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(jω)=Uвых(jω)/Uвх(jω)= -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:
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.