Трехкаскадный усилитель переменного напряжения

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ . . . . . 5
2. УСИЛИТЕЛЬНЫЙ КАСКАД НА ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ ПО СХЕМЕ С ОБЩИМ ИСТОКОМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
2.1. Общие сведения о статическом режиме работы усилительного каскада на полевом транзисторе по схеме с ОИ . . . . . . . . . . . . . . . .
10
2.2. Расчет статического режима работы усилительного каскада на полевом транзисторе по схеме с ОИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
2.3. Анализ усилительного каскада на полевом транзисторе по схеме с ОИ в области средних частот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
2.4. Анализ усилительного каскада на полевом транзисторе по схеме с ОИ в области верхних частот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
3. УСИЛИТЕЛЬНЫЙ КАСКАД НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ ПО СХЕМЕ С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
3.1. Общие сведения о статическом режиме работы усилительного каскада на биполярном транзисторе по схеме с ОЭ . . . . . . . . . . . .
21
3.2. Расчет статического режима работы усилительного каскада на биполярном транзисторе по схеме с ОЭ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
3.3. Анализ усилительного каскада на полевом биполярном транзи-сторе по схеме с ОЭ в области средних частот . . . . . . . . . . . . . . . .
27
3.4. Анализ усилительного каскада на биполярном транзисторе по схеме с ОЭ в области верхних частот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
4. КАСКАД НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ ПО СХЕМЕ С ОБЩИМ КОЛЛЕКТОРОМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
4.1. Общие сведения о статическом режиме работы каскада на бипо-лярном транзисторе по схеме с ОК . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
4.2. Расчет статического режима работы каскада на биполярном транзисторе по схеме с ОК . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
4.3. Анализ каскада на полевом биполярном транзисторе по схеме с ОК в области средних частот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34
4.4. Анализ каскада на биполярном транзисторе по схеме с ОЭ в области верхних частот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37
5. ОКОНЧАТЕЛЬНАЯ СХЕМА ТРЕХКАСКАДНОГО УСИЛИТЕЛЯ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38
6. АНАЛИЗ ТРЕХКАСКАДНОГО УСИЛИТЕЛЯ В ОБЛАСТИ
НИЖНИХ ЧАСТОТ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40
7. ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ЛИТЕРАТУРА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Резисторы представляют собой делитель напряжения, с помощью которых обеспечивается статический режим работы усилителя (режим по постоянному току). Резистор является сопротивлением эмиттерной нагрузки по постоянному сигналу. Конденсаторы являются разделительными конденсаторами, которые исключают влияние источника входного напряжения на статический режим работы каскада (конденсатор ) и влияние сопротивления нагрузки на статический режим работы каскада (конденсатор ).
4.2 Расчет статического режима работы каскада на биполярном транзисторе по схеме с ОК
Значение постоянного тока коллектора должно отвечать соотношению . Задаем значение постоянного тока коллектора .
Значение постоянного напряжения коллектор-эмиттер обычно выбирают из соотношения
. . (61)
Поскольку , то значение сопротивления резистора рассчитывается по формуле:
. . (62)
Постоянный ток базы рассчитывают по формуле:
. (63)
Ток делителя , который протекает через делитель напряжения на резисторах , обычно выбирают из условия .
Сопротивление резистора рассчитывается по формуле:
. (64)
Постоянное напряжение на переходе база-эмиттер для кремниевых транзисторов в инженерных расчетах принимают 0,7 В.
Сопротивление резистора рассчитывается по формуле:
. (65)
4.3 Анализ каскада на биполярном транзисторе по схеме с ОК в области средних частот
К параметрам каскада ОК в области средних частот относятся: коэффициент передачи , входное сопротивление , выходное сопротивление .
На рис.20 приведена схема каскада ОК для переменного сигнала в области средних частот.
Рис.20. Схема каскада ОК для переменного сигнала
Схема составлена с учетом того, что в качестве источника питания используется идеальный источник напряжения. Поэтому все переменные токи, которые через него замыкаются, выделяют на его внутреннем сопротивлении нулевое переменное напряжение. Следовательно, шина питания по переменному сигналу имеет нулевой потенциал, и, как следствие, верхний полюс резистора и коллектор транзистора по переменному сигналу можно соединить с точкой нулевого потенциала. С учетом указанных направлений протекания токов и полярности выделяемых при этом напряжений можно утверждать, что каскад ОК является неинвертирующим каскадом.
На схеме рис.20 резистор представляет собой параллельное соединение резисторов :
. (66)
Для выяснения параметров каскада ОК предположим, что , т.е. его влиянием можно пренебречь.
Предположим также, что все переменные токи представляют собой синусоидальные токи с амплитудами , , .
Из схемы рис.20 видно, что , а . Поэтому коэффициент передачи определятся выражением:
. (67)
Это означает, что каскад ОК не обладает усилительными свойствами.
Напряжение определяется формулой:
, (68)
где - эквивалентное сопротивление нагрузки каскада ОК.
Напряжение определяется формулой:
, . (69)
где - входное сопротивление каскада ОЭ.
Учитывая, что , формулу для вычисления коэффициент передачи можно представить в виде:
. (70)
Входное сопротивление вычисляют по формуле:
=. (71)
С учетом влияния сопротивления формула для расчета имеет вид:
=. (72)
Выходное сопротивление рассчитывают по формуле [1, с.77]:
=. (73)
Сопротивление источника сигнала представляет собой выходное сопротивление предыдущего каскада – каскада на биполярном транзисторе в схеме ОЭ.
4.4 Анализ каскада на биполярном транзисторе по схеме с ОК в области верхних частот
При анализе каскада ОК в области верхних частот на эквивалентной схеме необходимо учитывать паразитные емкости транзистора: , (рис.21).
Рис.21. Эквивалентная схема каскада ОК в области верхних частот
Подробный анализ схемы рис.21 проведен в [1, с.78]. Там показано, что частотная характеристика каскада ОК в области верхних частот характеризуется одним нулем и одним полюсом:
. (74)
Частота среза в области верхних частот определяется частотой полюса:
. (75)
5 Окончательная схема трехкаскадного усилителя
Окончательная схема трехкаскадного усилителя, представляющего собой последовательное соединение каскадов ОИ, ОЭ, ОК, приведена на рис.22.
Рис.22. Окончательная схема трехкаскадного усилителя
Позиционное обозначение элементов на схеме рис.22 может отличаться от позиционного обозначения элементов каждого из каскадов в отдельности, которое использовалось при расчете. Поэтому приведем их в соответствие.
Позиционное обозначение элементов каскада ОИ (рис.8, стр.14) и на рис.22 и полностью совпадают.
Каскад ОЭ.
Разделительный конденсатор на рис.11 (стр.21) на рис.22 обозначен как .
Конденсатор на рис.11, (стр.21) на рис.22 обозначен как .
Разделительный конденсатор на рис.11, (стр.21) на рис.22 обозначен как .
Резисторы рис.11, (стр.21) на рис.22 обозначены как соответственно.
Транзистор на рис.11, (стр.21) на рис.22 обозначен как .
Каскад ОК.
Разделительный конденсатор на рис.18 (стр.31) на рис.22 обозначен как .
Разделительный конденсатор на рис.18, (стр.31) на рис.22 обозначен как .
Резисторы рис.18, (стр.31) на рис.22 обозначены как соответственно.
Транзистор на рис.18, (стр.31) на рис.22 обозначен как .
Общий коэффициент усиления трехкаскадного усилителя вычисляется по формуле:
, (76)
где значения вычисляются по формулам (25), (53) и (70) соответственно.
Входное сопротивление трехкаскадного усилителя определяется входным сопротивлением каскада ОИ: =.
Выходное сопротивление трехкаскадного усилителя определяется выходным сопротивлением каскада ОК и вычисляется по формуле (73).
6 анализ трехкаскадного усилителя в области
нижних частот
Все конденсаторы в схеме рис.22 вызывают завал АЧХ в области нижних частот, т.е. определяют частоту среза в области нижних частот. На рис.23 приведена схема трехкаскадного усилителя для анализа влияния конденсаторов , , , в области нижних частот.
Рис.23. Схема трехкаскадного усилителя для анализа влияния конденсаторов , , , в области нижних частот
Входная цепь каскада ОИ имеет частотную характеристику вида:
, (77)
где - постоянная времени в области нижних частот, обусловленная конденсатором .
Модуль частотной характеристики описывается формулой:
. (78)
По определению частот среза это такая частота, на которой модуль коэффициента передачи уменьшается в раз. Поэтому частота среза в области нижних частот входной цепи каскада ОИ определяется формулой:
. (79)
При заданном значении значение емкости конденсатора рассчитывается по формуле:
. (80)
Входная цепь каскада ОЭ имеет частотную характеристику вида:
, (81)
где - постоянная времени в области нижних частот, обусловленная конденсатором .
Модуль частотной характеристики описывается формулой:
. (82)
Частота среза в области нижних частот входной цепи каскада ОЭ определяется формулой:
. (83)
При заданном значении значение емкости конденсатора рассчитывается по формуле:
. (84)
Входная цепь каскада ОК имеет частотную характеристику вида:
, (85)
где - постоянная времени в области нижних частот, обусловленная конденсатором .
Модуль частотной характеристики описывается формулой:
. (86)
Частота среза в области нижних частот входной цепи каскада ОК определяется формулой:
. (87)
При заданном значении значение емкости конденсатора рассчитывается по формуле:
. (88)
Выходная цепь каскада ОК имеет частотную характеристику вида:
, (89)
где - постоянная времени в области нижних частот, обусловленная конденсатором .
Модуль частотной характеристики описывается формулой:
. (90)
Частота среза в области нижних частот выходной цепи каскада ОК определяется формулой:
. (91)
При заданном значении значение емкости конденсатора рассчитывается по формуле:
. (92)
В каскадах ОИ, ОЭ присутствуют блокирующие конденсаторы , , которые предназначены для устранения отрицательной обратной связи по переменному сигналу.
Как показано в [7, с.196], наличие цепи , в цепи истока транзистора формирует частотную характеристику, содержащую нуль и полюс. Частота полюса, которая определяет частоту среза в области нижних частот, рассчитывают по формуле:
, (93)
где - глубина внутренней обратной связи в каскаде ОИ.
Значение рассчитывают по формуле:
. (94)
В [7, с.187] показано, что наличие цепи , в цепи эмиттера транзистора формирует частотную характеристику, содержащую нуль и полюс. Частота полюса, которая определяет частоту среза в области нижних частот, рассчитывают по формуле:
, (95)
где - глубина внутренней обратной связи.
Значение рассчитывают по формуле:
. (96)
8 Выводы по работе
В работе спроектирован трехкаскадный усилитель, представляющий собой последовательное соединение каскадов ОИ, ОЭ, ОК.
Для каждого из каскадов приведены формулы, позволяющие рассчитать сопротивления входящих в него резисторов, которые задают статический режим работы каскада. Приведены графики ВАХ и нагрузочных прямых, которые иллюстрируют положение рабочей точки.
Приведены формулы, которые позволяют рассчитать параметры каждого каскада в области средних частот: коэффициент усиления, входное и выходное сопротивление.
Проведен анализ каждого из каскадов в области верхних частот. Приведены формулы, позволяющие рассчитать для каждого каскада частоту среза в области верхних частот.
Проведен анализ трехкаскадного усилителя в области нижних частот. Приведены формулы, позволяющие рассчитать емкости всех конденсаторов, входящих в схему усилителя.
ЛИТЕРАТУРА
1. Войшвилло Г.В. Усилительные устройства: Учебник для вузов.- 2-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь. 1981.-264 с.
2. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. Изд.4-е, перераб. и доп. М., «Энергия», 1977. 672 с.
3. Грифилд Дж. Транзисторы и и линейные ИС: Руководство по анализу и расчету: Пер. с англ. – М.: Мир, 1992.- 560 с.
4. Петухов В.М. Маломощные транзисторы и их зарубежные аналоги. Справочник. - М.: КУбкК-а, 1996. - 672 с.
5. Андреев Ю.Н., Антонин Д.М., Иванов Д.М. и др. Резисторы (справочник). – М.: Энергоатомиздат, 1981. – 352 с.
6. Федотов Я.А. Основы физики полупроводниковых приборов. Изд. 2, испр. и доп. Изд-во «Советское радио», 1970, 592 с.
7. Войшвилло Г.В. Усилительные устройства: Учебник для вузов.- М.: «Связь». 19751.-384 с.
45