Теория

представляет собой вольтамперную характеристику той части схемы усилителя,

в состав которой не входит нелинейный активный элемент (транзистор). В

основе построения нагрузочной характеристики лежит уравнение транзистора в

рабочем режиме:

[pic]( для схемы рис. 2.11, а, [pic]( для схемы рис. 2.13, а.

В данном случае работаем по схеме рис. 2.11, а. Так как элемент Rк

имеет линейный характер, то и характеристика будет в виде прямой линии. Она

может быть построена по двум точкам, при этом достаточно использовать два

крайних состояния транзистора:

1-е состояние: транзистор закрыт, его сопротивление равно

бесконечности, ток через прибор прекращается и напряжение на нем Uк ( Ек (

это будет первая точка нагрузочной прямой (точка А); для конкретного

транзистора расчетное Uкэ.доп должно быть больше Ек справочного.

2-е состояние: транзистор открыт полностью, то есть его сопротивление

падает почти до нуля, падение напряжения на нем близко к нулю, а ток (

максимальный и ограничивается лишь элементом Rк. В этом случае ток

коллектора называется током насыщения Iкн ( Ек/Rк. Следовательно, вторая

точка нагрузочной характеристики будет лежать на оси тока (точка В); при

выборе конкретного транзистора значение коллекторного тока, полученного при

расчете, должно быть меньше справочного значения тока Iк.доп.

Соединив точки "А" и "В" прямой линией, получим нагрузочную

характеристику по постоянному току ( линия «АВ».

Все возможные значения токов и напряжений транзистора определяются в

точках пересечения его ВАХ с линией нагрузки по постоянному току. Если,

например, задан ток Iбп, то падение напряжения на транзисторе Uкэп и ток

Iкп через него в режиме покоя будут определяться положением рабочей точки

"РТ". Если входной ток (ток базы) увеличить до значения Iб5 , то новые

значения Uкэп и Iкп определяются положением точки "С" и т. д.

Внимание. Построив нагрузочную, убедитесь, что она укладывается в

рабочую область ВАХ, для чего рассчитайте характеристику допустимой

мощности рассеивания на коллекторном переходе и постройте гиперболу

рассеяния [pic]. Нагрузочная характеристика должна располагаться ниже

гиперболы рассеивания (на рис. 2.15, б. нерабочая область затемнена).

2.8.5.2. Определение протяженности рабочего участка

нагрузочной характеристики

Прежде чем задать положение рабочей точки на нагрузочной

характеристике, необходимо определить протяженность рабочего участка

нагрузочной.

Рис. 2.15. Выходные характеристики (б) и временные диаграммы усилителя:

а ( выходного тока Ik = f(t); в ( выходного напряжения

Uкэ = f(t);

Конечно, для получения максимальной выходной мощности желательно

использование всей нагрузочной характеристики, но в режиме насыщения

транзистора в выходном сигнале заметно увеличивается уровень нелинейных

искажений, а в режиме отсечки (когда ток базы равен нулю) имеет место

неуправляемый ток Iкэо. За счет этих двух режимов протяженность рабочего

участка нагрузочной характеристики ограничивается отрезком «CD».

Конечно, для получения максимальной выходной мощности желательно

использование всей нагрузочной характеристики, но в режиме насыщения

транзистора в выходном сигнале заметно увеличивается уровень нелинейных

искажений, а в режиме отсечки (когда ток базы равен нулю) имеет место

неуправляемый ток Iкэо. За счет этих двух режимов протяженность рабочего

участка нагрузочной характеристики ограничивается отрезком «CD».

2.8.5.3. Положение рабочей точки на ВАХ

На полученном рабочем участке «CD» в режиме покоя задается положение

рабочей точки (РТ). Рабочая точка задается в таком месте нагрузочной

характеристики, где при подключении генератора переменной ЭДС, изменения

тока базы будут приблизительно симметричными относительно ее заданного

положения, а мощность, потребляемая при этом усилителем, ( минимальной.

Следовательно, положение рабочей точки нелинейного активного прибора

(транзистора) однозначно определяется управляющим сигналом со стороны

входа. Рабочую точку, в общем случае, выбирают исходя из режима, в котором

должен работать транзистор: если РТ задана правильно, то при подключении

генератора входного сигнала приращения выходного напряжения ((Uвых.мак

будут такими, при которых транзистор продолжает работать в активном режиме,

мощность, рассеиваемая на нем, не будет превышать допустимую, нелинейные

искажения будут минимальными, коэффициент полезного действия (КПД) высоким

и будут выполняться условия

[pic];

[pic];

[pic]

[pic],

где Uкэп, Iкп ( ток и напряжение коллектора в режиме покоя; Uкэм,

Iкм ( амплитудные значения напряжения и тока коллектора; [pic]; [pic] (

допустимые значения напряжения на коллекторе и мощности, рассеиваемой на

нем (их значения для данного типа транзистора берутся из справочной

литературы).

Таким образом, рабочая точка должна располагаться ниже гиперболы

рассеяния [pic] и левее вертикали [pic].

2.8.5.4. Построение рабочей характеристики на входных ВАХ

После того как были проделаны все построения на выходных ВАХ

транзистора, связанные с построением нагрузочной характеристики и

определением положения рабочей точки на ней, необходимо построить рабочую

характеристику на входных ВАХ и перенести все точки на нее с выходной

нагрузочной. Так как семейство входных ВАХ представляет собой узкий пучок

характеристик, то достаточно взять одну из них и использовать ее как

рабочую (рис. 2.16).

Примечание. Для расчетов нельзя использовать характеристику, снятую при

напряжении на коллекторе равном нулю.

Рабочая точка на входной рабочей характеристике должна строго

соответствовать значению тока базы покоя на нагрузочной (в данном случае

ток базы покоя Iбп = 200 мкА). Напряжение на коллекторе очень слабо влияет

на входные напряжение и ток, поэтому значение Uкэ для положения РТ не

критично и может отличаться от Uкэп, установленного на нагрузочной

характеристике. Точка D’ на рабочей характеристике лежит на оси напряжения,

так как базовый ток отсутствует, но эта точка лежит не в начале координат,

потому что в цепи коллектор-эмиттер течет ток неосновных носителей Iкэо, за

счет которого и создается падение напряжения на участке база-эмиттер.

По форме переменного напряжения на входе усилителя (рис. 2.16, в) можно

судить об уровне нелинейных искажений во входном сигнале: Uбэ ( это падение

напряжения на входном сопротивлении транзистора, а оно имеет нелинейный

характер, то есть сам транзистор может стать причиной дополнительных

нелинейных искажений в выходном сигнале.

Заданное положение РТ на ВАХ характеризуется ее параметрами ( Iбп,

Uбэп, Iкп, Uкэп, Pкп, и эти параметры необходимо обеспечить в реальной

схеме, выбрав соответствующие напряжения источников питания и смещения, а

также рассчитать по этим параметрам номиналы режимных резисторов (Rб1,.

Rб2, Rэ, Rк) в соответствии с формулами 2.21, 2.22,

2.22, а, 2.23.

2.8.5.5. Параметры усиления

Кроме параметров по постоянной составляющей тока, по временным

диаграммам (рис. 2.15, а, в и рис. 2.16, а, в) можно определить параметры

усиления ( коэффициенты усиления по току, по напряжению, по мощности,

полезную мощность, выделенную в нагрузке(

[pic]

(2.24)

[pic] (2.25)

[pic] (2.26)

[pic] (2.27)

Используя формулы (2.24 ( 2.27) и параметры из временных диаграмм,

определение параметров усиления не должно вызывать затруднений.

2.8.6. Обратные связи в усилителях

Обратной связью (ОС) называется такая электрическая связь между выходом и

входом усилителя, при которой часть энергии усиленного сигнала с выхода

усилителя подается обратно на его вход. Обратная связь может быть полезной

или паразитной.

Полезная ОС способствует улучшению основных характеристик усилителя, а

возникает она в результате применения специальных схем.

Паразитная ОС нарушает нормальную работу усилителя, а возникает она в

результате взаимного влияния цепей друг на друга.

2.8.6.1. Полезная обратная связь в усилителях

Чтобы часть энергии усиленного сигнала с выхода усилителя передать на

вход, необходимо между входом и выходом включить элемент обратной связи

(ЭОС), или иначе ( схему цепи обратной связи.

Обратная связь в усилителях может быть как по напряжению, так и по

току: это зависит от того, как подключена цепь обратной связи к нагрузке на

выходе усилителя:

1. Обратная связь по напряжению: ЭОС подключается к выходу усилителя

параллельно его нагрузке (рис. 2.17, а, в) и напряжение обратной связи

(Uос) при этом будет прямо пропорционально выходному напряжению.

2. Обратная связь по току: цепь обратной связи подключается на выход

усилителя последовательно с его нагрузкой (рис. 2.17, б).

3. Смешанная обратная связь: используется комбинация первых двух

способов, при этом напряжение обратной связи содержит две составляющие,

пропорциональные напряжению и току.

Обозначения на структурных схемах усилителей (рис. 2.17, а, б, в):

УЗЧ ( усилитель напряжения звуковой частоты;

ЭОС ( элемент обратной связи (цепь обратной связи ( ЦОС);

Zн ( сопротивление нагрузки усилителя;

Uс ( напряжение источника входного сигнала;

Uвх ( напряжение на входе усилителя;

Uвых ( напряжение на выходе усилителя;

Uос ( напряжение обратной связи на выходе элемента обратной связи.

Рис. 2.17. Структурные схемы усилителей, охваченных ОС: а, в ( ОС по

напряжению; б ( ОС по току

По способу подключения ЭОС ко входу усилителя различают две

разновидности ОС:

1. Последовательная ОС (рис. 2.17, а, б): цепь обратной связи

подключается последовательно с источником сигнала на входе усилителя;

2. Параллельная ОС (рис. 2.17, в): цепь обратной связи подключается

параллельно источнику сигнала на входе усилителя.

Примечание

Если схема усилителя окажется достаточно сложной для того, чтобы

определить, какой вид обратной связи (по току или по напряжению)

используется в ней, то рекомендуется поступить следующим образом: мысленно

закоротить цепь нагрузки, если при этом напряжение обратной связи исчезнет,

это значит, что в схеме усилителя действует обратная связь по напряжению.

Если же напряжение обратной связи исчезнет при обрыве цепи нагрузки, то это

значит, что в схеме усилителя действует обратная связь по току.

Если требуется в этой схеме усилителя определить разновидность обратной

связи (последовательная или параллельная), то нужно мысленно оборвать цепь

источника сигнала, а затем его закоротить. Если при обрыве цепи источника

сигнала напряжение обратной связи не подается на вход усилителя, то в схеме

действует последовательная обратная связь, а если при коротком замыкании

цепи источника сигнала напряжение обратной связи не подается на вход

усилителя, то в схеме действует параллельная обратная связь.

Напряжение обратной связи, в зависимости от схемного решения цепи

обратной связи, может быть в фазе или в противофазе со входным сигналом.

Результатом воздействия на работу усилителя, в том и другом случаях, будет

изменение одного из главных показателей усилителя ( коэффициента усиления

по напряжению усилителя, который показывает, во сколько раз напряжение на

выходе больше напряжения на входе, поэтому есть смысл рассмотреть

коэффициенты усиления по напряжению в схемах с обратными связями и без них.

Назовем коэффициент усиления напряжения усилителя без обратной связи

коэффициентом прямой передачи и обозначим его через «К», а коэффициент

усиления напряжения усилителя с обратной связью обозначим через «Кос»

который в общем случае, имеет комплексный характер.

[pic] [pic]

(2.28)

[pic]

(2.29)

Чтобы оценить, какая часть напряжения с выхода через цепь обратной

связи попадает на вход усилителя, вводится понятие коэффициента передачи

цепи обратной связи ( (:

[pic]

(2.30)

Пределы изменения ( от 0 до + 1 ( при положительной обратной связи и от

0 до ( 1 ( при отрицательной обратной связи.

Чем больше (, тем глубже обратная связь. Напряжение обратной связи Uос

в общем случае

Uос = (( Uвых.

При наличии обратной связи в усилителе на его вход поступает сумма

напряжений ( напряжение обратной связи и напряжение от источника

сигнала.

[pic];

[pic]

[pic];

[pic].

Если напряжение обратной связи окажется в фазе со входным сигналом, то

такую обратную связь принято называть положительной ( ПОС (автогенераторы,

компараторы и пр. работают с положительной обратной связью). При

положительной обратной связи общий коэффициент усиления увеличивается.

Если напряжение обратной связи окажется в противофазе со входным

сигналом, то такую обратную связь принято называть отрицательной ( ООС

(усилители, автогенераторы, операционные усилители и пр).

Произведение ((К называется фактором обратной связи, его знак совпадает

со знаком обратной связи; при положительной обратной связи знаменатель

дроби уменьшается, а коэффициент усиления увеличивается, при отрицательной

обратной связи знаменатель дроби увеличивается, а коэффициент усиления

уменьшается.

Если фазовый сдвиг между напряжениями Uс и Uос будет равен «(», то в

этом случае

[pic].

(2.31)

И, следовательно, коэффициент усиления усилителя, охваченного

отрицательной обратной связью, уменьшается в [pic]раз по сравнению с

коэффициентом усиления без ОС. В тех схемах, где используется глубокая

отрицательная обратная связь коэффициент усиления усилителя практически не

зависит от параметров усилительного тракта, так как произведение К( в этом

случае значительно больше единицы, поэтому

[pic] (2.32)

Таким образом, в соответствии с (2.32) коэффициент усиления усилителя

определяется только параметрами цепи ОС, что и определяет высокую

стабильность коэффициента усиления: цепь обратной связи выполняется на

пассивных элементах, электрические параметры которых более постоянны,

нежели параметры транзистора, поэтому величину «(» будем считать величиной

постоянной.

В процессе эксплуатации параметры транзистора сильно изменяются, а это

приводит к тому, что и параметры усилительного каскада, связанные с

параметрами транзистора, также изменяются. Например, при изменении

температуры окружающей среды или напряжений источников питания изменяется

коэффициент усиления усилителя.

Изменение коэффициента усиления усилителя без ООС можно оценить

относительной величиной dК/К, в усилителях с ООС ( величиной dКос/Кос.

Величину ( считаем постоянной, а величину dКос можно найти простым

дифференцированием уравнения (2.31) по «К»

[pic] (2.33)

На первый взгляд для усилителя это явление ( уменьшение коэффициента

усиления ( нежелательное, но дело в том, что именно ООС обеспечивает схеме

усилителя стабильность коэффициента усиления по напряжению: коэффициент

усиления усилителя подвержен влиянию многих факторов (непостоянство

напряжения источников питания, изменение температуры, старение элементов

схемы, влажность, давление и пр.), поэтому схема усилителя должна

отслеживать изменения режима работы и отрабатывать их.

Сущность стабильности коэффициента усиления усилителя, охваченного ООС,

заключается в следующем. Если за счет перечисленных факторов произошло

увеличение коэффициента усиления на величину (К, то напряжение обратной

связи увеличится на соответствующую величину (Uос, а следовательно,

напряжение на входе усилителя Uвх уменьшится. Если же произошло уменьшение

усиления, то напряжение обратной связи уменьшится, а напряжение на входе

усилителя возрастет.

Пример. В усилителе, охваченном отрицательной обратной связью (ООС),

известно: коэффициент усиления усилителя без ООС равен К = 100; коэффициент

передачи обратной связи ( = 0,2.

Требуется определить, как изменится коэффициент усилителя при наличии

ООС, если коэффициент усиления К собственно усилителя (без ООС) увеличился

на 10 %.

Коэффициент усиления при наличии в схеме усилителя ООС (2.31)

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7