Лабораторное занятие № 18

Методические рекомендации.

Каскады усиления напряжения звуковой частоты чаще всего выполняют на транзисторах, вклю­ченных с ОЭ, так как при этом получают наибольшее усиление сигнала по мощности (по сравнению с двумя другими схемами включения транзистора — с ОБ и ОК). Рабочую точку усилительного каскада выбирают в каж­дом конкретном случае в зависимости от параметров, которыми должен обладать усилитель. Основными требо­ваниями, предъявляемыми к каскаду, являются: макси­мальное усиление по напряжению; минимальные частот­ные и нелинейные искажения; высокая экономичность; температурная стабильность.

Одновременно выполнить все эти требования невоз­можно. Так, при большом усилении снижается устой­чивость работы усилителя, который легко возбуждается, превращаясь в генератор, и нарушается его нормальное функционирование. Увеличение температурной стабиль­ности обязательно сопровождается снижением усиления и КПД.

В данной работе исследуется усилитель, к которому предъявляют требование минимальных искажений усили­ваемого сигнала при максимальном использовании воз­можностей транзистора. Рабочую точку такого каскада выбирают в определенной последовательности.

Рис 1.18.1. Семейство выходных характеристик транзистора;

На семействе выходных характеристик транзистора (рис. 1.18.1. а) строят линию нагрузки БВ исходя из следующих условий:

E_K / R3 <= 0.8 * I_{K max;} (1)

E_K <= 0.8 * U_{KЭ max.} (2)

Выполнение неравенства (1) необходимо потому, что коллекторный ток насыщенного транзистора должен быть меньше максимально допустимого тока I_{K max}. Коэффици­ент 0,8 гарантирует выполнение этого неравенства при раз­бросе сопротивления резистора R3 и нестабильности источника питания Е_К. Выполнение неравенства (2) обес­печивает надежную работу транзистора в режиме отсечки или при обрыве цепи резистора R1, когда напряжение на коллекторе транзистора поднимается почти до Ек.

Рабочая точка каскада А (р. т) выбирается посереди­не рабочего участка линии нагрузки БВ и характеризу­ется тремя параметрами: токами I _{Б р. т} и I_К._Р.т и напряже­нием U_{КЭ р. т.}.Затем ее переносят на входную характе­ристику транзистора, снятую при U_КЭ = U_{КЭ. р.т}, и по най­денному значению I_Б р. т определяют напряжение U_{БЭ р.т.} (рис. 1,18,1, б).

Входной сигнал (его ток I_Б ~, напряжение U_БЭ ~) вызывает появление переменных составляющих тока кол­лектора Iк~ и напряжения на коллекторе U_КЭ ~ = I_К~R3 (см. рис. 1.18.3). Эмиттерный резистор R4 из цепи перемен­ного тока исключен, поскольку шунтируется малым со­противлением конденсатора СЗ.

Рассчитаем коэффициент усиления напряжения К каскада. Напряжение входного сигнала U_ВХ от генерато­ра G поступает через разделительный конденсатор С1 на базу транзистора VT1 и вызывает три тока. Два из них, проходящие через резисторы R1 и R2 делителя, бес­полезны, а третий, I_Б~, проходит в цепи базы транзистора и управляет его токами. Входным сопротивлением кас­када для генератора G, обладающего внутренним сопро­тивлением R_i, являются параллельно включенные резис­торы базового делителя R1||R2 и входное сопротивление h_1iЭ транзистора, т. е.

R_ВХ = R1 || R2 || h_1iЭ (3)

Обычно сопротивления резисторов R1 и R2 значитель­но больше входного сопротивления h_11Э транзистора, поэтому формулу (3) можно упростить:

R_ВХ ≈ h_1iЭ (4)

Цепь генератора входного сигнала G, которым может быть каскад предварительного усиления, аналогичный рассматриваемому, в общем случае представляет собой последовательно включенные внутреннее сопротивление R_i генератора и входное сопротивление R_ВХ каскада. Согласно формуле (4),

I_ВХ = U_ВХ / (R_i + R_ВХ) «≈I_Б ~ (5)

так как переменными токами, проходящими через резис­торы R1 и R2 от генератора G ввиду их малости можно пренебречь. Отсюда переменная составляющая тока коллектора

I_К ~ = h_2iЭ * I_Б ~ = h_2iЭ * U_ВХ / (R_i + R_ВХ) (6)

а напряжение на коллекторе, представляющее собой вы­ходное напряжение,

U_КЭ ~ = I_К ~ * R3= h_2iЭ * U_ВХ *R3 / (R_i + h_1iЭ) = U_ВЫХ (7)

Тогда коэффициент усиления напряжения

K = U_ВЫХ / U_ВХ = h_2iЭ * R3 / (R_i + h_1iЭ) (8)

Этот параметр усилителя зависит от частоты и ампли­туды усиливаемого сигнала. Это объясняется тем, что с понижением частоты падения напряжения на конденса­торах С1 и С2 под действием входного и выходного токов каскада увеличиваются и представляют собой потери напряжения сигнала, а конденсатор СЗ все меньше шун­тирует резистор R4, что увеличивает полное сопротив­ление эмиттерной цепи транзистора и глубину отри­цательной обратной связи по переменному току, а следовательно, уменьшает коэффициент усиления напря­жения К.

При повышении частоты сигнала необходимо учиты­вать влияние входной и выходной емкостей транзистора, шунтирующих входное и выходное сопротивления каска­да, что проявляется уменьшением полезного тока, посту­пающего на его вход и в нагрузку (см. рис. 1.18.3 одна из таких емкостей эквивалентно представлена конденсато­ром С4).

Рис 1.18.2. амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) усилителя.

Для оценки влияния частоты сигнала на коэффи­циент усиления напряжения используют амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) усилителя (см. рис. 1.18.2 а.). Полосой пропускания П усилителя называют интервал частот Df, в пределах которого коэффициент усиления снижается не более чем на 3 дБ (до уровня 0,707) по отношению к его значению на средних частотах Ко (для УЗЧ частота fср = 400 - 1000 Гц).

Важна также амплитудная характеристика (АХ) та­кого усилителя, выражающая зависимость выходного сигнала U_ВЫХ от входного U_BX (см. рис. 1.18.1.а). Так как учас­ток 0—1 ее линейный, коэффициент усиления до напря­жения U _{ВХ max} сохраняет постоянное значение. Начиная с точки 1 рост выходного сигнала отстает от роста входно­го. Это объясняется тем, что рабочая точка транзистора под действием входного сигнала выходит за пределы рабочего участка БВ линии нагрузки (см. рис. 1.18.3). При этом резко возрастают нелинейные искажения.

Зная параметры транзистора в рабочей точке, можно рассчитать сопротивления резисторов R1 и R2 базового делителя. Ток I_Д делителя должен быть в 2—5 раз боль­ше тока базы I _{Б р. т.} Такой делитель позволяет выполнить достаточно стабильный при изменении температуры кас­кад при одновременном выполнении требования эконо­мичности.

На резисторе R2 делителя должно действовать на­пряжение

U_R2 = U_{БЭ р.т.} + U_R4 (9)

откуда сопротивление

R₂ = U_R2 / I_Д, (10)

тогда

R1 = Eк - U_R2 / (I _{Б р. т.} + I_Д). (11)

Так как выбранная рабочая точка находится посере­дине рабочего участка БВ линии нагрузки, это позволяет подавать на вход каскада и снимать в его выхода мак­симальные сигналы. Нередко рабочую точку выбирают ближе к точке В. При этом каскад потребляет от источ­ника Eк значительно меньшую мощность и способен уси­ливать лишь небольшие по амплитуде сигналы, поскольку требование о недопустимости смещения рабочей точки за пределы рабочего участка линии нагрузки остается в силе. Обычно так выполняются предварительные кас­кады усиления.