Дослідження резисторного підсилювального каскаду

ОСНОВНІ УМОВНІ ПОЗНАЧЕННЯ ТА СКОРОЧЕННЯ

АЧХ- амплітудно-частотна характеристика;

ПХ- перехідна характеристика;

СЧ- середні частоти;

НЧ- низькі частоти;

ВЧ- високі частоти;

К- коефіцієнт посилення підсилювача;

Uc- напруга сигналу частотоюw;

Cp- розділовий конденсатор;

Rк- колекторний опір;

Rе- опір в ланцюзі емітера;

Cе- конденсатор в ланцюзі емітера;

Rн- опір навантаження;

Сн- ємність навантаження;

S- крутість трагзистора;

Lк- коригуюча індуктивність;

Rф,Сф- елементи НЧ - корекції.

Метою цієї роботи є :

1) вивчення роботи резисторного каскаду у сфері низьких, середніх та високих частот.

2) вивчення схем низькочастотної та високочастотної корекції АЧХ підсилювача;

2.ДОМАШНЕ ЗАВДАННЯ.

2.1. Вивчити схему резисторного каскаду, усвідомити призначення всіх елементів підсилювача та їх вплив на параметри підсилювача (підрозділ 3.1).

2.2. Вивчити принцип роботи та принципові схеми низькочастотної та високочастотної корекції АЧХ підсилювача (підрозділ 3.2).

2.3. З'ясувати призначення всіх елементів на лицьовій панелі лабораторного макету (розділ 4).

2.4. Знайти відповіді всі контрольні питання (розділ 6).

3.РЕЗИСТОРНІЙ КАСАКАД НА БІПОЛЯРНОМУ ТРАНЗИСТОРІ

Резисторні підсилювальні касакади широко застосовують у різних галузях радіотехніки. Ідеальний підсилювач маєрівномірнуАЧХу всій смузі частот, реальний підсилювач завжди має спотворенняАЧХ, насамперед - зниження посилення на низьких та високих частотах, як показано на рис. 3.1.

Схема резисторного підсилювача змінного струму на біполярному транзисторі за схемою із загальним емітером представлена ​​на рис. 3.2, деRc- внутрішній опір джерела сигналуUc;R1іR2- опори дільника, що задають робочу точку транзистораVT1;Rэ- опір в ланцюзі емітера, який шунтується конденсаторомСе;Rк- колекторний опір;Rн- опір навантаження;Cp- розділові конденсатори, що забезпечують поділ по постійному струму транзистораVT1від ланцюга сигналу та ланцюга навантаження.

Температурна стабільність робочої точки зростає при збільшенніRе(за рахунок збільшення глибини негативного зворотного зв'язку в касакаді на постійному струмі), стабільність робочої точки також зростає і при зменшенніR1,R2(за рахунок збільшення струму дільника та підвищення температурної стабілізації потенціалу базиVT1) . Можливе зменшенняR1,R2обмежене допустимим зниженням вхідного опору підсилювача, а можливе збільшенняRеобмежено максимально допустимим падінням постійної напруги на опорі емітера.

3.1. Аналіз роботи резисторного підсилювача в області низьких, середніх та високих частот.

Еквівалентна схема вихідного ланцюга підсилювача за схемою рис.3.2 представлена ​​на рис. 3.3, де:S- крутість трагзистора,Uc- вхідний сигнал,Yi = Y22- вихідна провідність транзистора,Yк =1/Rк- колекторна провідність,С= Свих + См + Сн , Свих- вихідна ємність транзистора,См -розподілена паразитна та монтажна ємності,Сн- ємність навантаження,Ср- розділовий конденсатор,Yн = 1/Rн- провідність навантаження. Зазначимо, що зазвичай у підсилювачах провідностіYi Rн > Rк).

Еквівалентна схема отримана з урахуванням того, що на змінному струмі шина живлення (“-Еп”) та загальна точка (“земля”) є короткозамкненими, а також з урахуванням припущення1/wCе &Rк, еквівалентна схема підсилювача перетворюється на схему рис.3.4.

Зі схеми рис.3.4 випливає, що на середніх частотах посилення касакадаКне залежить від частотиw:

звідки з урахуванням1/Yi>Rн &Rкотримуємо наближену формулу

Отже, в підсилювачах з високоомним навантаженням номінальний коефіцієнт підсиленняКпрямо пропорційний величині опору колектораRк.

В області низьких частот (НЧ) також можна знехтувати малою ємністюС, але необхідно врахувати зростаючий зі зниженням w опір розділового конденсатораСр. Це дозволяє одержати з рис. 3.3 еквівалентну схему підсилювача на НЧ у вигляді рис.3.5, звідки видно, що конденсаторСрі опірRнутворюють дільник напруги, що знімається з колектора транзистораVT1.

Чем нижче частота сигналуw, тим більше ємнісний опірСр(1/wCр), і тим менша частина напруги потрапляє на вихід, внаслідок чого відбувається зниження посилення. Таким чином,Срвизначає поведінку АЧХ підсилювача в області НЧ і практично невпливає на АЧХ підсилювача в області середніх та високих частот. Чим більшеСр, тим менше спотворення АЧХ в області НЧ, а при посиленні імпульсних сигналів - тим менше спотворення імпульсу в області великих часів (спад плоскої частини вершини імпульсу), як показано на рис.3.6.

В області високих частот (ВЧ), як і на СЧ, опір розділювального конденсатораСрнехтує мало, при цьому визначальним на АЧХ підсилювача буде наявність ємностіС. Еквівалентна схема підсилювача в області ВЧ представлена ​​на схемі рис.3.7, звідки видно, що ємністьСшунтує вихідну напругуUвих, отже з підвищеннямwзменшуватиметься посилення касакада. Додатковою причиною зниження посилення на ВЧ є зменшення крутості транзистораSзгідно із законом:

деt- постійна транзистора часу.

Шунтуюча діяСбуде позначатися менше при зменшенні опоруRк. Отже, збільшення верхньої граничної частоти смуги посилюваних частот необхідно зменшувати колекторний опірRк, проте це неминуче призводить до пропорційного зниження номінального коефіцієнта посилення.

3.2. Високочастотна та низькочастотна корекції АЧХ резисторного підсилювача

Для коригування АЧХ реального підсилювача з її наближення до АЧХ ідеального підсилювача (див рис.3.1) застосовують спеціальні схеми корекції у сфері НЧ і ВЧ.

Схема ВЧ - корекції АЧХ за допомогою корекції індуктивності Lк наведена на рис. 3.8.

Принцип роботи цієї схеми заснований на збільшенні області ВЧ опору колекторної ланцюга (Rк + jwLк). Збільшення цього опору зі зростанням w дозволяє підвищитипосилення каскаду на ВЧ. Необхідною умовою ефективності роботи цієї схеми є високоомність зовнішнього опору навантаження Rн >Rк. В іншому випадку малий опір Rн шунтуватиме колекторний ланцюг, при цьому посилення каскаду визначатиметься величиною Rн і мало залежати від Rк і Lк. Еквівалентна схема касакада з ВЧ-корркцією при 1/Yi & gt; Rн > Rк представлена ​​на рис.3.9, звідки слідує, що на ВЧ АЧХ коригованого підсилювача близька до частотної характеристики паралельного коливального контуру.

Отже, при неоптимальному виборі параметрів коригуючої індуктивності Lк на АЧХ підсилювача може з'явитися підйом, що викликає спотворення сигналів, що посилюються. АЧХ та ПХ підсилювача з ВЧ-корекцією при оптимальних та неоптимальних параметрах коригуючої індуктивності Lк показані на рис.3.10.

Видно, що ВЧ-корекція впливає лише на область ВЧ (область малих часів – фронти імпульсів). При Lк > Lopt тривалість фронту найменша, проте, на вихідному імпульсному сигналі виникає викид.

Схема НЧ-корекції АЧХ підсилювача показана на рис.3.11, де Rф і Сф - елементи НЧ-корекції, що виконують попутно і роль НЧ-фільтра в ланцюзі живлення транзистора VT1.

Принцип роботи схеми НЧ-корекції заснований на збільшенні опору колекторного ланцюга в області НЧ, тому, як і в схемі індуктивної корекції ВЧ, дана схема ефективна тільки при високоомному навантаженні Rн > Rк. Ємність конденсатора Ср вибирається таким чином, щоб на середніх та високих частотах виконувалось 1/wСф

---