Линейные усилительные каскады

Усилители, как правило, состоят из нескольких каскадов, осуществляющих последовательное усиление сигнала. Число каскадов зависит от требуемых значений коэффициентов усиления по напряжению, току и мощности. Усилительные каскады подразделяют на каскады предварительного усиления и выходные каскады. Первые предназначены для повышения уровня сигнала по напряжению, а вторые – для получения требуемого тока или мощности сигнала в нагрузке. Процесс усиления основывается на преобразовании энергии источника постоянного напряжения Е в энергию переменного напряжения в выходной цепи за счет изменения сопротивления активного усилительного элемента по закону, задаваемому входным сигналом.

Ввиду обязательного использования для питания источника постоянного напряжения Е ток и напряжение в выходной цепи являются однополярными. При этом их следует рассматривать как переменные составляющие суммарных тока и напряжения, накладывающиеся на их постоянные составляющие I _П и U _П (рис. 1.53, а и б).

а)

б)

Рис. 1.53

При этом должны соблюдаться условия: I _П ≥ I_m; U _П ≥ U_m. Если эти условия не будут выполняться, то ток в выходной цепи на отдельных временных интервалах будет равен нулю, что приведет к искажению его формы.

Таким образом, для обеспечения работы усилительного каскада при переменном входном сигнале в его выходной цепи должны быть созданы постоянные составляющие тока I _П и напряжения U _П. Задачу решают путем создания определенных постоянных токов и напряжений в схеме усилительного каскада. Эти постоянные токи и напряжения определяют режим покоя или статический режим каскада и характеризуют электрическое состояние схемы независимо от присутствия или отсутствия входного сигнала.

1.10.1. Характеристики и режимы работы однокаскадного УНЧ

Рассмотрим усилитель низкой частоты (УНЧ), выполненный на биполярном p-n-p транзисторе (VT), включенном по схеме с ОЭ (рис. 1.54). При большом разнообразии усилительных схем всегда обязательными элементами являются: активный элемент – транзистор, сопротивление в цепи его коллектора и источник питания Е. Остальные элементы, включая элементы цепей обратных связей, играют вспомогательную роль и предназначены для повышения температурной стабильности или улучшения отдельных характеристик и параметров усилителя. Схема УНЧ, в рассматриваемом случае, содержит также генератор синусоидальных сигналов низкой частоты ГНЧ, резистивный делитель R 1, R 2, резисторы в цепях коллектора R 3 и эмиттера R 4, активную нагрузку на резисторе R 5, разделительные входной и выходной конденсаторы, соответственно С 1 и С 2, конденсатор в цепи обратной связи С 3.

Рис. 1.54

Основными характеристиками УНЧ являются: коэффициент усиления К, входное R_вх и выходное R_вых сопротивления, амплитудная, амплитудно-частотная (АЧХ) и фазо-частотная (ФЧХ) характеристики (1.55, а, б, в) полоса пропускания, динамический диапазон D, выходная мощность Р _вых, коэффициент полезного действия (КПД) η.

В зависимости от характера входной и выходной величин К подразделяют на коэффициент усиления: по напряжению К_U = U _вых/ U _вх, по току К_I = I _вых/ I _вх, по мощности К_P = P _вых/ P _вх. В ряде случаев К выражают в логарифмических единицах – децибелах (дБ):

К_UдБ = 20 lg (U _вых/ U _вх);

К_IдБ = 20 lg (I _вых/ I _вх);

К_PдБ = 10lg(P_вых/ P _вх).

Так как в многокаскадных усилителях общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления всех каскадов, то часто удобней пользоваться логарифмическими единицами, позволяющими осуществлять суммирование логарифмических коэффициентов усиления отдельных каскадов.

Коэффициенты усиления К_U и К_I в общем случае являются комплексными величинами, характеризуемыми векторами с соответствующими модулем и фазой. Это связано с тем, что отдельные составляющие спектра сигнала усиливаются по-разному из-за наличия реактивных элементов в схеме и инерционности транзисторов.

Амплитудной характеристикой усилителя называется зависимость амплитудного значения напряжения первой гармоники выходного напряжения от амплитуды синусоидального входного напряжения (см. рис. 1.55, а). Для идеального усилителя амплитудная характеристика является линейной (см. рис. 1.55, а, пунктирная линия). У реального усилителя эта зависимость нелинейная из-за нелинейности ВАХ транзистора.

Графики АЧХ и ФЧХ представляют собой зависимости модуля коэффициента усиления | K | и угла сдвига фазы φ между выходным и входным напряжениями от частоты (см. рис. 1.55, б и в). График АЧХ идеального усилителя представляет собой прямую линию зависимости К (f), уходящую в бесконечность (пунктирная линия на рис. 1.55, б). Реальный УНЧ имеет «завалы» АЧХ в области низких и высоких частот, обусловленные в первом случае наличием конденсаторов, а во втором – преимущественно свойством p-n – переходов транзистора.

а)

б)

в)

Рис. 13

График ФЧХ идеального УНЧ представляет собой линии, совпадающие с осями координат в первом квадранте. Это говорит о том, что у идеального усилителя входной и выходной сигналы совпадают по фазе и не зависят от частоты.

Полоса пропускания или рабочий диапазон частот усилителя – полоса частот от низшей рабочей частоты f _Н до высшей рабочей частоты f _В, в пределах которой коэффициент усиления не выходит за пределы заданных допусков. Это относится как к модулю, так и к фазе коэффициента усиления. Полоса пропускания определяется на уровне 3 дБ. Это диапазон в пределах ∆ f = f _В - f _Н, в котором коэффициент усиления снижается относительного своего значения К ₀ на средней частоте f ₀ на 3 дБ (в раз или на 0, 707 К ₀) (см. рис. 1.55, б). Для определенности К ₀ часто определяется на частоте

.

Динамический диапазон усилителя определяется отношением наибольшего допустимого значения входного напряжения к его наименьшему допустимому значению

D = U _{вх max} / U _{вх min}; D _(дБ) = 20 lg (U _{вх max} / U _{вх min}).

Напряжение U _{вх max} ограничено искажениями сигнала, вызванными выходом рабочих точек усилительных каскадов за пределы линейного участка амплитудной характеристики. Напряжение U _{вх min} ограничено уровнем собственных шумов усилителя, на фоне которых полезный сигнал не удается выделить. В ряде случаев напряжением U _{вх min} считается сигнал, который дает выходное напряжение, равное действующему значению напряжения шумов усилителя.

Выходная мощность характеризуется номинальной выходной мощностью Р _{вых.ном}, под которой понимают мощность на выходе усилителя при работе на заданную нагрузку.

Коэффициент полезного действия – отношение выходной мощности, отдаваемой усилителем в нагрузку, к общей мощности Р ₀, потребляемой от источника питания: η = Р _вых/ Р ₀. Он характеризует энергетические показатели усилителя.

Входное сопротивление R _вх усилителя определяется параллельным включением цепи смещения базы R _Б = R 1// R 2 и входным сопротивлением r _вх транзистора: R _вх = R 1// R 2 // r _вх. Из второго уравнения Кирхгофа, составленного для входной цепи УНЧ, будем иметь

(1.38)

Здесь R _Э это R 4 на схеме УНЧ (см. рис. 1.54).

Таким образом, R _вх транзисторного каскада по схеме с ОЭ определяется цепью резистивного делителя R 1 и R 2, коэффициентом передачи тока базы β (или h _21Э) и сопротивлением обратной связи в цепи эмиттера R 4, при допущении, что С 3 отключен.

Выходное сопротивление УНЧ определяется при отключенной нагрузке по переменному току R _H и отсутствии входного сигнала, т.е. при i _Б = 0. Для усилительного каскада сопротивление коллекторного перехода r _кʹ >> R 3. Поэтому R _вых = R 3. В общем случае, если учитывать r _кʹ, то R _вых = R 3// r _кʹ.

В зависимости от назначения рассматривают и другие характеристики усилителя. Например, усилительная аппаратура, предназначенная для высококачественного воспроизведения звукового сигнала, должна обладать минимальными нелинейными, частотными и переходными искажениями, а также качественными другими характеристиками. Связанные с этим вопросы рассматриваются в соответствующей литературе.

1.10.2. Статический режим транзисторного каскада определяется выбором рабочей точки О на нагрузочной линии АБ семейства выходных и входной ВАХ транзистора (рис. 1.56, соответственно а и б) при допущении о безинерционности активного элемента усилителя, когда любое изменение сигнала на входе вызывает мгновенную реакцию на его выходе (изменение тока). Это возможно при условии Т _с >> τ_D, т.е. период входного сигнала Т _с гораздо больше времени перемещения τ_D подвижных носителей заряда в p-n – переходах транзистора. Такой режим работы активного элемента (транзистора) УНЧ называют динамическим. С учетом этого и в условиях, когда выходные и входные ВАХ транзистора являются сильно нелинейными, характеристики его статического режима (режима по постоянному току или режима покоя) наиболее просто определяются графоаналитическим методом.

Семейство выходных ВАХ (или коллекторных характеристик) транзистора

(1.39)

приведены на рисунке 1.56, а.

а) б)

Рис. 1.56

При анализе статический режим предполагает равенство бесконечности сопротивлений конденсаторов и равенство нулю внутреннего сопротивления источника питания, т.е. считается, что он идеальный. С учетом этого уравнение, составленное по второму закону Кирхгофа для контура, включающего резисторы R 3, R 4, переход КЭ транзистора VT и выходы источника питания (см. рис. 1.54), имеет вид:

I к(R 3 + R 4) + U кэ = Е к.

(1.40)

Решение уравнения (1.40) относительно I _к дает соотношение, которое называется уравнением нагрузочной прямой по постоянному току:

.

Построение нагрузочной прямой производится по двум точкам ее пересечения с координатными осями:

U _кэ = 0; I _к = E _к/(R 3+ R 4) ≤ I _{к доп};

I _к = 0; U _кэ = E _к ≤ U _{кэ доп},

где I _{к доп}, U _{кэ доп} – допустимые значения коллекторного перехода транзистора из условия его безопасной работы.

Рабочая точка О на нагрузочной прямой в общем случае находится в середине отрезка АВ. Если точка О не попадает на ближайшую кривую ВАХ из всего семейства кривых I _б, то производится экстраполяция положения точки О на прямой АВ между двумя соседними кривыми из семейства выходных ВАХ транзистора (пунктирная линия между кривыми I _б3 и I _б4 на рис. 1.56, а).

Нагрузочная прямая АВ (см. рис. 1.56, а) называется так же выходной динамической характеристикой, показывающей зависимость тока коллектора I _к и коллекторного напряжения U _кэ от тока базы I _б в рабочей точке О при условии

Е _к = const, R _к = const (R 3 = const, см. рис. 1.54).

Положение рабочей точки О на выходной динамической характеристике позволяет определить три из четырех параметров статического режима транзистора: I _к0, U _кэ0, I _б0.

Индекс «0» указывает на принадлежность соответствующих значений токов и напряжений координате рабочей точки О в статическом режиме. При этом ток I _к0 не следует отождествлять с обратным неуправляемым током коллектора транзистора.

Четвертый параметр статического режима U _бэ0 определяется графически по входной ВАХ транзистора (см. рис. 1.56, б).

Таким образом, рабочая точка О на выходной динамической характеристике задает постоянные токи и напряжения транзистора, т.е. режим схемы УНЧ по постоянному току при отсутствии сигнала на его входе. Рабочая точка определяет качество работы усилительного элемента и его рабочие характеристики.

При подаче входного гармонического сигнала линейное изменение токов и напряжений должно происходить относительно выбранной точки О в пределах отрезка АВ выходной динамической характеристики. Только тогда выходной ток усилительного каскада будет линейно изменяться по закону входного гармонического сигнала в течение всего периода его колебаний.

Выходная динамическая характеристика за пределами отрезка АВ определяет ключевой режим транзисторного каскада при управляющем входном сигнале прямоугольной формы. Режим транзистора, когда ток коллектора возрастает до значений, превышающих границу отрезка АВ, является режимом насыщения (заштрихованная область, примыкающая к оси ординат на рис. 1.56, а). Режим транзистора, когда ток коллектора снижается ниже точки В выходной динамической характеристики, является режимом отсечки (заштрихованная область, примыкающая к оси абсцисс на рис. 1.56, а). Ключевой режим предполагает нахождение рабочей точки транзистора в течение всего времени работы или в области насыщения или в области отсечки, за исключением времени переключения, в моменты, когда он переходит из одной области в другую и наоборот. Чем быстрее осуществляется этот переход, чем меньшей инерционностью обладает транзистор, тем он качественнее в части величины мощности рассеивания на его коллекторном переходе. В режимах насыщения и отсечки активная мощность Р, выделяемая на транзисторе, стремится к нулю, т.к. в обоих этих режимах произведение тока коллектора I _к на напряжение U _кэ минимально.

Учитывая тот факт, что в режимах насыщения и отсечки транзисторный каскад в минимальной степени подвержен влиянию электромагнитных помех, можно сделать заключение о том, что ключевой режим является в максимальной степени не только экономичным по энергозатратам, но и помехозащищенным. Поэтому на основе ключевого режима транзисторов базируется цифровая электроника с большим числом всевозможных приложений, и, в частности, принципы организации цифрового телевидения.

1.10.3. Графоаналитический расчет режима по переменному току определяется соответствующей нагрузочной прямой, проходящей чрез точку О, т.к. при отсутствии входного сигнала последняя является общей точкой для обоих нагрузочных прямых – соответствующих статическому режиму и режиму по переменному току. Угол наклона прямой по переменному току определяется сопротивлением R _к // R _н = R _кн, где R _к – сопротивление резистора в цепи коллектора транзистора (R 3 на схеме рис. 1.54); R _н – сопротивление нагрузки (R 5). При этом сопротивлением конденсаторов пренебрегаем ввиду их малости в полосе рабочих частот.

Вторая точка нагрузочной прямой по переменному току определяется перемножением произвольного приращения тока коллектора ∆I _к относительно точки О ивеличины R _кн: ∆U_кэ = ∆I _к R _кн. При условии ∆I _к = I _{к m} и соответственно ∆U_кэ = U_кэm определяются координаты: (I _к0+ ∆I _к) и (U_кэ0 – ∆U_кэ) – второй точки на прямой R _кн (точка С на рис. 1.56, а).

Нагрузочная прямая R _кн называется выходной нагрузочной характеристикой по переменному току, показывающей зависимость тока коллектора I _к и напряжения U_кэ от тока базы I _б при условии Е _к = const, R _кн = const.