеча­ет условию h22 « GH, поэтому его можно не учитывать. Тогда

        K(jω)= -SRk/(1+jωτн)= -K0/(1+jωτн) = (K0 / √(1+(ωτн)2)) exp[-jarctg(ωτн)].     (14.4)

              Разделив правую и левую части выражения на K0, получим зна­чение нормированного коэффициента усилителя напряжения кас­када усилителя:

                             K(jω)= 1/(1+jωτн)= (1 / √(1+(ωτн)2)) exp[-jarctg(ωτн)].                   (14.5)

где Kн(ω)= 1 / √(1+(ωτн)2)— АЧХ, а φ(ω) = arctg(ωτн) — ФЧХ уси­лителя.

               В соответствии с формулой (14.5) отметим следующее:

               максимальный коэффициент передачи апериодического уси­лителя достигается на нулевой частоте входного сигнала;

               ширина полосы пропускания Δω = 1/τн на уровне 0,707 (-3 дБ) определяется постоянной времени выходной цепи τн усилителя;

               для расширения полосы пропускания усилителя необходимо стремиться к уменьшению постоянной времени τн выходной цепи. Этого можно достичь путем снижения сопротивления Rkв кол­лекторной цепи транзистора или паразитных емкостей Сн, приве­денных к выходной цепи.

              Один каскад апериодического усилителя, как правило, не по­зволяет получить требуемого усиления, в связи с чем усилитель строят по многокаскадной схеме, в которой каскады включены последовательно. В этом случае комплексное выходное напряжение первого каскада определяется выражением Uвых1(jω) = K1(jω) Uвх1(jω), где K1(jω)— комплексный коэффициент передачи, a Uвх1(jω) — комплексное входное напряжение первого каскада.

              Напряжение Uвх1(jω) является входным Uвх2 для второго каска­да, комплексное выходное напряжение которого имеет вид

              Дальнейшее увеличение числа каскадов в усилителе приведет к тому, что общий коэффициент передачи усилителя из nкаскадов будет равен произведению коэффициентов передачи отдель­ных каскадов: