Усилитель напряжения низкой частоты. Работа усилителя в области низких, средних и верхних частот.

⇐ ПредыдущаяСтр 14 из 19Следующая ⇒

С целью анализа АЧХ и ФЧХ усилителя в широкой полосе усиливаемых частот, заменяя усилительный элемент генератором тока, перейдем от принципиальной- схемы усилительного каскада к его эквивалентной схеме. Сделаем это при следующих допущениях (для определенности будем рассматривать схему на биполярном транзисторе типа n-р-n) 1.Величина входного сигнала мала, и

рабочая точка находится в пределах линейной области работы транзистора. 2. Емкость Сэ так велика, что падением переменного напряжения на соединенном параллельно с ней сопротивлении Rэ можно пренебречь.

3.Внутреннее сопротивление источника питания переменному току равно нулю, откуда следует, что напряжение сигнала на шине питания также равно нулю. Данное условие дает возможность на эквивалентной схеме клеммы «+E_П» и « » соединить накоротко.

При сделанных допущениях полная эквивалентная схема по переменному току для каскада рис. 3.21 представлена на рис. 3.22 а. Схема может быть упрощена путем объединения однотипных элементов цепи: Свых+См+Сн=С о ,гд еСвых - выходная емкость усилительного элемента, См - емкость монтажа, Сн - емкость нагрузки. Это равенствосправедливо, так как Ср»Сн, См и Свых. В этом случае приходам к эквивалентной схеме, изображенной на рис. 3.22 б. Анализируя данную эквивалентную схему, можно сделать следующие выводы.

Если пренебречь влиянием реактивных элементов, т. е. считать, что - мало, а - велико, что возможно в области средних частот, то коэффициент передачи будет постоянным и независимым от частоты.

В области нижних частот из-за возрастания сопротивления

разделительного конденсатора коэффициент передачи будет уменьшаться. Шунтирующим влиянием сопротивления емкости при этом можно пренебречь,

3.В области верхних частот из-за уменьшения сопротивления

емкости , которая включена параллельно сопротивлению нагрузки R_Н, коэффициент передачи также будет уменьшаться. Влиянием емкости Ср в этом случае можно пренебречь.

Таким образом, возникает необходимость анализа работы усилителя отдельно в области средних, нижних и верхних частот.

Область средних частот. Так как в области средних частот можнопренебречь влиянием Ср и С₀, поскольку , то эквивалентная схема для средних частот будет иметь вид, показанный на рис. 3.23 а, или в окончательном варианте на рис. 3.23 б.

Рис. 3.23. Эквивалентная схема усилителя в области средних частот: а - полная;б -о эквивалентной заменой сопротивлений

Схема рис. 3.23 б позволяет легко определить коэффициент усиления усилителя на средних частотах.

Для реальной схемы усилительного каскада (рис. 3.21), содержащей биполярный транзистор, включенный по схеме с ОЭ, будем иметь: . Знак «-» означает инверсию входного сигнала. Таким образом, как следует из формул (3.49) и (3.50), коэффициент усиления в области средних частот не зависит от частоты. В то же время элементы самой эквивалентной схемы рис. 3.23 очевидно не вносят сдвига фазы между напряжениями на ее входе и выходе.

Рис. 3.24. Эквивалентная схема усилителя в области нижних частот: а - полная; б - с эквивалентной заменой сопротивлений

Область нижних частот. Пренебрегая в области нижних частот влиянием емкости С₀, поскольку , эквивалентную схему усилителя можно привести к следующему виду (рис. 3.24 а, б). Однако эта схема неудобна для расчета коэффициента усиления, так как содержит параллельные и последовательные цепи. Для ее упрощения осуществим эквивалентный перенос генератора из параллельной цепи в последовательную (рис. 3.25 а, б). При этом воспользуемся методомэквивалентного генератора, согласно которому эдс эквивалентного генератора будет равна падению напряжения на эквивалентом сопротивлении R'_к при разомкнутой внешней цепи, состоящей из последовательно соединенных емкости Ср и сопротивления R_H, а внутреннее сопротивление генератора - сопротивлению R 'к.

Используя полученную последовательную эквивалентную схему, можно рассчитать коэффициент усиления для области нижних частот

(3.51).В формуле (3.51) величина называется постоянной времени усилителя в области нижних частот. В соответствии с формулой (3.51) модуль коэффициента усиления будет иметь вид , а коэффициент частотных искажений

Фазовая характеристика усилителя в области нижних частот

Графически частотная и фазовая характеристики в области нижних частот имеют вид, представленный на рис. 3.26. Из рисунка видно, что коэффициент усиления в области нижних частот уменьшается, а фаза выходного напряжения опережает фазу входного.

Область верхних частот. В области верхних частот можно пренебречь влиянием разделительного конденсатора Ср ввиду его малого сопротивления. Для этого случая эквивалентная схема УННЧ приведена на рис. 3.27. Из схемы рис. 3.27 в легко найти коэффициент усиления в области верхних частот

, где - постоянная времени усилителя в области верхних частот.

Модуль коэффициента усиления и коэффициент частотных искажений запишутся как

а фазовый сдвиг

Соответствующие графики приведены на рис. 3.28. На основании этих графиков можно сделать вывод, что коэффициент усиления в области верхних частот также уменьшается за счет шунтирующего действия емкости С₀, а фаза выходного напряжения отстает от фазы входного.

24.

Частотные и фазовые искажения в усилителях.24

25. Широкополосные усилители. Коррекция частотной характеристики в области низких и верхних частот.

Цепи коррекции. Площадь усиления.Рассмотренный в п. 3.8 обычный резистивно-емкостный усилительный каскад имеет частотную характеристику, представленную на рис. 3.6. Как уже указывалось, спадчастотной характеристики в области нижних и верхних частот обусловлен влиянием, соответственно, емкостей С_р и С₀. Однако, в ряде случаев, в частности, широкополосного и импульсного усилителя, последний должен обеспечивать более широкий диапазон усиливаемых частот. В основу простейших широкополосного и импульсного усилителей положен резистивно-емкостный усилительный каскад с добавлением корректирующих цепей.

Цепи, расширяющие полосу пропускания в области низких частот, называются цепями низкочастотной коррекции. Цепи, расширяющие полосу пропускания в области высоких частот, называются цепями высокочастотной коррекции.

В широкополосных и импульсных усилителях применяют усилительные элементы, имеющие высокую граничную частоту f_ГР, большую крутизну передаточной характеристики и малые паразитные межэлектродные емкости. Важной характеристикой таких усилителей является площадь усиления .

Покажем, что расширение полосы пропускания усилителя ведет к уменьшению его коэффициента усиления. Как известно, коэффициент частотных искажений в области верхних частот равен , откуда

Для дальнейших выводов определим понятие крутизны передаточной характеристики усилительного элемента S. Так, для полевого транзистора параметр S дается выражением , а для любого УЭ . Тогда при малых амплитудах тока и напряжения будем иметь .Для усилительных элементов, у которых велико входное сопротивление, например для полевых транзисторов, площадь усиления , а так как согласно определению верхней граничной частоты усилителя и, следовательно, .

На основании последней формулы можно сделать два очевидных вывода.

1. Расширение полосы пропускания усилителя происходит за счет уменьшения его коэффициента усиления.

2. Для расширения полосы пропускания усилителя в области верхних частот следует выбирать усилительные элементы с большей крутизной Sи малым значением паразитной емкости Со.

Можно показать, что для схем на биполярных транзисторах максимальная площадь усиления определяется выражением ,где , как и ранее, - граничная частота усиления транзистора, -емкость коллекторного перехода, а - объемное (распределенное) сопротивление базы на верхних частотах.

Низкочастотная коррекция.Для расширения полосы пропускания усилительного каскада в области низких частот обычно применяется цепочка развязывающего фильтра , (рис. 3.47 а). Принцип действия такой коррекции заключается в том, что на нижних частотах наблюдается увеличение сопротивления нагрузки выходной цепи, в результате чего коэффициент усиления усилителя возрастает. Это в определенной степени компенсирует снижение усиления на низких частотах, связанное с влиянием разделительного конденсатора. Сказанное можно пояснить следующим аналитическим расчетом.

В области низких частот, когда в пределе сопротивление , откуда коэффициент усиления будет равен

В области высоких частот, когда в пределе тогдаK_B=SR_K. Таким образом, изменяется от на высокой частотедо + на низких частотах.

Рассмотрим далее методику оценки номинальных значений элементов и с использованием семейства нормированных частотных характеристик каскада с низкочастотной коррекцией цепочкой , (рис. 3.48). С этой целью введем следующие обозначения: Эти параметры позволяют с помощью графика нормированных частотных характеристик определить элементы цепи коррекции.

Прежде всего, из данного рисунка следует, что чем меньше параметр т, тем коррекция сильнее. Из формулы сразу жеполучаем . Коэффициент , где - нормированная частота, откуда и соответственно .

Расчет цепи коррекции производят следующим образом. Выбирают семейство нормированных частотных характеристик с требуемыми параметрами и (рис. 3.48). По заданному коэффициенту частотных искажений находят величину и проводят горизонтальную прямую на графике до пересечения с выбранной частотной характеристикой (на чертеже - прямая пунктирная линия). Проектируя точку пересечения на ось абсцисс, определяют а по нему -величины и . Сопротивление фильтра рассчитывают по значениям сопротивления и параметра .

Параллельная высокочастотная коррекция.Схема усилителя с параллельной высокочастотной коррекцией представлена на рис. 3.49а Корректирующая индуктивность вместе с емкостью (рис. 3.49 б) образуют параллельный колебательный контур. Его сопротивление на резонансной частоте максимально, следовательно, на этой частоте увеличивается и коэффициент усиления усилителя, который будет равен , где ( - эквивалентная добротность контура). Отметим, что данная формула справедлива, если считать, что и очень велики и .

Для оценки номинальных значений элементов цепи коррекции введем параметр высокочастотной коррекции .Определим далее нормированную частоту как . Выбрав затем на семейственормированных частотных характеристик кривую с требуемым значением параметра а, по заданному значению Y=l/M_Bнайдем величину (рис. 3.50). Отсюда и тогда .

Наряду с параллельной высокочастотной коррекцией применяется и последовательная высокочастотная коррекция, при которой индуктивность включается последовательно с емкостью . В этом случае элементы и образуют последовательный колебательный контур, что также приводит к расширению полосы пропускания в области высоких частот из-за увеличения коэффициента усиления. Отметим, однако, что этот вид коррекции эффективен только при определенном соотношении паразитных емкостей выходной цепи УЭ, разделяемых индуктивностью . В практических схемах усилителей применяется также' и более сложная последовательно-параллельная высокочастотная коррекция.

Высокочастотнаякоррекцияобратнойсвязью. Рассмотренные схемы высокочастотной коррекции находят широкое применение, главным образом в ламповых схемах и схемах на полевых транзисторах, для которых . А поскольку в схемах на биполярных транзисторах сопротивление как правило, невелико, то эти виды коррекции в данном случае малоэффективны. В таких транзисторных схемах высокочастотную коррекцию чаще всего осуществляют обратной связью (рис. 3.51). Для этого в случае эмиттерной коррекции (рис. 3.51 а) в цепь эмиттера с помощью резистора вводят достаточно глубокую последовательную отрицательную обратную связь по току, уменьшающую усиление во всей полосе частот. Зашунтировав эту цепь обратной связи конденсатором небольшой емкости , ослабляют отрицательную обратную связь на высоких частотах и тем самым повышают коэффициент усиления. Аналогично действует и коллекторная высокочастотная коррекция (рис. 3.51 б).

26. Однотактный усилитель мощности с трансформаторным выходом.

Обеспечение приемлемых частотных искажений в однотактных УМ сигналов низкой частоты в ряде случаев возможно только при их работе в режиме класса А. При этом транзистор обычно включают по схеме с ОЭ (рис. 3.35), так как она обеспечивает достаточно хорошие условия межкаскадного согласования.

Назначение элементов принципиальной схемы таково: резисторы , так же как и в каскадах предварительного усиления, обеспечивают режимы питания и термостабилизации схемы. Выходной трансформатор обычно является понижающим и служит для согласования малого сопротивления нагрузки с выходным сопротивлением R_выхтранзистора, которое обычно намного больше R_Н. При пересчете или, другими словами, при трансформации сопротивления нагрузки R_Н из вторичной обмотки трансформатора в первичную величина это-

го сопротивления становится равной , где n - коэффициент трансформации, определяемый как отношение числа витков вторичной обмотки трансформатора w₂ к числу витков первичной обмотки w\, т. е. п=^2^щ- Из данного определения следует, что при п<\ сопротивление Я'н>Лн.

Основное достоинство рассматриваемого усилителя - это относительно высокий кпд при работе на нагрузку с любым сопротивлением. К недостаткам трансформаторного усилителя можно отнести: большие размеры и массу, сравнительно узкую полосу рабочих частот, внесение трансформатором дополнительных искажений, а также невозможность исполнения по интегральной технологии.

Для анализа работы рассматриваемого каскада заменим принципиальную схему выходной цепи УМ эквивалентной для переменного тока (рис. 3.36 а). Если при этом все номинальные значения элементов пересчитать, т. е. трансформировать из вторичной обмотки в первичную, используя соотношенияполучим эквивалентную схему, приведенную на рис. 3.36 б.

Анализируя эту схему, можно сделать следующие выводы.

1. В области нижних частот (рис. 3.37, область I)коэффициент

усиления будет уменьшаться из-за уменьшения сопротивления индуктивности/,! (Xij-tonLi).

2. В области верхних частот (рис. 3.37, область III) коэффициент усиления будет падать из-за возрастания сопротивлений индуктивно-стей L_s} и L_sl и уменьшения сопротивления емкости С0, которое шунтирует нагрузку. Кроме того, вследствие проявления резонансных свойств контура, состоящего из индуктивностей L\ и I/s2 и емкости С о, на верхних частотах может наблюдаться подъем частотной характеристики (пунктир).