Главная | Обратная связь

Елементарні каскади підсилення

Елементарні підсилювальні каскади являють собою однокаскадні осередки. До таких каскадів на біполярних транзисторах відно­сять каскади із загальним емітером (ЗЕ), загальним колектором (ЗК) і загальною базою (ЗБ). Схема ЗЕ забезпечує як підсилення напруги, так і підсилення струму. Каскад за схемою з ЗК (емітерний повторювач) повторює на виході вхідну напругу, але із-за підсилення струму забезпечує підсилення потужності. Схема ЗБ повторює на виході струм, що надходить у вхідне коло каскаду (повторювач струму). Підсилення потужності в цьому каскаді забезпечується за раху­нок підсилення напруги. Найбільше підсилення потужності має іхема із ЗЕ.

Однокаскадні підсилювачі звичайно працюють в режимі малого сигналу. Тому для аналізу їх якостей і одержання динамічних пара­метрів — вхідного і вихідного опорів, коефіцієнтів підсилення за струмом і напругою — складають схему заміщення каскаду. При про­веденні аналізу допускають, що на вхід каскаду подається стале сину­соїдальне електричне коливання (для підсилювачів сигналів незмінної чи повільно змінної амплітуди) або миттєвий стрибок напруги (для підсилювачів імпульсних сигналів).

Крім біполярних транзисторів, в підсилювальних каскадах вико­ристовуються польові транзистори. По аналогії з каскадами на бі­полярних транзисторах елементарні каскади на польових транзисто­рах діляться на каскади із загальним витоком (3В), загальним стоком (ЗС) та загальним затвором (33).

Однокаскадний підсилювач за схемою ЗЕ (рис.). В цій схемі корисна вихідна потужність на опорі навантаження

Rí = RсRн/(Rс + Rн)

зумовлена складовою колекторного струму за рахунок корисного си­гналу з амплітудою Icm (або колекторної напруги з амплітудою Ucm), майже повністю обумовлюється енергією джерела живлення Ес, а не енергією вхідного сигналу.

Проаналізуємо роботу підсилювального каскаду в області серед­ніх частот. Для цього скористаємося еквівалентною схемою каскаду (рис.), одержаною із Т-подібної схеми заміщення транзистора.

Колекторний струм Іс можна знайти, якщо врахувати, що струм, який надходить від генератора h_21EI_B , розгалужується в паралельні вітки, опір яких r¢_C i Rc_H+ r_E . Оскільки звичайно Rc_H>> r_E то опором r_E можназнехтувати і для колекторного струму записати

 

.

 

Вхідний опір підсилювального каскаду визначається відношенням Uвх/Iвх =U_BE/I_B. Оскільки через опір бази протікає струм Iв, а через опір r_E—сума струмів Iв і Iс, то вхідний опір

 

 

Через те, що дуже часто r¢_C » Rс_H, вхідний опір підсилювального каскаду дорівнює вхідному опору транзистора, тобто

 

 

Оскільки напруга на ділянці база-емітер залежить від теплового потенціалу j_T , то

 

.

 

В режимі малих (мікроамперних) струмів, який характерний для підсилювальних каскадів в інтегральному виконанні, виміряний вхід­ний опір виявляється в півтора-два рази більшим, ніж обчислений за формулою . Тому в останню формулу вводять множник т = 1...2, який враховує зменшення h_21E в режимі мікрострумів. При цьому

 

 

.

 

Скориставшись рівнянням , одержимо

 

.

 

Якщо в коло емітера в схемі на рис. ввімкнути резистор R_E , то в еквівалентній схемі на рис. він буде ввімкнутий послідовно з опором емітерного переходу r_E і вхідний опір каскаду збільшиться згідно з :

 

 

.

 

Якщо, наприклад, r_B = 100 0м,r_E= 20 0м,R_E= 300 0м,h_21E= 100, то Rвx, обчислене за формулами і , дорівнює відповідно 2120 і 32420 0м. Таким чином, введення негативного зворотного зв'яз­ку за змінним струмом призводить до помітного підвищення вхідного опору підсилювального каскаду.

Коефіцієнт підсилення напруги за і такий:

 

 

В тих випадках, коли r_C¢ >>Rc_H , враховуючи , одержимо

.

 

Коли вхідний опір підсилювального каскаду порівняний з опором джерела вхідного сигналу R_Д_, то вихідну напругу оцінюють не за відношенням Uвих/Uвх, а за Uвих/Eд. Оскільки в цьому випадку справедливі рівняння:

 

;

 

,

то

.

 

Коефіцієнт підсилення га струмом з урахуванням формули

 

.

 

Вихідний опір Rвих знаходять як звичайно при відімкненому навантаженніінульовому вхідному сигналі, і, якщо врахувати, що r¢_C >>R_C ,

то

 

Rвих » R_C

 

Однокаскадний підсилювач за схемою ЗБ (повторювач струму). Принципова схема підсилювального каскаду на біполярному транзис­торі за схемою з ЗБ показана на рис. Підсилення потужності за такою схемою менше порівняно зі схемою підсилювача із ЗЕ і гірше відношення Rвх/Rвих в порівнянні з підсилювальним каскадом за схе­мою ЗК, тому її використовують рідше в приладах промислової елек­троніки. Але транзистор за схемою 3Б має високу лінійність колекторної характеристики, що обумовлює низький рівень нелінійних спо­творень підсилюваного сигналу.

На відмінність від схеми із ЗЕ підсилювальний каскад за схемою ЗБ не інвертує фазу вхідного сигналу, оскільки дія, наприклад, позитивної півхвилі вхідного синусоїдального сигналу викликає зни­ження емітерного, а отже, колекторного струмів, що викликає приріст позитивного потенціалу на колекторі транзистора. Скориставшись Т-подібною еквівалентною схемою транзистора із ЗБ, складемо екві­валентну схему підсилювального каскаду (рис.). Оскільки кас­кад охоплений глибоким негативним зворотним зв'язком за струмом, тс коефіцієнт передачі за струмом

 

 

менший за одиницю і при r_C>>Rс_H дорівнює h_21B . Отже, вихідний струмповторює вхідний, звідси і назва — повторювач струму.

Паралельний зворотний зв'язок приводить до збільшення спожи­вання струму у вхідному колі, що знижує вхідний опір каскаду

 

.

Низькоомний вхід знижує вплив паразитних ємностей у вхідному колі, що зменшує спотворення, які вносить каскад, в області високих час­тот.

Коефіцієнт передачі за напругою з урахуванням рівняння

 

 

Вихідний опір підсилювального каскаду за схемою ЗБ визначається рівнянням . Як самостійні каскади підсилення за схемою 3В практично не використовуються. Але вони широко застосовуються як складові частини підсилювальних секцій, нап­риклад, як ключ диференційного підсилюва­ча і т.п.

Однокаскадний підсилювач за схемою ЗК (повторювач напруги). Принципова схема підсилювального каскаду за схемою ЗК по­казана на рис. Навантаження в підси­лювачі вмикається в емітерне коло транзис­тора. Така схема має підвищений вхідний опір і знижений вихідний опір, що дозволяє використовувати її для узгодження або розділення високоомного джерела вхідного сигналу і низькоомного наван­таження.

Резистор R_E є опором навантаження, що визначає динамічний ре­жим роботи транзистора. Зовнішнє навантаження під'єднується у ви­гляді опоруR_H. Загальний опір навантаження за струмом корисного сигналу

 

 

 

Вхідна і вихідна напруги підсилювального каскаду за схемою ЗК при такому вмиканні навантаження збігаються за фазою, оскільки при надходженні вхідної напруги позитивної полярності базовий струм підвищується, зумовлюючи підвищення емітерного струму. 'Це призво­дить до підвищення спаду напруги на опорі R_EH і зростання позитив­ного потенціалу емітера, з якого знімається вихідний сигнал.

Зі схеми видно, що Uвх =U_BE + Uвих. Оскільки значення R_EHна якому виділяється напруга Uвих, як правило, значно перевищуе опір емітерного переходу, до якого прикладена напруга U_{BE ,}то U_ВИХ >> U_ВЕ і U_BX » Uвих . Зважаючи на те, що Uвих= Uвх-U_BE ,Kп_U= Uвих/Uвх близький до одиниці, але менший за неї. Таким чином, підсилювальний каскад лише повторює вхідну напругу за рівнем напруги і фазою, звідки і назва — емітерний повторювач. Але така схема дає підсилення за струмом і потужністю.

Порівнюючи схеми на рис. і, можна зробити висновок , що емітерний повторювач подібний до підсилювального каскаду схемою ЗЕ, у якого Rc = 0, з резистором R_E в емітерному колі .

В такому разі вся напруга вихідного сигналу на резисторіR_EHпослідовно вводиться у вхідне коло підсилювача. Але через те, що Uвх і Uвих синфазні, то Uвих віднімається від Uвх, знижуючи її. Тому в схемі існує 100 %-ний послідовний негативний зворотний зв'язок, що підвищує вхідний і зменшує вихідний опори емітерного повторювача.

Вхідний опір схеми із ЗК можна знайти з рівняння , замі­нивши R_E на R_EH.

,

який тим більший, чим більший R_EH і h_21E транзистора. Вихідний опір емітерного повторювача

залежить від опору джерела вихідного сигналу і тим менший, чим більший коефіцієнт передачі струму бази транзистора. Якщо, напри­клад, r_E = 20 0м, rв = 200 0м, R_Д = 100 0м і h_21E = 100, то Rвих= 23 0м.

Коефіцієнт підсилення за напругою

.

Коефіцієнт підсилення за струмом

.

При виконанні нерівності r_C¢ » R_EH K_ПI = (h_21E +1) » 1-

Наявність в емітерному повторювачі негативного зворотного зв'яз­ку підвищує стабільність його характеристик, тобто зменшує частот­ні, фазові і нелінійні спотворення. Ця схема має широкий динамічний діапазон, що дозволяє використовувати її як вихідний каскад анало­гових ІМС для передачі сигналу великої амплітуди.

Однокаскадні підсилювачі в інтегральному виконанні. Техноло­гічно такі підсилювачі виконують у вигляді монолітної схеми, яка містить всі необхідні елементи (транзистори, діоди, резистори та ін­ше) в інтегральному виконанні і підсилює електричні сигнали без вми­кання додаткових елементів. Інтегральна електроніка, використову­ючи найновіші досягнення технології, дозволяє вагомо підвищити якість і надійність електронних підсилювачів, забезпечуючи їх так званою функціональною надлишковістю. Такі підсилювачі подібні до багатоцільових пристроїв, оскільки, змінюючи в них комутацію зов­нішніх виводів, а також способи під'єднання джерела сигналів і навантаження, можна одержати підсилювачі з різними характеристиками . В окремих випадках інтегральні підсилювачі доповнюють навісними елементами.

Лінійні інтегральні підсилювачі можна поділити поділити на три групи:

одновходові, диференційні й операційні. Однокаскадні підсилювачі в інтегральному виконанні одновходові.

На рис. показана принципова схема, а на рис. — схема вмикання попереднього підсилювача низької частоти серії 119 (мікро­схема 119 УНІ), яка має такі параметри: Ес = 6,3 В;-Ек = -6,3 В; Rвх = 5 кОм; Uвих = 0,75 В при Кг £ 10 %.

Однокаскадний підсилювач виконаний на біполярному транзисторі за схемою ЗЕ. Якщо вихідну підсилену напругу знімають з виводу 5, то опором навантаження колекторного кола змінному струму є опір R3, тому що приєднаний до виводу 12 і корпусу навісний конденсатор ємністю 15,0 мкФ (рис.) шунтує за змінним струмом резистор R2. Останній виконує функцію термостабілізації робочої точки. З ви­водів 5 та II можна одночасно знімати два протифазні вихідні сигнали.

На рис. а показана принципова схема простого емітерного пов-торювача в інтегральному виконанні серії 218 (мікросхема 218 УЕ2). Вивід 1З мікросхеми (на рис.) можна використати як вхідний, якщо необхідно розширити частотну характеристику емітерного повторювача аж до частоти w_H = 0.

Однекаскадні підсилювачі на польових транзисторах. Польовий транзистор можна вмикати в пілсилювальну схему трьома різними способами: з загальним витоком (3В), загальним стоком (ЗС) і загальним затвором (33). Найчастіше використовують схему 3В, аналогічну схемі ЗЕ на біполярному транзисторі.

На рис. показана схема підсилювального каскаду на польо­вому транзисторі з ізольованим затвором МДН-типу. Динамічний ре­жим роботи польового транзистора забезпечується резистором в колі стока R_D, з якого знімається корисний вихідний сигнал при наявності вхідного підсилювального сигналу. Як правило, R_D <<R_G »Rвх, де R_G= R₁½½R₂. Тому, якщо навантаженням підсилювального каскаду на польовому транзисторі є вхідний опiр аналогічного каска­ду підсилення, то опори навантаження підсилювача постійній і змін­ній складовим струму стоку при­близно рівні:

 

.

Автоматичне зміщення в підсилювальних каскадах на польо­вих МДН-транзисторах, уяких полярність напруги на сто­ку і затворі однакова, здійсню­ється, як і в каскадах на біпо­лярних транзисторах. При цьо­му напруга зміщення на затвір для забезпечення режиму спо­кою подається від джерела стокового живлення Е_D через резистив-ний подільник R1, R2, який повинен бути високоомним, щоб суттєво не знижувати вхідний опір підсилювального каскаду.

Для аналізу складемо еквівалентну схему підсилювального каска­ду в області середніх частот (рис.) з врахуванням опору наван­таження струму стоку R_D, але без опору R_G, який впливає тільки на вхідний опір підсилювача. Коефіцієнт підсилення за напругою

,

де S — крутість характеристики польового МДН-транзистора; R_D знаходять за формулою . Як правило, R_I >>R_D тому вираз спрощується

.

Знак мінус у виразі показує, що підсилювальний каскад з 3В міняє фазу підсилюваного сигналу на 180 ел. град.

У пристроях промислової електроніки застосовують підсилювальні каскади за схемою вмикання польового транзистора із ЗС. В такому каскаді із затвором у вигляді р — п-переходу (рис.) навантажу­вальний резистор R_Н ввімкнений у коло витоку, напруга підсилювано­го сигналу з цього кола підводиться до зовнішнього навантаження.

За своїми якостями підсилювальний каскад за схемою ЗС аналогічний емітерному повторювачу. Він має великий вхіднші і малий вихідний опори, його коефіцієнт підсилення за напругою близький до одиниці, а вхідна і вихідна напруги підсилюваного сигналу збіраються за фа­зою. Тому такий каскад називають витоковим повторювачем.

Підсилювальні каскади на польових транзисторах, завдяки їх великому вхідному опору (декілька мегаом), широко застосовують як вхідні каскади різних електронних пристроїв, в тому числі як під­силювачі в інтегральному виконанні.