7.2.3. Влияние резистора в цепи базы на результат расчетов.

Конденсатор С_Р1 препятствует замыканию постоянной составляющей на 0В, но позволяет части переменной составляющей ответвляться в цепь R_Б.

Рис.7.9. К определению влияния R_Б.

На Рис.7.9а источник питания специально изображен в виде батареи. Внутреннее сопротивление этого источника равно нулю для переменного тока от другого источника, в частности, для тока от источника .

Это означает, что при анализе режима переменного тока источник можно "закоротить", т.е. точку K соединить с точкой 0В ("землей"). Эквивалентная схема приведена на Рис.7.9б, где резистор R_Б подключен параллельно с R_ВХ. Часть тока уходит в этот резистор, не внося вклад в усиление сигнала. Ток, уходящий в цепь R_Б

(7.33)

Если рассматривать значение для идеального источника сигнала, то наличие R_Б никак не влияет на результат. Просто каскад потребляет от источника сигнала несколько больший ток. Однако, если рассматривать коэффициент усиления по току даже для идеального источника сигнала, то получим

(7.34)

где - коэффициент усиления по току в идеальных условиях.

При реальном источнике сигнала наличие R_Б будет сказываться и на значении .

7.3. Работа усилителя в реальных условиях.

Условия, в которых до сих пор рассматривалась работа усилителя, называются идеальными. В это понятие входит:

• идеальный источник сигнала с внутренним сопротивлением R_Г = 0,

• идеальная нагрузка – режим холостого хода – R_H → ∞.

Рис.7.10. Усилитель в реальных условиях.

В реальных условиях всегда имеют место конечные значения R_Г и R_H, как это показано на Рис.7.10.

7.3.1. Влияние реальных условий на входе.

Эквивалентная схема входной цепи усилителя показана на Рис.7.11.

Рис.7.11. Входная цепь усилителя.

Сопротивления R_Г и R_ВХ|| R_Б создают резистивный делитель напряжения. Элементы R_Г и R_ВХ являются именно сопротивлениями, а не резисторами. В схеме эти элементы отсутствуют, но проявляются их свойства. В результате непосредственно на вход усилителя поступает напряжение

(7.35)

В большинстве случаев имеет место , т.е. (cм. Примеры в конце главы).

В усилении участвует только напряжение , а падение напряжения на R_Г отражает потери на согласование выхода источника сигнала с вводом усилителя. Коэффициент согласования

(7.36)

В связи с таким определением возникает вопрос: точка Г в схеме отсутствует, напряжение может быть измерено только в точке Б, для чего нужно "лишнее" определение?

Напряжение Е_Г может быть измерено с помощью других средств. например, высокоомного вольтметра с R_V >> R_Г. После подключения к входу усилителя реальный источник "теряет" часть своего напряжения.

Значения K_U0 и K_U отражают различные показатели:

• - коэффициент усиления собственно усилителя,

• - коэффициент усиления системы "источник сигнала" – усилитель с учетом потерь согласования на входе.

7.3.2. Влияние реальных условий на выходе.

Эквивалентная схема входной цепи усилителя показана на Рис.7.9.

Рис.7.12. Выходная цепь усилителя.

По отношению к нагрузке усилитель выступает, как источник сигнала, параметры которого показаны на Рис.7.12. Внутреннее сопротивление усилителя, оно же выходное сопротивление R_ВЫХ и сопротивление нагрузки R_H также являются сопротивлениями, а не резисторами. Выходной делитель создает напряжение

(7.37)

По аналогии со входом, коэффициент согласования с нагрузкой на выходе

(7.38)

Значение R_ВЫХ может быть определено путем двух измерений: u_ВЫХ(0) – в режиме холостого хода и u_ВЫХ(Н) – при известной нагрузке R_H. Из (7.37) получим

(7.39)

В данном курсе значение выходного сопротивления можно указать без вывода

(7.40)

7.5.3. Полная эквивалентная схема усилителя

Совместив эквивалентные схемы входа и выхода, получим полную эквивалентную схему – Рис.7.13.

Рис.7.13. Полная эквивалентная схема усилителя.

Показателями работы усилителя являются:

• коэффициент усиления в идеальных условиях K_U0,

• входное и выходное сопротивление.

Коэффициент усиления в реальных условиях

(7.41)

Эта величина является показателем работы для системы "источник сигнала – усилитель – нагрузка"

7.6. Примеры расчета усилительного каскада

Пример 7.1. Расчет усилительного каскада.

Исходные данные: Е_К=15В, транзистор КТ3102Д (h_21Э.MIN=200, h_21Э.МАХ=500), источник сигнала – R_Г=1кОм, нагрузка – R_H=5кОм.

ПРИМЕЧАНИЕ

Если в справочных данных приведены только максимальное и минимальное значения для h_21Э, то следует использовать их среднее геометрическое значение. В данном случае принимаем .

Расчет всех показателей усилителя в идеальных и реальных условиях.

Принимаем в 1-м приближении условие наибольшего размаха

Этого условия недостаточно для расчета рабочей точки, т.к. в нем дано только значение произведения I_КП и R_K, а не их конкретные значения.

В результате приходится делать некоторый произвольный выбор значения I_КП, после чего все расчеты становятся однозначными.

Выбор значения I_КП для маломощных ВЧ транзисторов ограничен следующими соображениями:

• при малых значениях I_КП < 1мА происходит уменьшение параметра h_21Э по сравнению с номинальным значением, указанным в справочных данных,

• при увеличении значения I_КП увеличивается мощность, потребляемая в режиме покоя Р_П = I_КП∙Е_К.

• при увеличении значения I_КП уменьшается входное сопротивление и условия согласования с источником сигнала.

Для большинства маломощных ВЧ транзисторов диапазон рекомендуемых значений для I_КП - (1 ÷ 5)мА.

Порядок расчета режима постоянного тока (рабочей точки):

• задаемся значением I_КП – в диапазоне (1 ÷ 5)мА,

• определяем из (7.11) значение R_K,

• выбираем ближайшее значение R_K из ряда Е24,

• определяем из (7.20) значение R_Б,

• выбираем ближайшее значение R_Б из ряда Е24,

• ВСЕ!!!

Произведем расчет по приведенному алгоритму:

• выбираем значение ,

• определяем значение ,

• выбираем ближайшее значение из ряда Е24 (возможен выбор значения ),

• определяем значение

• выбираем ближайшее значение из ряда Е24 .

В принципе расчет закончен. Можно проверить, как сказываются на результатах допущения и приближения.

Учет выбора значений из ряда Е24 и пренебрежения значением U_БЭ = 0.7В.

Уточненное значение тока базы покоя

Значение тока коллектора покоя

Напряжение коллектора покоя

Все значения хорошо соответствуют исходным теоретическим значениям и .

Коэффициент усиления в реальных условиях .

Входное сопротивление без учета влияния :

Оценка влияния : - практически нет.

Коэффициент согласования на входе:

Коэффициент согласования на входе:

Коэффициент усиления в реальных условиях:

Самым большим недостатком схемы с фиксированным током базы является зависимость положения рабочей точки от значения параметра h_21Э. Например, для данного Примера допустимые значения h_21Э лежат в пределах (200 ÷ 500). Для транзисторов других типов относительный разброс имеет тот же порядок.

Пример 7.2. Определение разброса положения рабочей точки при разбросе h_21Э.

Расчетное значение R_Б = 2.4МОм было получено для h_21Э = 320, при этом ток покоя базы I_БП ≈ 2мкА. Но у реального транзистора h_21Э может лежать в пределах (200 ÷ 500), а значение R_Б и I_БП в схеме остается прежним.

Определяем состояние при h_21Э = 200:

Определяем состояние при h_21Э = 500:

На нормальную работу усилителя в первую очередь влияет разброс максимально допустимого размаха выходного напряжения:

• для номинального значения ,

• для минимального значения ,

• для максимального значения .

Анализ схем, слабо чувствительных к разбросу значений h_21Э, проводится в курсе "Схемотехника". Поэтому просто отметим данный недостаток и не будем в дальнейшем его учитывать.

7.7. Усилительные каскады с различными схемами включения транзистора.

7.7.1. Схема с общим коллектором.

Усилительный каскад в схеме ОК показан на Рис.7.14, причем так же в варианте с фиксированным током базы.

Рис.7.14. Схема с ОК (а – режим постоянного тока, б – режим усиления сигнала).

Для режима постоянного тока– можно записать полное уравнение цепи

(7.42)

Или после очевидных пренебрежений:

(7.43)

Условия наибольшего размаха на выходе в данной схеме выглядят так:

(7.44)

Производя расчеты, аналогичные схеме ОЭ – (7.25) ÷ (7.27), получим

(7.45)

Очевидно, значение достаточно велико и пренебрегать влиянием R_Б на R_BX уже нельзя!!!

Выходное сопротивление в курсе Электроника можно привести без вывода

(7.46)

Выходное сопротивление получается достаточно малым.

Согласно (7.36) и (7.38) схема с ОК будет иметь значения и , близкие к единице в широком диапазоне значений и . Это и определяет основное свойство схемы – малые потери при согласовании. Схема с ОК, как правило, используется не самостоятельно, а в многокаскадных усилителях в качестве входного и/или выходного каскада.

Входное переменное напряжение (входной сигнал)

(7.47)

Выходное переменное напряжение (выходной сигнал)

(7.48)

Коэффициент передачи напряжения

но всегда < 1(!!!) (7.49)

Из-за практически единичного коэффициента передачи напряжения каскад получил отдельное название – эмиттерный повторитель.

Можно ли считать усилителем схему, принципиально имеющую значение ?

Любой усилительный каскад характеризуется тремя коэффициентами усиления:

• по напряжению:

• по току:

• по мощности:

Основным критерием принадлежности к усилителю является соблюдение !

Каскад с ОК имеет значение , но достаточно близкое к единице, зато значение . Поэтому его относят к усилительным каскадам.

Синтез каскада с ОК рассматривается уже в курсе Схемотехника. В последующем примере приводится анализ каскада – определение показателей при известных параметрах схемы.

Пример 7.3. Анализ каскада с ОК.

Исходные данные: Е_К=15В, транзистор КТ3102Д (h_21Э.MIN=200, h_21Э.МАХ=500, h_21Э.NOM=320), R_Б= 300кОм, R_Э= 1кОм, источник сигнала: R_Г=1кОм, нагрузка: R_H=5кОм.

из (7.42) определяем

определяем

определяем - очень близко к режиму наибольшего размаха

определяем

для идеальных условий

входное сопротивление собственно каскада

с учетом влияния :

выходное сопротивление из (7.45)

коэффициент согласования на входе из (7.36):

коэффициент согласования на выходе из (7.38):

Подставляя в расчеты значения h_21Э.MIN=200 и h_21Э.МАХ=500, можно убедиться, что схема с ОК имеет меньший разброс показателей работы, чем схема с ОЭ.

Вывод: Схема с ОК – эмиттерный повторитель – очень хорошо работает в качестве входного и выходного каскада, обеспечивая согласование с высокоомным источником сигнала и/или низкоомной нагрузкой.