VI. Текст лекции

Федеральное государственное казенное военное

Образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного» Министерства обороны Российской Федерации

Кафедра № 2

УТВЕРЖДАЮ

Начальник 2 кафедры

полковник

А. Давыдов

«_____» ____________ 2013 года

ЛЕКЦИЯ

По учебной дисциплине «Схемотехника телекоммуникационных устройств»

(ДК3-0903)

Тема № 2	«Усилители электрических сигналов»
Занятие № 9	«Резистивные усилители напряжения»

Обсуждена на заседании кафедры

(предметно-методической комиссии)

Протокол № _____ от

«_____» ____________ 2013 года

Санкт-Петербург

I. Учебные цели

1. Изучить основные типы резистивных усилительных каскадов и их основные свойства.

2. Совершенствовать навыки конспектирования.

II. Воспитательные цели

1. Развитие профессионально важных качеств военных специалистов.

III. Расчет учебного времени

Содержание и порядок проведения занятия	Время, мин.
ВСТУПИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Учебные вопросы:
1. Частотные характеристики резистивного усилителя с ОЭ
2. Эмиттерный повторитель (ЭП), дифференциальный усилитель
ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

IV. Литература

1.Сизяков В.Н., Сопин СП. Усилители электрических сигналов. Курс лекций. Часть 1 СПВВИУС, 1991.

2.Ногин В.Н., Павлов В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств. Москва «Горячая линия-Телеком» 2001 г.

V. Учебно-материальное обеспечение

1. Доска, мел, указка.

VI. Текст лекции

ВВЕДЕНИЕ

К апериодическим, согласно классификации, относятся усилители с резистивной или трансформаторной нагрузкой.

Резистивные усилители это как правило каскады предварительного усиления и их основной задачей является обеспечение большого коэффициента усиления для слабого сигнала входного источника. Трансформаторная нагрузка в каскадах предварительного усиления используется, если требуется согласование между низким входным сопротивлением последующего каскада и высоким выходным сопротивлением транзистора предыдущего каскада или как простой способ получения парафазного сигнала на входе следующего каскада. Особый класс усилителей с трансформаторной нагрузкой представляют усилители мощности.

VI Текст лекции

1. Частотные характеристики резистивного усилителя с ОЭ

Будем считать, что входное сопротивление каждого последующего каскада многокаскадного усилителя много больше выходного сопротивления каждого последующего каскада многокаскадного усилителя много больше выходного предыдущего, т.е. входная цепь последующего каскада не влияет на работу предыдущего. Тогда передаточная функция многокаскадного усилителя может быть получена как произведение передаточных функций отдельных каскадов.

Если усилитель состоит из одинаковых каскадов, имеющих одинаковые передаточные функции: (jɷ)= , где (jɷ)- передаточная функция многокаскадного усилителя; (jɷ)- передаточная функция любого из n-каскадов многокаскадного усилителя.

АЧХ многокаскадного усилителя:

(ɷ)=

Или для логарифмической АЧХ:

(ɷ) = n

ФЧХ многокаскадного усилителя: = n argК(jɷ)= n (ɷ), где

(ɷ)- фазочастотная характеристика любого из n- каскадов.

Посмотрим, как изменяется граничные частоты и полоса пропускания многокаскадного усилителя по сравнению с этими же параметрами каскадов, в него входящих. Все каскады имеют одинаковые АЧХ. АЧХ i-того каскада:

=

АЧХ многокаскадного усилителя из n-каскадов

(ɷ)= =

Область нижних частот ɷ<< , т.е. <<1

(ɷ) =

На нижней граничной частоте коэффициент усиления уменьшается в раз по сравнению с коэффициентом усиления по средней частоте, т.е.

= = =

>

Область верхних частот: ɷ >> , т.е. << 1

(ɷ) =

На верхней граничной частоте коэффициент усиления уменьшается в раз по сравнению с коэффициентом усиления на средней частоте, т.е.

= = =

<

У многокаскадного усилителя нижняя граничная частота оказывается выше, верхняя ниже соответствующих граничных частот отдельных каскадов, входящих в его состав. Полоса пропускания многокаскадного усилителя уже, чем у каскадов его образующих.

Если многокаскадный усилитель образован каскадами, у которых одноименные граничные частоты сильно отличаются друг от друга

= max

= min

Рассмотрим пример построения АЧХ двухкаскадного усилителя.

Пусть первый каскад – эмиттерный повторитель имеет параметры:

= -2 дБ

= 50 Гц

= 100 кГц

Второй каскад - усилитель с общим эмиттером:

= 40 дБ

= 100 Гц

= 20 кГц

Построим асимптотические логарифмические АЧХ и ФЧХ многокаскадного усилителя как суммы характеристик каскадов его составляющих (рис. 7.10)

Двухкаскадный усилитель имеет:

= 38 дБ

= 100 Гц

= 20 кГц

Введением межкаскадной ООС можно снизить коэффициент усиления в области средних частот и увеличить полосу пропускания. При этом надо учесть, что на частотах ниже 50 Гц и выше 100 кГц ОС превращается в положительную и может привести к самовозбуждению, если в этих диапазонах частот выполняется условие: К (f) β≥1

Проверим, приведет ли ОС = β дБ к самовозбуждению:

= 13 дБ => = = 4.5

= 38 дБ = 79.5

β = = 0.044

= 1при К(f) = 22.7 = 27.1 дБ

В обл. ВЧ - нет

В обл. НЧ – да, т.к. при f ≤ 50 Гц φ = 360` и К(f) = 31 дБ > 27.1

Наиболее широкое распространение получил резистивный усилитель с общим эмиттером, благодаря способности обеспечивать хорошее усиление как по напряжению, так и по току. Его типовая схема приведена на рис.5.1.

Усилительный элемент - биполярный транзистор, схема его включения -общий эмиттер. Резисторы R_B1 и R_B2 обеспечивают напряжение смещения во входной цепи, т.е. задают положение рабочей точки.

В схеме используется комбинированная стабилизация статического режима. Включение делителей R_B1, R_B2 между резисторами R_k и делает напряжение на входе делителя зависящим от коллекторного тока и обеспечивает коллекторную стабилизацию.

К элементам питания выходной цепи относятся Е_к, Rk, Rs-

Резистор R_K является нагрузкой транзистора, на которой формируется выходное напряжение.

Конденсатор С_ф устраняет возможные пульсации напряжения питания коллекторной цепи, если в качестве источника питания Е_к используется выпрямитель, и предотвращает влияние переменной составляющей коллекторного тока на величину Е_к, возникающее из-за отличного от нуля внутреннего сопротивления источника питания. Последнее очень важно в многокаскадных усилителях, питающихся от одного источника.

6_С, R_c, R_H, С_н - элементы, отображающие источник входного сигнала и внешнюю нагрузка,Уно влияют на его работу.

Конденсаторы C_Pi и С_Р2 разделяют по постоянному току соответственно источник входного сигнала и усилитель, усилитель и нагрузку, делая независимыми их статические режимы, что удобно при расчете, анализе и настройке усилителей.

Основным параметром такого усилителя является коэффициент усиления

по напряжению Влияет на величину К_и и соотношение между R_c и выходным сопротивлением усилителя. Для получения наибольшего К_и

НуЖНО, ЧТОбы R_c «R_BX.yc.

^0

Для нахождения коэффициента усиления"/ воспользуемся схемой замещения усилителя - упрощенной моделью, учитывающей особенности всех элементов в рассматриваемой области частот. Транзистор представим его простейшей Т-образной низкочастотной схемой замещения. В области средних частот сопротивления конденсаторов

о том, что фаза выходного сигнала отличается от фазы входного на 180°. Говорят, что усилитель является инвертором.

В области НЧ: необходимо учесть влияние разделительных конденсаторов. Будем считать, что влияние на работу усилителя оказывает только С_Р2, a C_Pi имеет достаточно большую величину, чтобы в области НЧ характеризоваться практически В области НЧ:

В области ВЧ необходимо учесть влияние емкости нагрузки:

Общее выражение для коэффициента усиления:

Входное и выходное сопротивления усилителя в области средних частот могут быть получены с помощью схемы замещения.

При малых амплитудах входного сигнала усилитель не искажает его формы, т.е. выходной сигнал имеет ту же форму, что и входной. Увеличение амплитуды входного сигнала может привести к нелинейным искажениям. Диапазон амплитуд входного сигнала обеспечивающий работу усилителя без нелинейных искажений или с допустимыми искажениями характеризуется

динамическим диапазоном усилителя и может быть определен по его амплитудной характеристике.

Возможные значения основных параметров резистивного усилителя с ОЭ:

2. Эмиттерный повторитель

Эмиттерным повторителем называют транзисторный резистивный усилитель, в котором транзистор включен по схеме с общим коллектором. Его схема приведена на рис. 5.6Назначение всех элементов совпадает с назначением одноименных элементов в схеме с ОЭ. Нагрузкой транзистора является резистор R₃, на нем формируется напряжение

К характерным особенностям ЭП надо отнести К_ио<1 т.к.

и_вых⁼ U_bx - и_Бэ<и_вх, ЭП не является усилителем напряжения, но

является усилителем тока (i_BX= *б; 1_Вых= i_K5 —= (3).

Чем больше коэффициент передачи тока базы транзистора, тем ближе к единице К_ио ЭП, построенного на этом транзисторе.

Связь основных параметров ЭП с элементами схемы можно получить по схеме замещения усилителя, как это делалось для усилителя с ОЭ.

Фаза выходного сигнала ЭП совпадает с фазой входного, т.е. ЭП не является инвертором.

Сочетание большого входного и малого выходного сопротивлений у ЭП позволяет использовать его для согласования имя устройств, имеющих большое выходное сопротивление с низкоомными нагрузками.

Дифференциальный усилитель

Дифференциальным называют усилитель, усиливающий разность напряжений, подаваемых на его входы.

Схема должна быть симметрична относительно линии а-а, что подразумевает равенство параметров всех одноименных элементов в левом и правом плечах усилителя.

Внешняя нагрузка может включаться между коллекторами транзисторов (R_H), к коллектору первого транзистора (Rhi) или к коллектору второго транзистора (Rro)-

Пусть на входах действуют парафазные сигналы, т.е. сигналы с одинаковыми амплитудами и отличающимися на 180° фазами:

Каждое из плеч ДУ под действием своего входного переменного напряжения работает так же как усилитель с ОЭ. Наличие общего регистра R₃ в цепи эмиттера не влияет на их работу, т.к. переменное напряжение на R₃ отсутствует из-за равенства по величине и противоположного направления эмиттерных токов транзисторов. Для каждого из транзисторов и_Бэ ⁼ U_BX

Напряжение на нагрузках R_Hi и R_h2 определяются такими же коэффициентами усилителя как и в схеме с ОЭ. Из-за симметрии схемы эти напряжения одинаковы по величине, но противоположны по фазе из-за парафазности входных сигналов. Поэтому напряжение на нагрузке R_H, включенной между коллекторами транзисторов оказывается по величине в два раза больше.

Пусть на входах действуют синфазные сигналы, т.е. сигналы с одинаковыми амплитудами и совпадающие по фазе

Теперь эмиттерные той транзисторов через резистор R₃ текут в одном

направлении и переменное напряжение на R₃ не равно нулю.

Для каждого из транзисторов и_Бэ ⁼ U_BX - U_R3 оказывается меньше, чем в

случае действия на входах парафазных сигналов. Поэтому напряжения

на нагрузках R_Hl и R_H2 оказывается теперь меньше по величине и

одинаковы не только по амплитуде, но и по фазе. При полной

симметрии схемы напряжения на R_H будет равно нулю.

Говорят, что дифференциальный усилитель подавляет синфазный

сигнал. На практике полной симметрии схемы DY добиться

невозможно, поэтому напряжение на нагрузке R_H при действии на

входах синфазных сигналов не равно нулю.

Качество DY оценивается коэффициентом ослабления синфазного сигнала:

У хороших усилителей эта величина достигает 1О⁴ + 10⁶

Для увеличения коэффициента ослабления синфазного сигнала нужно использовать в схеме транзисторы с большим коэффициентом передачи тока базы и pe|Hctp R₃ с большим сопротивлением для переменного тока. В качестве регистра R₃ часто используют ГСТ. Усилитель оказывается нечувствителен к неконтролируемым применением величины источника питания Е_к и температуры, т.к. эти применения действуют одинаково на оба плеча и могут рассматриваться как синфазное воздействие.