Усилительный каскад с оэ. Усилительный каскад с общим эмиттером: принцип работы, характеристики и применение

Что такое усилительный каскад с общим эмиттером. Как работает схема с общим эмиттером. Какие преимущества и недостатки у каскада с ОЭ. Где применяется усилитель с общим эмиттером. Как рассчитать основные параметры схемы с ОЭ.

Принцип работы усилительного каскада с общим эмиттером

Усилительный каскад с общим эмиттером (ОЭ) является одним из самых распространенных схемотехнических решений в транзисторной технике. Эта схема обладает рядом важных преимуществ:

• Высокий коэффициент усиления по напряжению и току
• Средние значения входного и выходного сопротивлений
• Простота реализации
• Широкая полоса пропускания

Название «схема с общим эмиттером» обусловлено тем, что вывод эмиттера является общим для входной и выходной цепи. Все напряжения в схеме отсчитываются относительно эмиттера.

Как работает усилительный каскад с ОЭ?

Работа каскада с общим эмиттером основана на управлении током коллектора с помощью входного сигнала, подаваемого в цепь базы. Рассмотрим основные этапы усиления сигнала:

1. При увеличении входного напряжения (UВХ ↑) уменьшается ширина p-n перехода коллектор-база. Это приводит к росту тока эмиттера (IЭ ↑).
2. Рост тока эмиттера вызывает уменьшение выходного сопротивления транзистора (RВыхТр ↓). Соответственно, падает выходное напряжение (UВых ↓).
3. При уменьшении входного напряжения (UВХ ↓) процессы идут в обратном направлении — ток эмиттера падает, выходное сопротивление растет, выходное напряжение увеличивается.

Таким образом, усилительный каскад с общим эмиттером инвертирует фазу сигнала — выходное напряжение находится в противофазе со входным.

Основные характеристики усилительного каскада с ОЭ

Для анализа работы усилительного каскада с общим эмиттером используются следующие основные характеристики:

Статическая нагрузочная характеристика

Эта характеристика описывает зависимость выходного напряжения от входного и определяется уравнением:

UКЭ = EК — RКIК

где:

• UКЭ — напряжение коллектор-эмиттер
• EК — напряжение питания
• RК — сопротивление коллекторной нагрузки
• IК — ток коллектора

Нагрузочная характеристика позволяет определить рабочую точку усилителя и рассчитать основные параметры.

Амплитудная характеристика

Амплитудная характеристика показывает зависимость выходного напряжения от входного на средних частотах. По ней можно определить:

• Максимальную амплитуду неискаженного сигнала
• Коэффициент усиления по напряжению
• Уровень нелинейных искажений

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ)

АЧХ описывает зависимость коэффициента усиления от частоты входного сигнала. С ее помощью определяют:

• Полосу пропускания усилителя
• Неравномерность АЧХ
• Граничные частоты

Основные параметры усилительного каскада с ОЭ

К ключевым параметрам усилительного каскада с общим эмиттером относятся:

Коэффициент усиления по напряжению

Коэффициент усиления по напряжению KU определяется отношением амплитуды выходного напряжения к входному:

KU = UВых / UВх

Для схемы с ОЭ типичные значения KU составляют 10-100.

Входное сопротивление

Входное сопротивление каскада с ОЭ определяется параллельным соединением сопротивления базового делителя и входного сопротивления транзистора:

RВх = R1 || R2 || (h11э + (h21э + 1)RЭ)

Обычно входное сопротивление лежит в пределах 1-10 кОм.

Выходное сопротивление

Выходное сопротивление каскада с ОЭ приблизительно равно сопротивлению коллекторной нагрузки:

RВых ≈ RК

Типичные значения составляют 1-10 кОм.

Применение усилительного каскада с общим эмиттером

Благодаря своим преимуществам, усилительный каскад с ОЭ широко применяется в различных электронных устройствах:

• Предварительные усилители звуковой частоты
• Усилители промежуточной частоты в радиоприемниках
• Широкополосные усилители в видеотехнике
• Усилители постоянного тока в измерительной аппаратуре
• Импульсные усилители в цифровой технике

Схема с ОЭ часто используется в качестве базового усилительного каскада в многокаскадных усилителях.

Расчет основных параметров усилительного каскада с ОЭ

При проектировании усилительного каскада с общим эмиттером необходимо рассчитать следующие основные параметры:

Выбор рабочей точки

Рабочая точка выбирается на линейном участке выходной характеристики транзистора. Обычно принимают:

UКЭ0 = (0.3-0.5)EК

IК0 = (0.3-0.5)IКmax

Расчет сопротивления коллекторной нагрузки

Сопротивление RК определяет коэффициент усиления и выбирается из условия:

RК = (EК — UКЭ0) / IК0

Расчет элементов базового делителя

Сопротивления R1 и R2 базового делителя рассчитываются по формулам:

R1 = (EК — UБЭ) / (IБ0 + IД)

R2 = UБЭ / IД

где IД — ток делителя, обычно принимают IД = (3-5)IБ0

Расчет разделительных конденсаторов

Емкость разделительных конденсаторов определяется из условия:

C ≥ 1 / (2πfНRН)

где fН — нижняя граничная частота, RН — сопротивление нагрузки

Правильный расчет этих параметров позволяет спроектировать усилительный каскад с оптимальными характеристиками для конкретного применения.

Преимущества и недостатки усилительного каскада с ОЭ

Усилительный каскад с общим эмиттером имеет ряд преимуществ:

• Высокий коэффициент усиления по напряжению (10-100)
• Высокий коэффициент усиления по току (20-200)
• Средние значения входного и выходного сопротивлений
• Широкая полоса пропускания
• Простота схемотехнической реализации

К недостаткам схемы с ОЭ можно отнести:

• Инверсия фазы сигнала
• Зависимость параметров от температуры
• Относительно высокий уровень нелинейных искажений
• Необходимость температурной стабилизации рабочей точки

Несмотря на указанные недостатки, схема с общим эмиттером остается одним из самых распространенных схемотехнических решений благодаря удачному сочетанию основных параметров.

Способы улучшения характеристик усилительного каскада с ОЭ

Существует ряд способов улучшить характеристики усилительного каскада с общим эмиттером:

Отрицательная обратная связь

Введение отрицательной обратной связи позволяет:

• Стабилизировать коэффициент усиления
• Расширить полосу пропускания
• Уменьшить нелинейные искажения
• Повысить входное и понизить выходное сопротивление

Эмиттерная термостабилизация

Включение резистора в цепь эмиттера стабилизирует рабочую точку при изменении температуры. Это повышает надежность работы усилителя.

Двухтактные схемы

Применение двухтактных схем на основе каскадов с ОЭ позволяет значительно уменьшить нелинейные искажения и повысить выходную мощность.

Каскодные схемы

Каскодное включение транзисторов улучшает частотные свойства усилителя и повышает устойчивость.

Использование этих и других методов позволяет в значительной степени улучшить характеристики усилительных каскадов с общим эмиттером и расширить область их применения.

Электронные устройства автоматики

Электронные устройства автоматики

Королев Г. В. Электронные устройства автоматики: Учеб. пособие. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. шк.— 1991. — 256 с. В книге изложены теоретические основы, принципы действия и расчеты различных электронных устройств, применяемых в автоматике. Основной элементной базой описываемых устройств являются полупроводниковые интегральные схемы и транзисторы Во втором издании (1-е — 1983 г.) расширен материал по операционным усилителям, методически переработан ряд разделов. Оглавление ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ ВВЕДЕНИЕ РАЗДЕЛ I. УСИЛИТЕЛЬНЫЕ И РЕЛЕЙНЫЕ СХЕМЫ ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ УСИЛИТЕЛЕЙ § 1. 2. Коэффициент усиления. Линейные и нелинейные искажения § 1.3. Эквивалентная схема усилителя. Входное и выходное сопротивления § 1.4. Показатели многокаскадных усилителей § 1.5. Шумы в усилителях Вопросы и задачи для самопроверки ГЛАВА 2. ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ В УСИЛИТЕЛЯХ § 2.1. Виды обратных связей § 2.2. Влияние обратной связи на коэффициент усиления и искажения сигнала § 2.3. Влияние отрицательной обратной связи на входное сопротивление усилителя § 2.4. Влияние отрицательной обратной связи на выходное сопротивление усилителя Вопросы и задачи для самопроверки ГЛАВА 3. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ НА ТРАНЗИСТОРАХ § 3.1. Включение транзистора в схему усилительного каскада. Графический анализ работы каскада § 3.2. Режимы работы транзистора в схеме усилительного каскада. Однотактные и двухтактные схемы усилительных каскадов Вопросы и задачи для самопроверки ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ НА ТРАНЗИСТОРАХ § 4. 1. Каскад с общим эмиттером § 4.2. Схемы с общим эмиттером с термокомпенсацией рабочей точки покоя § 4.3. Частотные искажения в схеме с общим эмиттером. Область низких частот § 4.4. Широкополосные каскады с общим эмиттером § 4.5. Каскад с общей базой (повторитель тока) § 4.6. Каскад с общим коллектором (повторитель напряжения) § 4.7. Каскад с общим истоком § 4.8. Каскад с общим стоком (истоковыб повторитель) § 4.9. Выходные каскады (усилители мощности) Расчет бестрансформаторного двухтактного усилителя мощности Вопросы и задачи для самопроверки ГЛАВА 5. ПРАКТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ МНОГОКАСКАДНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ § 5.1. Усилители с резистивно-емкостной связью § 5.2. Усилители с непосредственной связью (усилители постоянного тока) § 5.3. Дифференциальные усилители § 5.4. Усилители постоянного тока с преобразованием сигнала § 5.5. Регулировка усиления сигнала в усилителях низкой частоты Вопросы и задачи для самопроверки ГЛАВА 6. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ § 6. 2. Эквивалентная схема и основные параметры Области применения операционных усилителей § 6.3. Линейные схемы на операционных усилителях § 6.4. Устойчисвость и частотная коррекция операционных усилителей § 6.5. Работа операционного усилителя на низкоомную нагрузку Вопросы и задачи для самопроверки ГЛАВА 7. РЕЛЕЙНЫЕ СХЕМЫ § 7.1. Электромагнитные контактные реле. Общие сведения и основные параметры § 7.2. Электронные реле § 7.3. Электронные реле времени § 7.4. Фотоэлектронные реле § 7.5. Электронные реле на тиристорах РАЗДЕЛ II. ВЫПРЯМИТЕЛИ И СТАБИЛИЗАТОРЫ § 8.1. Определение и параметры выпрямителя § 8.2. Схемы выпрямителей § 8.3. Сглаживающие фильтры § 8.4. Фазочувстительные выпрямители и усилители § 8.5. Управляемые выпрямители и инверторы Вопросы и задачи для самопроверки ГЛАВА 9. СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА § 9.1. Параметрические стабилизаторы § 9.2. Компенсационные стабилизаторы Расчет компенсационного стабилизатора непрерывного действия Вопросы и задачи для самопроверки РАЗДЕЛ III. ПРИНЦИП РАДИОСВЯЗИ. ИЗБИРАТЕЛЬНЫЕ СХЕМЫ § 10.1. Основные параметры радиопередающих и радиоприемных устройств § 10.2. Радиоприемник супергетеродинного типа Вопросы и задачи для самопроверки ГЛАВА 11. КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ КОНТУРЫ § 11.1. Свободные колебания в контуре § 11.2. Вынужденные колебания в последовательном контуре § 11.3. Вынужденные колебания в параллельном контуре § 11.4. Вынужденные колебания в связанных контурах Вопросы и задачи для самопроверки ГЛАВА 12. ГЕНЕРАТОРЫ СИНУСОИДАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ § 12.1. Принципы построения генераторов § 12.2. Генератор с фазовращающей RC-цепью Расчет генератора низкой частоты § 12.3. Генератор с мостом Вина в цепи обратной связи § 12.4. Генераторы с колебательными контурами § 12.5. Стабилизация частоты LC-генераторов. Кварцевые генераторы ГЛАВА 13. ИЗБИРАТЕЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ § 13.1. Узкополосные RC-усилители § 13.2. Резонансные усилители напряжения высокой частоты § 13.3. Резонансные усилители мощности высокой частоты (генераторы с независимым возбуждением) § 13. 4. Модуляция высокочастотного сигнала ЛИТЕРАТУРА

Усилительной каскад с общим эмиттером (ОЭ)

							13
этим точкам, даст нам			UКЭ = UКЭ4 −UКЭ3, а разность соответвующих
значений тока — изменение тока коллектора (					IК = IК4 − IК3).
	Типовые значения h–параметров для биполярных транзисторов
находятся в следующих пределах [2]:
	h21		h22	h31		h32
	103 . . . 104 Ом	2 ∙ 10−4 . . . 2 ∙ 10−3		20 . . . 200		10−5 . . . 10−6 См

1.2. Усилительной каскад с общим эмиттером (ОЭ)

1.2.1. Усилители

Усилитель это устройство, преобразующее сигнал малой мощности в сигнал большей мощности за счёт энергии источника питания.

Именно увеличение мощности выходного сигнала, по сравнению с мощностью входного, является характерной особенностью усилителя и отличает его от других преобразующих устройств, в которых изменяется либо напряжение, либо электрический ток, а мощность остаётся постоянной (точнее уменьшается, т. к. КПД любого устройства меньше единицы). Примером такого устройства может служить повышающий трансформатор, преобразующий входное напряжение в более высокое выходное, при этом мощность выходного сигнала, за счёт потерь, будет ниже, чем мощность входного.

Рис. 1.11. Обобщённая структурная схема многокаскадного усилителя

Применяемые на практике усилители являются достаточно сложными устройствами, которые содержат в себе несколько усилительных каскадов, обеспечивающих не только усиление входного сигнала, но и согласование с источником и нагрузкой.

Усилительный каскад это минимальный функциональный блок, обеспечивающий усиление сигнала. Обычно в его состав входят один или несколько усилительных элементов (электронный прибор, обеспечивающий усиление сигнала –– транзистор или электронная лампа), цепи обратной связи, элементы обеспечивающие режим по постоянному току, и т. д.

14	1. Теоретическое введение

На рис. 1.11 приведена обобщённая структурная схема многокаскадного усилителя. В общем случае усилитель состоит из входного каскада (с коэффициентом усиления КВХ), одного или нескольких каскадов предварительного усиления (КПУ1 . . . КПУn), и выходного кас-

када (КВЫХ).

Основной задачей входного и выходного каскадов является согласование усилителя с источником сигнала и нагрузкой, обычно это делается с целью получения согласованного режима работы цепи3. Каскады предварительного усиления обеспечивают необходимый уровень усиления сигнала. Если необходимый уровень выходного сигнала нельзя получить с помощью одного каскада, то ставят дополнительные, в количестве, обеспечивающем требуемый коэффициент усиления.

Важнейшей величиной, характеризующей усилительный каскад, является коэффициент усиления, равный отношению уровня выходного сигнала к уровню входного. Различают три коэффициента усиления –– коэффициент усиления по напряжению, току и мощности:

К

=

UВЫХ

, К

I

=

IВЫХ

, К

P

=

PВЫХ

=

IВЫХUВЫХ

= К К

I

U

UВХ

IВХ

PВХ

U

IВХUВХ

Исходя из определения усилителя (стр. 13) любой усилитель увеличивает мощность входного сигнала, и значит основным коэффициентом усиления должен быть коэффициент усиления по мощности, однако при проектировании усилителей акцент ставится на усиление одной из трёх величин, поэтому различают усилители напряжения, тока и мощности. Обычно информация в электронных устройствах передаётся путём изменения уровня напряжения, поэтому в литературе наиболее распостранён КU , и, в ряде случаев, он принимается за определение коэффициента усиления вообще.

При расчёте коэффициента усиления многокаскадного усилителя соответствующие коэффициенты усиления каскадов перемножаются:

КU = КU1 КU2 . . . КUn

Помимо коэффициента усиления, в широко используются ампли- тудно–частотная (АЧХ) и амплитудная характеристики усилителя.

3В согласованном режим работы выходное сопротивление источника сигнала равно входному сопротивлению нагрузки (например выходное сопротивления источника сигнала и входное сопротивление входного каскада). В этом случае обеспечивается максимальная мощность, но КПД будет равен 50 %, поэтому согласованный режим, в основном, используется в маломощных радиоэлектронных цепях, работающих со слабыми сигналами.

1.2. Усилительной каскад с общим эмиттером (ОЭ)	15

Амплитудно–частотная характеристика (АЧХ) (рис. 1.12) показывает зависимость коэффициента усиления от частоты.

Рис. 1.12. Амплитудно–частотная характеристика усилителя

Для анализа АЧХ усилителя наибольший интерес представляет участок, на котором коэффициент усиления практически не зависит от частоты и обозначается КСР. Этот участок ограничен в области низких частот нижней граничной частотой fН, а в области высоких — верхней граничной частотой fВ (рис. 1.12). Значения fН и fВ определяются величиной коэффициента частотных искажений, равного отношению коэффициента усиления на средней частоте (fСР), к коэффициенту усиления на нижней (fН) или верхней (fВ) частоте:

M = KUСР или M = KUСР . KUН KUВ

Обычно допустимые значения коэффициентов частотных искажений не превышают величину √2.

Частоты меньше fН и выше fВ образуют области частотных искажений и не используются в работе усилителя.

Полоса пропускания усилителя f, характеризует диапазон частот, на котором коэффициент искажений M не превышает допустимые значения и равен разности между верхней и нижней частотами усилителя:

f= fВ − fН

Взависимости от величин fН и fВ усилители делятся на:

1.Усилители медленно изменяющихся сигналов (или усилители постоянного тока, УПТ) – у них нижняя частота АЧХ мала

иприближается к 0 (fН → 0) а верхняя частота может достигать 103 . . . 108 Гц.

Рис. 1.13. Амплитудная характеристика усилителя

16	1. Теоретическое введение

2.Усилители низкой частоты (УНЧ) – нижняя частота равна десяткам герц, верхняя достигает сотен килогерц (для усилителей звуковой частоты (УЗЧ) — fВ = 15 . . . 20 000Гц).

3.Усилители высокой частоты (УВЧ) – диапазон частот начинается от сотен килогерц и простирается до десятков и сотен мегагерц.

4.Широкополосные усилители (ШПУ) – усиливают частоты от десятков герц до сотен мегагерц (в основном применяются в импульсной технике).

5.Узкополосные или избирательные усилители – применяются для усиления сигналов в узком диапазоне частот (в идеале усиливается одна частота).

Амплитудная характеристика усилителя (рис. 1.13) характеризует зависимость выходного напряжения от входного на средних частотах.

При отсутствии входного сигна-

ла (UВХ = 0) на выходе имеется

напряжение UШ, обусловленное внутренними шумами усилителя. Минимальное входное напряжение должно быть не менее чем в 2. . . 3 раза больше уровня внутренних шумов

(UВЫХ(UВХmin) > (2 . . . 3)UШ). Прямолинейный участок AB является рабо-

чим. Участок BC обусловлен нелинейностью усилительных элементов при высоком уровне сигнала.

Таким образом, при уровне входного сигнала меньше UВХmin мы не сможем отличить полезный сигнал от помех, а в случае UВХ > UВХmax выходной сигнал будет иметь нелинейные искажения.

1.2.2. Усилительный каскад с ОЭ

Усилительный каскад с общим эмиттером (рис. 1.14) является одним из самых распостранённых и применяется в каскадах предварительного усиления многокаскадных усилителях.

Название схемы «с общим эммитером» означает, что вывод эмиттера является общим для входной и выходной цепи. В этом случае

1.2. Усилительной каскад с общим эмиттером (ОЭ)	17

вывод эмиттера называется общим (обозначается знаком « », также используется термин «земля»), а все потенциалы измеряются относительно него.

Усилительный каскад с общим эмиттером работает следующим образом:

1.При увеличении входного напряжения (UВХ ↑) ширина p − n перехода между коллектором и базой уменьшается, в результате

возрастает ток в цепи эмиттера (IЭ ↑, см. рис. 1.3), а выходное сопротивление транзистора (между коллектором и эмиттером)

уменьшается (RВыхТр ↓), а следовательно уменьшается и падение напряжения на выходе транзистора (IЭRВыхТр = UВых ↓).

2.При уменьшении входного напряжения (UВХ ↓) ширина p − n перехода между коллектором и базой увеличивается, в результате

чего ток в цепи эмиттера уменьшается (IЭ ↓, см. рис. 1.3), а выходное сопротивление транзистора (между коллектором и эмиттером) увеличивается (RВыхТр ↑), следовательно увеличивается и

падение напряжения на выходе транзистора (IЭRВыхТр = UВых ↑).

Таким образом, усилительный каскад с
общим эмиттером сдвигает фазу выходного
сигнала, относительно входного, на 180о.
Характер изменения выходного напряже-
ния, при изменении входного от минимально-
го до максимального, определяется статиче-
ской нагрузочной характеристикой:
EК = UКЭ + RКIК
или	Рис. 1.14. Усилительной
UКЭ = EК − RКIК	каскад с общим
	эмиттером

Это выражение получено на основе II за-

кона Кирхгофа (рис. 1.14) и из него хорошо видна роль резистора RК –– фактически он определяет характер изменения выходного сигнала, а при его отсутствие (RК = 0), напряжение на выходе усилителя будет определятся исключительно источником питания:

EК = UКЭ.

При (RК =6 0), падение напряжения на RК будет зависеть от величины тока коллектора IК, связанного с величиной тока базы коэф-

18	1. Теоретическое введение

фициентом β: IК = βIБ. Отсюда следует, что напряжение на выходе каскада будет по форме повторять напряжение на входе.

Статическая нагрузочная характеристика определяет закон изменения выходного сигнала и строится на выходной характеристике транзистора. Эта характеристика является прямой линией, для построения которой достаточно двух точек, например точек её пересечения с осями. Выходная характеристика транзистора показывает зависимость IК от UКЭ, поэтому рассмотрим значения нагрузочной характеристике при IК = 0 (точка c) и UK = 0 (точка <d») (рис. 1.15):

UКЭ = EК |IК=0

IК = EК

RК UКЭ=0

Величина ЭДС источника питания EК выбирается несколько меньше максимально допустимого напряжения на коллекторе, задаваемого в характеристиках транзистора, в пределах EК = (0,7 . . . 0,9)UКЭmax

Величина RК выбирается из условия передачи максимальной мощ-

ности (согласованного режима): RК ≈ RВыхТр = 1/h32, что для биполярного транзистора составит 0,5 . . . 10 кОм.

Характер нагрузочной характеристики и коэффициент усиления, при заданной ЭДС источника питания EК, определяется величиной нагрузочного резистора RК, обеспечивающего необходимый уровень падения напряжения на выходе каскада и ограничивает ток коллектора.

Рис. 1.15. Нагрузочная	Рис. 1.16. Нагрузочная характеристика с
характеристика	ограничениями (штриховкой выделена
	область с недопустимыми значениями
	выходного сигнала)

Параметры усилителя

• После изучения этого раздела вы должны уметь:
• Опишите типовые параметры усилителя.
•   • Усиление.
•   • Частотная характеристика.
•   • Пропускная способность.
•   • Входное сопротивление.
•   • Выходное сопротивление.
•   • Фазовый сдвиг.
•   • Отзыв.

Описание усилителя

Говорят, что любой усилитель имеет определенные параметры. Это особые свойства, которые заставляют усилитель работать определенным образом и, таким образом, делают его подходящим для данной задачи. Типичные параметры усилителя описаны ниже.

Усиление

Усиление усилителя является мерой «Усиления» усилителя, т. е. насколько он увеличивает амплитуду сигнала. Точнее, это отношение амплитуды выходного сигнала к амплитуде входного сигнала, и оно обозначается символом «А». Его можно рассчитать для напряжения (A _v ), ток (A _i ) или мощность (A _p ). условия. Усиление или усиление для трех различных типов усилителей можно описать с помощью соответствующей формулы:

Коэффициент усиления по напряжению A

_В = Амплитуда выходного напряжения ÷ Амплитуда входного напряжения.

Коэффициент усиления по току A

_i = Амплитуда выходного тока ÷ Амплитуда входного тока.

Коэффициент усиления по мощности A

_p = Выходная мощность сигнала ÷ Входная мощность сигнала.

Коэффициент усиления усилителя зависит не только от используемых компонентов (транзисторов и т. д.), но и от того, как они соединены внутри усилителя. схема.

Частотная характеристика

Усилители не имеют одинакового усиления на всех частотах. Например, усилитель, предназначенный для усиления звуковой частоты, будет усиливать сигналы с частотой менее примерно 20 кГц, но не будет усиливать сигналы с более высокими частотами. Усилитель, предназначенный для радиочастот, будет усиливать полосу частот выше примерно 100 кГц, но не будет усиливать низкочастотные аудиосигналы. В каждом случае усилитель имеет определенную частотную характеристику, представляющую собой полосу частот, где он обеспечивает адекватное усиление, и исключая частоты выше и ниже этой полосы, где усиление менее чем адекватно.

Рис. 1.1.1a АЧХ аудиоусилителя

Рис. 1.1.1b АЧХ усилителя aRF, настроенного на 774 кГц

используется усилитель. На рис. 1.1.1а показана типичная частотная характеристика аудиоусилителя, а на рис. 1.1.1b — ВЧ-усилителя. На таких графиках часто встречаются очень большие значения как усиления, так и частоты. По этой причине обычно для оси графика и оси усиления используются логарифмические шкалы. Из рис. 1.1.1а видно, что масштабы по (горизонтальной) оси x не увеличиваются линейно; каждое равное деление представляет собой десятикратное увеличение частоты на графике. Это гарантирует, что очень широкий диапазон частот может быть отображен на одном графике. (Вертикальная) ось Y использует линейные деления, но логарифмические единицы (децибелы дБ). Кривая графика показывает, как усиление, измеренное в децибелах, зависит от частоты.

Сравнение рис. 1.1.1а и б, нарисованные таким образом, показывают, что каждый тип усилителя (аудио, ВЧ и т. д.) имеет свою характерную форму кривой частотной характеристики. Усилитель с очень узкой кривой отклика с острым пиком называется очень «избирательным». Это типично для радиочастотного усилителя и именно это необходимо в усилителе, предназначенном для каскадов настройки радиоприемника, где должна быть выбрана только одна несущая радиоволна среди многих сотен других, например, в диапазоне средних волн.

Полоса пропускания

Важной частью информации, которую можно получить из кривой частотной характеристики, является полоса пропускания усилителя. Это относится к «полосе» частот, для которой усилитель имеет полезный коэффициент усиления. Вне этой полезной полосы усиление усилителя считается недостаточным по сравнению с усилением в центре полосы. Полоса пропускания, указанная для усилителей напряжения, представляет собой диапазон частот, для которых коэффициент усиления усилителя превышает 0,707 от максимального коэффициента усиления (см. рис. 1.1.1.б). В качестве альтернативы, децибелы используются для обозначения коэффициента усиления, отношения выходного напряжения к входному (см. рис. 1.1.1.a). Полезная полоса пропускания на рис. 1.1.1a может быть описана как распространяющаяся на те частоты, на которых коэффициент усиления по напряжению на -3 дБ ниже по сравнению с коэффициентом усиления на средней частоте полосы. Можно использовать несколько способов описания полосы пропускания, во-первых, можно сказать (на рис. 1.1.1а), что «полоса пропускания составляет от 10 Гц до 20 кГц». В качестве альтернативы можно сказать (о рис. 1.1.1b): «Полоса пропускания равна 9кГц, с центром в 774 кГц», или даже что это «774 кГц плюс-минус 4,5 кГц».

Входной импеданс

Слово импеданс означает противодействие протеканию переменного тока. При 0 Гц (то есть при постоянном токе) импеданс (символ Z) совпадает с сопротивлением (R), но на частотах, отличных от 0 Гц, импеданс и сопротивление не совпадают. Входное сопротивление усилителя — это эффективное сопротивление между входными клеммами. «Эффективный» означает, что импеданс не обязательно является только сопротивлением компонентов усилителя (резисторов, конденсаторов и т. д.), фактически подключенных к входным клеммам, но представляет собой импеданс, воспринимаемый как количество тока, способного протекать через входные клеммы для данного напряжение сигнала, подаваемое на определенной частоте. На входной импеданс влияет ряд факторов, включая частоту подаваемого сигнала, коэффициент усиления усилителя, любую используемую сигнальную обратную связь и даже то, что подключено к выходу усилителя.

Выходное сопротивление

Рис. 1.1.2 Входное и выходное сопротивление усилителя

Выходное сопротивление усилителя зависит не только от фактических компонентов, подключенных к выходу усилителя. Это «кажущийся» импеданс, который лучше всего можно продемонстрировать как ответственный за падение напряжения сигнала на выходных клеммах усилителя, когда ток поступает с выходных клемм. Чем больше ток, потребляемый с выходных клемм, тем больше снижается напряжение выходного сигнала. Эффект аналогичен импедансу или сопротивлению, включенному последовательно с выходными клеммами.

Расчет усиления в многокаскадных усилителях.

Согласование входов и выходов необходимо для обеспечения передачи максимального количества сигнала между усилителем и любой другой схемой или устройством, предшествующим или следующим за ним. Обычно это бывает, когда коэффициент усиления одного усилителя недостаточен для данной цели. Затем используются несколько каскадов усиления, которые включают подачу сигнала с выхода одного усилителя на вход другого. (Это называется подключением усилителей в каскаде). В таких конструкциях выходное сопротивление первого усилителя и входное сопротивление второго усилителя образуют делитель потенциала, как показано на рис. 1.1.3

Рис. 1.1.3 Эффект делителя потенциала усилителей в каскаде

При включении усилителей напряжения в каскад входной сигнал на второй каскад в идеале должен составлять 100% от выходного напряжения первого каскада, т.е. иметь как можно большую амплитуду напряжения насколько это возможно. Это произойдет, если выходной импеданс первого усилителя будет намного меньше, чем входной импеданс второго усилителя. Это позволяет большей части напряжения, доступного на выходной клемме (точка A), развиваться на входном импедансе второго усилителя (и, следовательно, на его входных клеммах), а не на выходном импедансе первого усилителя.

Однако, если второй усилитель является усилителем тока, необходимо, чтобы на его входные клеммы протекал как можно больший ток. Поэтому в этом случае входное сопротивление второго усилителя должно быть низким. В случае усилителей мощности максимальная мощность передается с выхода на вход, если оба импеданса равны.

Значения входного и выходного импеданса оказывают значительное влияние на коэффициент усиления многокаскадных усилителей, и всегда есть некоторая потеря амплитуды сигнала, которая происходит из-за соединения последовательных каскадов усилителя. При расчете общего усиления многокаскадного усилителя общее усиление должно быть равно произведению индивидуальных коэффициентов усиления каждого усилителя. т. е. если каждый каскад двухкаскадного усилителя имеет коэффициент усиления 10, то общий коэффициент усиления должен быть 10 x 10 = 100. Однако на практике это недостижимо из-за потерь связи, возникающих при согласовании усилителей, и немного меньшего общие результаты усиления.

Фазовый сдвиг

Фазовый сдвиг в усилителе — это величина (если есть), на которую выходной сигнал задерживается или опережает по фазе входной сигнал, выраженный в градусах. Если происходит фазовый сдвиг на 90 градусов, то пик выходной волны происходит через четверть периода после пика входной волны. Такой сдвиг может быть вызван влиянием таких компонентов, как резисторы, катушки индуктивности и конденсаторы в схеме усилителя. Действие транзистора в однокаскадном усилителе может вызвать фазовый сдвиг на 180 градусов, поэтому вход и выход будут в «противофазе». Важен ли фазовый сдвиг в усилителе, зависит от назначения усилителя.

Рис. 1.1.4 Фазовый сдвиг

При проектировании многокаскадных усилителей необходимо учитывать фазовый сдвиг, поскольку величина фазового сдвига зависит от частоты. Возможно, что на некоторых частотах общий фазовый сдвиг может достигать 360 градусов. Если выходному сигналу такой системы позволить повторно войти на вход, то возникает положительная обратная связь, и усилитель становится нестабильным и, вероятно, будет колебаться.

Обратная связь

Рис. 1.1.5 Отрицательная обратная связь снижает усиление, искажения и шум, а также увеличивает полосу пропускания.

Рис. 1.1.6 Влияние отрицательной обратной связи на полосу пропускания.

Обратная связь — это процесс, когда часть выходного сигнала усилителя подается обратно на вход. Обратная связь может быть организована для увеличения или уменьшения входного сигнала. Когда обратная связь используется для увеличения входного сигнала, это называется ПОЛОЖИТЕЛЬНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ, а когда эффект обратной связи уменьшает входной сигнал, это называется ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ.

ПОЛОЖИТЕЛЬНАЯ ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ возникает, когда сигнал обратной связи находится в фазе с входным сигналом. Это увеличивает амплитуду входного и, следовательно, выходного сигнала, эффективно увеличивая коэффициент усиления усилителя.

ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ возникает, когда сигнал обратной связи находится в противофазе с входным сигналом, эффективно уменьшая амплитуду входного и, следовательно, выходного сигнала. Это вызывает снижение усиления. См. рис. 1.1.5.

В высококачественных усилителях отрицательная обратная связь часто используется для уменьшения усиления усилителя. Особым преимуществом этого является то, что любое искажение сигнала или фоновый шум, создаваемый усилителем, также уменьшается.

Еще одним полезным эффектом является то, что применение отрицательной обратной связи увеличивает полосу пропускания усилителя. Причину этого можно увидеть на рис. 1.1.6, где уменьшение высоты кривой усиления приводит к увеличению интервала между точками 0,707, что расширяет полосу пропускания.

К началу страницы

 

ТРЕХСТУПЕНЧАТЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ОГРАНИЧИТЕЛЕМ ТОКА | Мини проекты | Учебник по электронике |

Главная > Мини проекты > Трехкаскадный усилитель с ограничителем тока

Пред.

След.

ТРЕХКАСКАДНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ОГРАНИЧИТЕЛЕМ ТОКА

Аннотация — Характеристики однокаскадного усилителя часто недостаточны для много приложений, поэтому несколько этапов могут быть объединены в многоступенчатый усилитель звука. Эти каскады соединены каскадом, т.е. выход первого ступень подключена к форм-входу второй ступени, выход которой становится ввод третьей ступени и так далее. Общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя является продуктом выигрышей отдельных этапов. Три стадии усилитель с ограничителем тока состоит из трех каскадов, а именно дифференциального Усилитель, Комбинация диодов и резисторов, цепь и ток ограничитель

. Дифференциальный усилитель — это тип электронного усилителя, который усиливает разница между двумя входными напряжениями, но подавляет любое общее напряжение на два входа. Текущее ограничение — это практика наложения верхнего ограничение тока, подаваемого на нагрузку с целью защиты схема от короткого замыкания заменена многоступенчатыми транзисторными усилителями.В Многокаскадные усилители, выход первого каскада соединен с входом следующей ступени с помощью соединительного устройства. Эти усилители принимают звук сигналы от источника звука, усиливать эти сигналы, генерировать звук текущие сигналы на основе этих усиленных сигналов и выводить текущий сигналы динамикам. Именно эти текущие сигналы управляют динамики и заставить их воспроизводить звуковые сигналы, которые генерируются источником звука для создания звука. В трехкаскадном усилителе первый каскад состоит из дифференциального усилителя, второй каскад состоит из соединительное устройство в виде комбинации диодов и третьего каскада использует ток ограничитель. Три этапа: первый этап-дифференциальный усилитель, второй каскад-комбинация диодов, третий каскад-ограничитель тока

I. ВВЕДЕНИЕ

Здесь мы реализовали трехкаскадный усилитель, который будет усиливать звуковой сигнал от разъема для наушников и управлять динамиком с низким импедансом или используется в любом другом устройстве, требующем усиления входного сигнала. Многокаскадные усилители остро необходимы с развитием технологий, из-за того, что однокаскадный каскодный усилитель уже не подходит в низковольтных конструкциях. Более того, короткоканальный эффект субмикронного КМОП-транзистор вызывает ухудшение выходного импеданса и, следовательно, коэффициент усиления усилителя резко снижается.

В практических приложениях выходной сигнал однокаскадного усилителя обычно недостаточно, хотя это усилитель напряжения или мощности. Следовательно, они являются

Рисунок 1

И. Первая ступень

Первый каскад состоит из дифференциального усилителя. Этот дифференциал Усилитель используется в конфигурации с двойным входом и сбалансированным выходом. Как синусоидальный вход подается на базовую клемму одного транзисторов, а второй вход получается со второго каскада. Выход снимается с коллекторов обоих транзисторов, находящихся на одинаковый постоянный потенциал относительно земли. Таким образом, дифференциальный усилитель работает в конфигурации с двойным входом и балансным выходом.

Требуются два согласованных полупроводниковых транзистора одного типа (BJT). для дифференциального усилителя. Все компоненты двух — эмиттерные схемы на транзисторах со смещением, составляющие дифференциальный усилитель, должны быть согласованы во всех отношениях для правильной работы.

фигура 2

Также величина питающих напряжений +Vcc и -Vee должна быть одинаковой. Здесь, в трехкаскадный усилитель, мы использовали величину как (Vcc=10V и Vee=-10V) . Многокаскадный усилитель можно получить прямым соединением между последовательные каскады дифференциального усилителя. Непосредственная связь между каскады устраняют нижнюю граничную частоту, обусловленную разделительными конденсаторами. Но в непосредственной связи между последовательными этапами полученный выигрыш не заметно или не в той степени, которая требуется на выходе Терминал. Итак, мы использовали здесь средний этап, который является вторым этапом. в которой резисторы и диоды подключены так, что транзисторы пристрастный.

На вход подается синусоидальная волна с размахом 10 В. Вход подается при база одного из транзисторов и второй вход транзистора питается со второй ступени. Выход берется с коллектора два транзистора. Два используемых транзистора являются транзисторами npn.

Таким образом, этот дифференциальный усилитель усиливает разницу между входные сигналы, подаваемые на две входные клеммы.

НАБЛЮДЕНИЯ для этапа 1:

Выход наблюдается на коллекторе двух транзисторов. Выход усиленный сигнал разницы между двумя входными клеммами.

Vвых = Ad(V2-V1)

Этот усиленный выход передается на следующий этап для дальнейшего усиления. усиление на следующем этапе осуществляется сетью, которая представляет собой комбинацию диоды и резисторы.

РЕЗУЛЬТАТ МОДЕЛИРОВАНИЯ:

ПЕРВАЯ ЭТАП:

II. ВТОРАЯ СТУПЕНЬ

Усиление второй ступени осуществляется сетью, состоящей из Комбинация резисторов и диодов.

Рисунок 3

Средняя ступень в основном служит буфером переменного и постоянного тока между двумя этапы. Если бы мы напрямую каскадировали вход и выходные каскады вместе, произойдут следующие две вещи:

1. Поскольку ток смещения выходного каскада намного выше, чем входного каскада, база транзистора выходного привода будет потреблять значительную ток от резистора и полностью изменить точку смещения на выходе входной каскад.

2. Выходное сопротивление входного каскада и входное сопротивление выходные каскады имеют аналогичные величины. Не все напряжение, генерируемое входной каскад будет связан с выходным каскадом из-за нагрузки эффект.

В этом каскаде даже используется защита цепи с одним наклоном.

РЕЗУЛЬТАТ МОДЕЛИРОВАНИЯ:

ВТОРАЯ ЭТАП:

3

Рисунок 3

Приведенный выше рисунок ограничителя тока работает более эффективно от одного (Vcc) питание. R1 позволяет Q1 включаться и передавать напряжение и ток на нагрузка. Когда ток через R_sense превышает расчетный предел, начинается Q2. включиться, который в свою очередь начинает выключать Q1, тем самым ограничивая нагрузку текущий. Дополнительный компонент R2 защищает Q2 в случае аварии. короткозамкнутая нагрузка. Когда Vcc составляет по крайней мере несколько вольт, можно использовать полевой МОП-транзистор. Q1 для более низкого падения напряжения.