ЛР 04 Усилительный каскад на БТ

11

7. Краткие сведения об усилителях

Линейным усилителем называется электронное устройство, предназначенное для передачи энергии источника питания в соответствии с формой входного сигнала в нагрузку. Если усиливаемый сигнал передается через разделительный конденсатор, то такой усилитель называется RC- усилителем. Обобщенная схема линейного RC-усилителя показана на рис. 2.

Рис. 2. Обобщенная схема линейного усилителя

Основными параметрами усилителя являются (см. рис. 2):

−входное сопротивление усилителя Rвх;

−входная емкость усилителя Cвх;

−коэффициент усиления напряжения в режиме холостого хода Ku хх;

−выходное сопротивление усилителя Rвых.

Косновным характеристикам линейного усилителя относятся амплитудная, амплитудно-частотная и переходная.

Амплитудная характеристика – зависимость амплитуды гармонического сигнала на выходе усилителя от амплитуды сигнала на его входе (рис. 3). Амплитудная характеристика определяет динамический диапазон входного сигнала Uвх_мах. В пределах динамического диапазона (Uвх<Uвх_мах) усилитель работает в линейном режиме, т.е. Uвых=KuUвх. При больших сигналах выходной сигнал ограничивается, что связано с нелинейностью вольтамперных характеристик биполярных или полевых транзисторов, являющихся основой всех усилителей.

12

Рис. 3. Амплитудная характеристика усилителя

Амплитудно-частотная (рис. 4) и переходная характеристики (рис. 5) усилителя экспериментально снимаются при его работе в линейном режиме. Математические выражения можно получить из рассмотрения обобщенной схемы усилителя (рис. 2).

В области средних частот или в полосе усиления ( fн ≤ f ≤ fв)

коэффициент усиления напряжения постоянен и равен

Ku o = Ku ххξвхξвых,

Рис. 4. Амплитудно-частотная характеристика

13

Вобласти низких частот ( f << fн ), а для переходной характеристики

вобласти больших времен (t >> τв ) можно пренебречь влиянием входной

емкости Cвх и емкости нагрузки Cн, так как обычно эти емкости малы и их реактивные сопротивления велики. Тогда эквивалентная схема усилителя превращается в два последовательно включенных высокочастотных фильтра с постоянными времени τн1 = (Rг + Rвх )Ср1 и τн2 =(Rвых + Rн )Ср2 .

Усиленный прямоугольный импульс длительностью tи на выходе усилителя будет искажен. Из-за разделительных конденсаторов будет иметь место спад плоской вершины. С учетом того, что действуют две RC-цепи можно записать, что относительный спад плоской вершины равен

где τн – постоянная времени усилителя в области нижних частот. Откуда получаем

Для амплитудно-частотной характеристики постоянная τн определяет нижнюю граничную частоту усилителя:

Вобласти высоких частот ( f >> fв), а для переходной

характеристики в области малых времен (t << τн) можно пренебречь сопротивлением разделительных конденсаторов Cр1 и Cр2, так как их емкости

велики и на высоких частотах их реактивные сопротивления малы. Тогда

входная и выходная цепь превращаются в низкочастотные RC-фильтры с постоянными времени τв1 = (Rг || Rвх )Cвх и τв2 = (Rн || Rвых )Cн . На высокой

14

частоте надо учитывать и свойства самого усилителя – его можно считать инерционным звеном первого порядка с постоянной времени τу. Тогда

τв = τв12 +τв22 +τу2 .

Верхняя граничная частота усилителя определяется через постоянную

τв следующим образом:

Рис. 5. Переходная характеристика усилителя

Связь между импульсными параметрами усилителя и его частотными параметрами:

1.Время установления усилителя tу экспериментально определяется через

длительность фронта выходного импульса tф, измеряемого по уровням

10%…90%. Вычисляется tу через верхнюю граничную частоту усилителя

длительностью входного сигнала tи и нижней граничной частотой fн соотношением δu = 2πfнtи.

15

7. Контрольные вопросы и задачи

1.Коэффициент усиления напряжения каскада ОК всегда меньше 1. Показать на примерах эффективность применения эмиттерного повторителя. Какие свойства каскада при этом используются?

2.Доказать, что в схеме усилительного каскада с заземленным эмиттером при выборе рабочей точки на середине линии нагрузки (Uкэ= 0,5Епит) максимальный коэффициент усиления напряжения Ku хх в относительных единицах примерно равен 20Епит, где Епит – напряжение источника питания в вольтах.

3.Для усилительного каскада ОЭ на биполярном транзисторе (рис. 3 – 6):

•нарисовать схему для расчета рабочего режима;

•определить коллекторный ток транзистора I к ;

•нарисовать малосигнальную схему замещения каскада;

•определить основные параметры усилительного каскада Rвх , Rвых , KU .

4.Для усилительного каскада ОЭ на биполярном транзисторе (рис. 3):

•нарисовать малосигнальную схему замещения каскада для области нижних частот;

•определить нижнюю граничную частоту усиления f н.гр .

17

8. Литература

1.Кобяк А.Т., Новикова Н.Р., Паротькин В.И., Титов А.А. Применение системы Design Lab 8.0 в курсах ТОЭ и электроники: Метод. пособие.

−М.: Издательство МЭИ, 2001. −128с. (УДК 621.3 П−764)

2.Электротехника и электроника. Учебник для вузов.- В 3-х кн. Кн. 3.

Электрические измерения и основы электроники/ Г.П.Гаев, В.Г.Герасимов, О.М.Князьков и др.; Под ред. проф. В.Г.Герасимова. – М.: Энергоатомиздат, 1998. (УДК 621.3; Э45).

3.Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника (Полный курс): Учебник для вузов /Под ред. О.П.Глудкина. –

М.: Горячая линия – Телеком, 2000. –768с.: ил. (О-60 УДК 621.396.6)

4.Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: Учебное пособие для ВУЗов. / 2-ое изд. -М.: Лаборатория Базовых Знаний. 2001. -488с.