Коэффициент усиления усилителя с последовательной

Отрицательной обратной связью по напряжению

 

Усилитель включает цепь прямой передачи с комплексным коэффициентом усиления по напряжению

                                    (3.13)

и цепь обратной передачи с комплексным коэффициентом обратной связи (рис. 3.4)

, (3.14)

при этом входной сигнал u_вх1 и сигнал обратной связи u_ос находятся в противофазе друг к другу.   

Коэффициент усиления усилителя, охваченного обратной связью, равен

 

         (3.15)

Величину  называют глубиной обратной связи. При достаточной глубине ОС ( ) коэффициент усиления усилителя, охваченного обратной связью, не зависит от свойств цепи прямой передачи и определяется только свойствами цепи ОС

.                                              (3.16)

Коэффициент усиления  прямой передачи нестабилен из-за входящих в структуру усилителя активных элементов (транзисторы, операционные усилители и др.). Отрицательная ОС использует пассивные элементы (резисторы, конденсаторы) и стабильна. Рост глубины обратной связи  повышает стабильность общего коэффициента усиления .

 

Входное и выходное сопротивление усилителя

С обратной связью

 

Сопротивление параллельно соединенных элементов меньше сопротивления каждого из них, тогда как сопротивление последовательно соединенных элементов – больше. Следовательно, параллельная ОС уменьшает входное сопротивление усилителя, а последовательная увеличивает, так же как связь по напряжению уменьшает выходное сопротивление усилителя, а связь по току – увеличивает.

Выразим входное комплексное сопротивление  усилителя, охваченного последовательной обратной связью (см. рис. 3.4), через входное сопротивление  цепи прямой передачи и коэффициенты усиления  и обратной связи . При последовательной обратной связи напряжения  и  на входе усилителя складываются при одном токе , увеличивая входное сопротивление:

 

.         (3.17)

 

В случае параллельной обратной связи (см. рис. 3.3, а) складываются токи на входе усилителя при одном напряжении , что уменьшает входное сопротивление . Характер изменения сопротивления  не зависит от величины, по которой осуществляется связь (ток, напряжение).    

При изменении сопротивления нагрузки обратная связь по напряжению препятствует изменению выходного напряжения, уменьшая выходное сопротивление усилителя:

 

.                             (3.18)

 

Обратная связь по току препятствует изменению выходного тока, означая увеличение выходного сопротивления усилителя. Характер изменения  не зависит от вида связи (параллельная, последовательная).

 

3.4. Усилительный каскад на биполярном транзисторе

 

Одним из наиболее распространенных усилительных каскадов на биполярном транзисторе является каскад с общим эмиттером. Для каскада с ОЭ эмиттер является общим электродом входной и выходной цепей. Перед подачей сигнала на вход каскада необходимо обеспечить начальный режим его работы. Начальный режим называют так же статическим, покоя или режимом постоянного тока. В начальном режиме электроды транзистора подсоединяют к источнику питания, при этом через его p-n-переходы протекают постоянные токи. Начальным значениям токов и напряжений соответствует рабочая точка (РТ) на характеристиках транзистора. Неизменность положения рабочей точки на характеристиках – основа стабильности работы усилительного каскада.

Начальный режим задают, применяя одну из трех возможных схем:

· с фиксированным током базы;

· с эмиттерной стабилизацией;

· с коллекторной стабилизацией.

3.4.1. Схема с фиксированным током базы

 

Схема с фиксированным током базы приведена на рис. 3.5.

Под действием источника  в цепях базы и коллектора транзистора протекают постоянные токи  и . Уравнение состояния коллекторной цепи, составленное по второму закону Кирхгофа, из-за наличия транзистора является нелинейным

.             (3.19)

Решение нелинейного уравнения  выполняют с помощью графических построений, для чего на коллекторные характеристики транзистора (см.
рис. 1.21) наносят линию нагрузки.

Выразив из (3.19) ток коллектора

,       (3.20)

можно видеть, что ток  изменяется линейно с изменением напряжения  на нелинейном элементе. Уравнение (3.20) называют уравнением линии нагрузки или нагрузочной прямой.

Для построения линии нагрузки следует найти значения тока  и напряжения  в двух крайних режимах работы транзистора: насыщения и отсечки. При насыщении напряжение  и ток коллекторной цепи ограничен сопротивлением  коллекторной нагрузки . В режиме отсечки ток  и все напряжение источника приложено к коллекторному переходу . Этим режимам на выходных характеристиках транзистора соответствуют точки с координатами: ,  и , , – через которые и проводят нагрузочную прямую (рис. 3.6).

Точки пересечения линии нагрузки с каждой коллекторной характеристикой дают решения уравнения (3.20). Решения определяют ток  и напряжение  покоя коллектора при соответствующем токе базы. Ток  указан в виде параметра на характеристиках . Значения начальных тока  и напряжения  коллектора вместе с начальным током базы , соответствующие рабочей точке РТ, указаны на рис. 3.6.

Уравнение состояния цепи базы, составленное по второму закону Кирхгофа, также нелинейное

 

.                            (3.21)

 

Однако в силу малости напряжения на смещенном в прямом направлении переходе база – эмиттер , ток в цепи базы фиксирован, т. е. определен параметрами схемы ( , )

 

.                           (3.22)

 

Положение РТ на коллекторных характеристиках (рис. 3.6) соответствует току . С изменением тока базы рабочая точка перемещается по линии нагрузки от нижнего положения при  (режим отсечки) до верхнего при  (режим насыщения).

 

Схема с эмиттерной

     стабилизацией

 

Параметры транзистора являются функцией температуры. С температурой изменяется концентрация неосновных носителей в полупроводнике, а вместе с ней и коллекторный ток . При изменении температуры коллекторные характеристики  изменяются, вызывая смещение рабочей точки и нелинейные искажения входного сигнала. Температурная стабилизация усилительного каскада обеспечивается введением отрицательной обратной связи. Наиболее распространена эмиттерная стабилизация (рис. 3.7).

Схема предусматривает стабилизацию тока  за счет включения в цепь эмиттера резистора .

Применение делителя напряжения R₁-R₂ обеспечивает фиксированное напряжение на его нижнем плече

 

. (3.23)

 

 

Согласно второму закону Кирхгофа к переходу база – эмиттер приложена часть этого напряжения

 

.  (3.24)

 

При увеличении температуры растет ток коллектора , а через него – и ток эмиттера . Рост тока  увеличивает падение напряжения  на резисторе . Однако суммарное напряжение на резисторе  остается неизменным, поэтому с ростом напряжения  снижается напряжение  на эмиттерном переходе. Снижение прямого напряжения база – эмиттер  означает уменьшение токов эмиттера  и коллектора .

Эмиттерная стабилизация обеспечивает независимость напряжения  от изменений температуры и стабилизирует работу транзистора и усилительного каскада.

 

 

3.4.3. Схема с коллекторной стабилизацией

 

Коллекторная стабилизация достигается введением напряжения обратной связи из коллекторной цепи в цепь базы (рис. 3.8).

Обратную связь осуществляют подключением резистора  в цепи базы к коллектору. С повышением температуры растет ток коллектора  и увеличивается падение напряжения на резисторе . Согласно второму закону Кирхгофа с увеличением падения  на резисторе  уменьшается напряжение на транзисторе , а с ним – и ток базы . Уменьшение тока базы  снижает ток коллектора , обеспечивая стабилизацию работы транзистора.

3.4.4. Режимы работы усилительного каскада

 

В зависимости от положения рабочей точки на характеристиках транзистора, различают четыре основных режима работы усилительного каскада или основных класса усиления: А, В, СиД.

Режим А соответствует положению рабочей точки на линейных участках выходных характеристик . В зависимости от входного сигнала ток коллектора , содержащий постоянную  и переменную  составляющие, может как возрастать, так и уменьшаться относительно тока покоя , всегда оставаясь положительным .

Режим В соответствует нижнему положению рабочей точки на выходных характеристиках , когда ток покоя . Ток коллектора всегда положителен и может быть только больше тока покоя. При гармоническом входном сигнале выходной ток  состоит из положительных полуволн.

Режим С достигается подачей на вход транзистора начального запирающего напряжения . В этом случае при гармоническом входном сигнале выходной ток  содержит части положительных полуволн, длительность которых меньше длительности половины периода.

Режим Д соответствует ключевой работе, когда основную часть времени транзистор находится в насыщении или отсечке.

 

 

---

Дата добавления: 2018-05-01; просмотров: 465; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!