Методические пособия.Лабораторные работы 3

Федеральное агентство по образованию
Архангельский государственный технический университет
РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА
Методические указания
к выполнению курсовой работы
Архангельск 2010
Рассмотрены и рекомендованы к изданию
методической комиссией факультета промышленной энергетики
Архангельского государственного технического университета
27 мая 2009 г.
Составитель
И. А. Патракова, ст. преп.
Рецензент
И. И. Василишин, доц., канд. техн. наук
Расчет усилительного каскада: методические указания к
выполнению курсовой работы / сост. И. А. Патракова. – Архангельск:
Изд-во АГТУ, 2008 – 38 с.
Подготовлены кафедрой электротехники и энергетических
систем АГТУ.
Приведены общие сведения о расчете параметров
усилительного каскада переменного напряжения на биполярном
транзисторе, построении его частотных характеристик.
Предназначены для студентов Института информационных
технологий 230104 «Системы автоматизированного проектирования»
дневной формы обучения, студентов механического факультета
специальности 220402 «Роботы и робототехнические системы»
дневной формы обучения.
Ил. 12. Табл. 1. Библиогр. 8 назв.
© Архангельский государственный
технический университет, 2009
© И. А. Патракова
2
1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ
Целью расчета является определение номиналов элементов
схемы и характеристик усилителя на биполярном транзисторе (рис. 1).
Практически невозможно встретить случай, когда усилитель
рассчитывается на потребляемые ток и мощность. Обычно при
расчете задаются требованиями необходимого коэффициента
усиления, выходной мощности, полосы пропускания и, исходя из этих
значений, определяют номиналы элементов схемы, напряжения
питания и потребляемого тока, после чего получают техническое
задание на расчет блока питания. Расчет, приводимый ниже, имеет
своей целью освоение навыков расчета усилительных схем и
определения характерных соотношений между номиналами
элементов и параметрами подобной схемы.
Рис. 1. Схема усилительного каскада с общим эмиттером
Условно – графическое изображение транзистора на схеме
усилительного каскада должно соответствовать типу выбранного
транзистора (р–n–p или n–p–n).
Данный расчет может проводиться в несколько шагов: если
рассчитанные параметры не будут соответствовать определенным
требованиям (КПД, мощности, и др.), необходимо вернуться
3
к выбранным величинам, изменить их и повторить расчет, добиваясь
при этом наиболее оптимальных результатов.
Выбор реальных резисторов и конденсаторов производится из
ряда сопротивлений и электроемкостей:
Ряд сопротивлений:
Rx= n * 10k, k = 1,2,…,8.
n = 1; 1,1; 1,2; 1,3; 1,5; 1,6; 1,8; 2; 2,2; 2,4; 2,7; 3; 3,3; 3,6; 3,9; 4,3;
4,7; 5,1; 5,6; 6,2; 6,8; 7,5; 8,2; 9,1.
Электроемкости конденсаторов также соответствуют данному
ряду.
Варианты задания представлены в табл. 1.
4
2. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Исходные данные для расчёта усилителя берутся из табл. 1
согласно заданному варианту:
ЕП. – постоянное напряжение источника питания усилителя, В;
Г. – частота входного сигнала генератора, Гц;
I*К. max – максимальное допустимое значение коллекторного тока
транзистора, А;
UГ. – действующее значение ЭДС источника входного сигнала, В;
RГ. – внутреннее сопротивление генератора сигнала;
RН. – сопротивление нагрузочного устройства усилительного
каскада, Ом.
Необходимо выбрать транзистор из справочной литературы по
полупроводниковым транзисторам согласно исходным параметрам
усилителя таким образом, чтобы выполнялись следующие условия:
- максимальное значение коллекторного тока IК. max выбранного
транзистора было больше заданного I*К. max на (20 ÷ 30)%;
- максимальное значение напряжения Uк.э. выбранного
транзистора было больше напряжения источника питания усилителя
ЕП.
- частота входного сигнала генератора Г. была много меньше
предельной частоты коэффициента передачи тока выбранного
биполярного транзистора Т.
На основе выбранного транзистора необходимо построить
усилитель переменного напряжения.
5
3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Усилительный каскад с общим эмиттером
на биполярном транзисторе
Биполярные транзисторы являются активными
полупроводниковыми приборами, обеспечивающими усиление
мощности электрических сигналов. По структуре – это прибор с
тремя чередующимися слоями полупроводников с
электропроводностями разных типов. В зависимости от характера
электропроводности внешних слоев различают биполярные
транзисторы типа р–n–p и n–p–n. Условно – графическое обозначение
этих транзисторов имеет следующий вид (рис. 2). Изображение
транзистора на схеме усилительного каскада должно соответствовать
его типу. Тип транзистора указывается в справочной литературе.
Рис. 2. Условно – графическое обозначение
биполярных транзисторов типа р–n–p и n–p–n
Один из электродов транзистора является входным, другой –
выходным. Третий электрод является общим относительно входа и
выхода схемы. В цепь входного электрода включают источник
входного сигнала, в цепь выходного – сопротивление нагрузки.
В зависимости от того, какой электрод является общим,
различают три схемы включения транзисторов: с общей базой, общим
эмиттером и общим коллектором. Транзисторы, включенные по схеме
6
с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором, изображены
на рис. 3.
Рис. 3. Схемы включения транзистора: а) – с общей базой,
б) – с общим эмиттером, с) – с общим коллектором.
Каждая схема включения транзистора характеризуется двумя
независимыми семействами статических характеристик,
определяющих соотношения между токами, проходящими в цепях его
электродов, и напряжениями, приложенными к этим электродам.
Такими характеристиками являются входные IВХ. = f(UВХ.)| Uвых. = const
и выходные IВЫХ. = f(UВЫХ.)| Iвх. = const.
В практических устройствах промышленной электроники
наиболее широкое распространение получила схема с общим
эмиттером, обладающая наибольшим усилением по мощности.
Транзистор способен усиливать мощность сигнала, однако,
характеристики и параметры транзисторного усилителя можно
улучшить с помощью обратной связи – искусственной цепи, по
которой часть энергии с выхода усилителя передается на его вход,
изменяя режим входной цепи. При этом образуется замкнутый
контур, состоящий из усилителя и звена обратной связи (рис. 4).
7
Рис. 4. Структурная схема усилителя с обратной связью
Различают обратную связь по напряжению, если напряжение
обратной связи пропорционально выходному напряжению на
нагрузке усилителя и обратную связь по току, если напряжение
обратной связи пропорционально току в нагрузке. По способу
передачи энергии через цепь обратной связи на вход усилителя
различают последовательную и параллельную обратные связи. В
первом случае напряжение обратной связи подключают
последовательно с напряжением источника входного сигнала
усилителя, а во втором – параллельно (рис. 5).
Рис. 5. Структурная схема усилителя с параллельной
и последовательной обратной связью
8
Принципиальная схема усилительного каскада по схеме
включения транзистора с общим эмиттером представлена на рис. 6.
Рис. 6. Схема усилительного каскада с общим эмиттером
На схеме обозначены направления переменных составляющих
токов транзисторного усилителя: iК.– ток коллектора, iБ. – ток базы,
iЭ. –ток эмиттера, iН. – ток нагрузки и направления постоянных
составляющих токов усилительного каскада IК.– ток коллектора покоя,
IБ. – ток базы покоя, IЭ. –ток эмиттера покоя, Iд. – ток делителя.
Назначение элементов схемы усилительного каскада
UГ. – действующее значение ЭДС источника входного сигнала;
RГ. – внутреннее сопротивление, источника входного сигнала;
UВ.Х. – действующее входное синусоидальное напряжение (входной
сигнал).
9
UВЫХ. – действующее выходное синусоидальное напряжение
(выходной сигнал).
RН. – сопротивление нагрузочного устройства;
ЕП. – постоянное напряжение питания транзисторного усилителя.
Полярность источника питания зависит от типа выбранного
транзистора.
Резисторы RБ.1, RБ.2 составляют делитель напряжения цепи базы
на входе усилителя и обеспечивают требуемую работу транзистора в
режиме покоя, то есть в отсутствие входного сигнала, определяют
оптимальные значения напряжения покоя UБ.Э. П и тока покоя базы
IБ. П. транзистора.
Резистор RК. – резистор в цепи отрицательной обратной связи по
току коллектора, вместе с RН. определяет величину выходного
сигнала, задает линию нагрузки на семействе выходных
характеристик транзистора, определяет выбор начальной рабочей
точки в режиме покоя, напряжение покоя UК.Э. П. и ток покоя
IК. П.. транзистора.
Резистор RЭ. – резистор в цепи отрицательной обратной связи по
току эмиттера, предназначен для температурной стабилизации
рабочей точки транзисторного усилителя. Однако введение этого
элемента в схему вызывает уменьшение коэффициента усиления
усилительного каскада. Последнее предотвращают путем включения
параллельно резистору RЭ. конденсатора СЭ. такой емкости, чтобы на
всех усиливаемых частотах выполнялось условие: ХС Э. << RЭ.. Таким
образом, CЭ. будет шунтировать резистор RЭ. по переменному току.
Разделительный конденсатор CР. 1 передает на вход усилителя
переменную составляющую сигнала от источника iвх., не пропуская
постоянный ток от источника питания ЕП. во входную цепь усилителя.
Разделительный конденсатор CР. 2 передает на выход усилителя
переменную составляющую сигнала, не пропуская постоянный ток от
источника питания ЕП. в выходную цепь усилителя, тем самым
10
уменьшается потребление мощности усилителя от источника питания
и исключаются искажения сигнала на выходе усилительного каскада.
Изменения коллекторного тока транзистора зависят от
изменений тока базы и от изменений напряжения на коллекторе:
EП. = UК.Э. П + UЭ. П. + RК. IК..
Такой режим работы транзистора называется динамическим, а
характеристики, определяющие связь между токами и напряжениями
транзистора при наличии сопротивления нагрузки, динамическими
характеристиками (рис. 7). Динамические характеристики строят на
семействе статических характеристик при заданных значениях
напряжения источника питания коллекторной цепи EП. и
сопротивления нагрузки RК.. Для построения выходной динамической
характеристики используют уравнение динамического режима,
которое представляет собой уравнение прямой, так как при
переменной величине IК. стоит постоянный коэффициент RК.. Поэтому
достаточно найти отрезки, отсекаемые прямой на осях координатной
системы (IК., UК.Э.). Если IК. = 0, то UК.Э. = ЕП. и при UК.Э. = 0,
IК. = EП. / RК..
Отложив на соответствующих осях напряжение, равное EП., и
ток, равный EП. / RК., через полученные точки проводят прямую,
которая называется нагрузочной прямой. Выходная динамическая
характеристика является геометрическим местом точек пересечения
нагрузочной прямой со статическими характеристиками. Используя
динамическую коллекторную характеристику, можно для любого
значения коллекторного тока найти соответствующие значения
напряжения на коллекторе и тока во входной цепи IБ., которые
являются взаимосвязанными. Нагрузочную прямую можно построить
так же, проведя прямую линию из точки ЕК. под углом ψ = arctg(RК.).
Точку пересечения нагрузочной прямой со статической
характеристикой при заданном токе базы, определяемым источником
11
смещения, называют рабочей точкой, а ее начальное положение на
нагрузочной прямой (при отсутствии входного переменного сигнала)
– точкой покоя (или начальной рабочей точкой – н.р.т.). Точка покоя
однозначно определяет ток покоя выходной цепи IК. П. и напряжение
покоя UК.Э. П.. Режим работы транзистора, при котором рабочая точка
не выходит за пределы участка a  b нагрузочной прямой, называют
линейным или усилительным режимом. При этом при изменении
входного тока (тока базы) пропорционально изменяется выходной ток
(ток коллектора). Если входной ток IБ. max. равен току базы насыщения
I Б. НАС. (точка a ), то дальнейшее его увеличение не приводит к росту
коллекторного тока, который достигает тока насыщения IК. НАС.. При
этом напряжение на коллекторе UК.Э. НАС. невелико (0,1 – 0,3 В) и,
следовательно, UК.Э. НАС. ЕП.. В режиме насыщения оба перехода
транзистора смещаются в прямом направлении.
Условие насыщения транзистора: IБ. max. I Б. НАС..
Ток коллектора в режиме насыщения: IК. НАС. = EП. / RК.
определяется только параметрами внешней цепи.
Область насыщения расположена левее неуправляемого участка
статической характеристики (левее точки a ). Ток насыщения IК. НАС.
для сохранения нормального теплового режима не должен превышать
максимально допустимого коллекторного тока транзистора IК. max.,
заданного в справочнике.
Если оба перехода транзистора смещены в обратном
направлении, то через них могут проходить обратные неуправляемые
токи. При этом в коллекторной цепи проходит ток IК. = IК..Б. 0, а в
базовой цепи IБ. = – IК.Б. 0. Напряжение на коллекторе UК.Э. ОТСЕЧКИ
практически равно EП.. Область отсечки расположена правее
неуправляемого участка статической характеристики (левее точки b ).
Режимы работы транзистора – насыщения и отсечки
используются в импульсных устройствах промышленной
электроники.
12
Динамические характеристики биполярного транзистора
изображены на рис. 7.
Рис. 7. Динамические характеристики транзисторного усилителя
Период входного синусоидально изменяющегося сигнала
Т = 1/fГ..
13
Угол сдвига фаз между выходным и входным напряжением
φ= arctg(1/(ωτН.) – ωτВ.).
В зависимости от местоположения начальной рабочей точки
(н.р.т.) различают следующие режимы работы усилительного каскада:
А, В, С.
В режиме А начальную рабочую точку выбирают на середине
нагрузочной прямой. Этот режим применяют в усилителях
напряжения. Нелинейные искажения усиливаемого напряжения в
этом случае незначительны, но усилитель имеет низкий КПД
усиления (менее 30%).
В режиме В начальную рабочую точку выбирают в точке
отсечки (в начале переходной характеристики) транзистора.
Нелинейные искажения усиливаемого напряжения в этом случае
велики, но и КПД усилителя в этом режиме более высок (до 80 %).
В режиме С начальную рабочую точку выбирают за точкой
отсечки транзистора. Нелинейные искажения усиливаемого
напряжения в этом случае очень значительны, но и КПД высок (до
100 %).
4. РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА
Расчет параметров режима покоя усилителя
Расчет усилительного каскада производится с помощью схемы
замещения, представленной на рис. 8.
В данной схеме:
R* Б. – сопротивление делителя в цепи базы усилителя, Ом.
R* Б. = R б.1 R б.2 / (R б.1 + R б.2).
14
Рис. 8. Схема замещения усилительного каскада
С0 – емкость монтажа, Ф.
h11 – входное сопротивление транзистора, Ом.
Выбор режима работы усилителя и рабочей точки производят в
зависимости от назначения рассчитываемого усилителя.
При расчете усилителя в режиме А на входной вольт – амперной
характеристике транзистора выделяют линейный участок. Согласно
выбранному участку определяют параметры покоя усилительного
каскада: IБ. П. и Uб.э. п..
Проецируя точку тока базы покоя на переходную характеристику,
определяют значение тока покоя коллектора IК. П.. Ток коллектора
покоя связан с током базы покоя транзистора соотношением
IК. П.= h21IБ.П..
h21 - статический коэффициент передачи тока базы транзистора,
справочная величина.
Значение h21 обычно задается в виде диапазона,
соответствующего технологическому разбросу этого параметра от
15
транзистора к транзистору. Для расчета необходимо взять среднее
геометрическое значение из этого диапазона
h21  hmin hmax .
Далее строят нагрузочную прямую: на оси абсцисс выходных
характеристик транзистора отмечают значение напряжения источника
питания ЕП., на оси ординат – значение тока коллектора насыщения
IК. НАС. = 2IК. П.. Проводят нагрузочную прямую через эти точки.
Определяют напряжение покоя коллектор – эмиттер транзистора
UК.Э. П..
Ток покоя эмиттера, А
IЭ. П. = IК.П + IБ. П..
В целях экономичности и получения удовлетворительной
температурной стабильности напряжение покоя эмиттера выбирают
UЭ. П. = (0.1  0.2)EП..
Напряжение покоя коллектор – эмиттер, В
UК.Э. П.= 0.5EП. – UЭ. П..
Постоянная рассеиваемая мощность коллектора транзистора, Вт
P0 = UК.Э. П. IК.П.
Транзистор выбран правильно, если выполняется условие
P0 < P*К. max...
16
P*К. max. - максимально допустимая постоянная рассеиваемая
мощность на коллекторе биполярного транзистора, по значению этой
мощности транзисторы подразделяются на транзисторы маломощные,
мощные и средней мощности.
Выходная мощность, создаваемая усилительным каскадом на
транзисторе
РВЫХ. = 0.5UК. max. * IК. max...
где UК. max., IК. max. – амплитуды коллекторных напряжения и тока.
КПД усилительного каскада

РВЫХ
РО
.
КПД усилительного каскада в режиме работы “А” довольно
низок.
Расчёт цепи отрицательной обратной связи усилителя
и сопротивлений делителя напряжения в цепи базы RБ.1, RБ.2
Расчёт сопротивления резистора в цепи отрицательной обратной
связи RЭ., Ом
Такое значение RЭ. обеспечивает достаточную температурную
стабилизацию и незначительное понижение UВЫХ..
Для лучшего качества передачи сигнала емкость конденсатора
в цепи отрицательной обратной связи СЭ. принимают равным
17
CЭ . 
(8 10)
2 f Н . RВХ .
.
fН. – нижняя граничная частота усиления усилительного каскада,
Гц.
Для обеспечения возможности работы схемы усилителя на
заданной частоте источника входного сигнала fГ. необходимо значение
частоты fН. принять ориентировочно в несколько раз меньше заданной
частоты fГ..
Для количественной оценки термостабильности режима
усилительных каскадов с О.О.С. на биполярных транзисторах
вводится коэффициент нестабильности N, который показывает, во
сколько раз температурные изменения коллекторного тока  IК. 0 в
усилителе с О.О.С. больше, чем температурные изменения
коллекторного тока  I*К. 0 в усилителе с идеальной
термостабилизацией.
Для усилителя с общим эмиттером
N
h21
h R
1  21 Э.*
RЭ.  R б .
.
R* Б. = R б.1 R б.2 / (R б.1 + R б.2).
То есть, путем подбора значений сопротивлений RЭ. и R* Б.,
разработчик имеет возможность получить необходимую степень
стабилизации.
Сопротивления делителя Rб1 и Rб2
RБ .2 
U Б .Э . П .  U Э . П .
I Д.
18
.
RБ .1 
ЕП .  I Д . RБ .2
I Д .  I Б.
.
Расчёт сопротивления RK. в цепи коллектора транзистора
Сопротивление в цепи коллектора
RК . 
ЕП .  U К .Э . П .  U Э . П .
I К .П .
.
Оценивая номиналы RК. и RЭ., можно заметить, что чем больше
RК., тем больше модуль коэффициента усиления, чем больше RЭ., тем
более стабильна рабочая точка транзистора. В литературе предлагают
выбирать RЭ. = (0,1…0,3)RК..
Ток делителя IД. должен быть минимальным для уменьшения
бесполезного рассеяния мощности в цепи делителя. Но при малом
токе делителя I Д. ухудшается стабильность рабочей точки каскада.
Напряжение UБ. Э. в рабочей точке задается за счет падения
напряжения на сопротивлениях делителя не только от тока IД., но и от
тока IБ., который в обычных условиях должен быть меньше тока
делителя. Если же токи делителя IД. и базы IБ. соизмеримы, а ток базы
меняется в процессе работы схемы, то рабочая точка оказывается
нестабильной. Поэтому желательно иметь IБ. < IД. < IК..
Ток делителя IД. обычно составляет (1…5) IБ. П. .для схем с
транзисторами большой мощности, (5…10) IБ. П. – с транзисторами
малой мощности.
19
Расчёт входного и выходного сопротивлений
ненагруженного усилителя. Расчёт величины
напряжения на выходе усилителя
Входное и выходное сопротивления ненагруженного усилителя
RВХ . 
R*Б .h11
R*Б .  h11
.
По назначению различают усилители напряжения, тока и
мощности.
Усилитель напряжения обеспечивает на нагрузочном
сопротивлении заданное выходное напряжение. В таком режиме
усилитель работает при выполнении условий RВХ. RН., RВЫХ. RН.,
что обеспечивает относительно большие изменения напряжения на
нагрузке при небольших изменениях тока во входной и выходной
цепях.
В режиме усиления тока выполняют условие RВХ. RН.,
RВЫХ. RН., при которых обеспечивается прохождение заданного тока
в выходной цепи при малых значениях напряжения.
Для усилителя мощности условия согласования входной цепи с
источником входного сигнала и выходной цепи с сопротивлением
нагрузки для передачи максимальной мощности имеют вид
RВХ. ≈ RН., RВЫХ. ≈ RН..
Входное напряжение усилительного каскада (UВХ.) может
оказаться значительно меньше ЭДС (UГ.), так как на входе
20
усилительного каскада образуется делитель напряжения RГ. RВХ. с
небольшим значением RВХ..
UВХ. = UГ. RВХ. / (RГ. + RВХ.).
5. ЧАСТОТНЫЕ СВОЙСТВА УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА
В схеме усилителя присутствуют конденсаторы, поэтому данная
схема является частотно зависимой, то есть при изменении частоты
входного сигнала меняется сопротивление конденсаторов и
коэффициент усиления усилительного каскада.
Диапазон усиливаемых частот усилителя делится на область
нижних, средних и высоких частот.
Рис. 9. Эквивалентная схема усилительного каскада
с резистивно – емкостной связью
21
На представленной на рис. 9 эквивалентной схеме
усилительного каскада с резистивно – емкостной связью, где
СР. –емкость разделительных конденсаторов (конденсатора цепи
эмиттера), С0 – емкость, характеризующая емкость цепей,
подключенных к выходу усилителя и емкость монтажа, видно, что так
как СР. включен последовательно с нагрузкой RН., на низкой частоте
сопротивление конденсатора СР. становится соизмеримым с RН. и
сопротивлением генератора сигнала RГ., и он будет оказывать
наибольшее влияние на коэффициент усиления усилительного
каскада, влияние С0 будет незначительным, так как сопротивление RН.
велико.
На высокой частоте сопротивления конденсаторов принимают
наименьшее значение, следовательно, С0 будет шунтировать RН., а
влияние СР. на коэффициент усиления усилительного каскада будет
незначительным.
В области средних частот влиянием конденсаторов можно
пренебречь, так как сопротивления разделительных конденсаторов и
конденсатора цепи эмиттера меньше входного сопротивления RГ.
генератора и сопротивления нагрузки RН..
Усилитель в области средних частот
Согласно схеме замещения усилительного каскада (при
отсутствии нагрузки), рис. 10
22
Рис. 10. Схема замещения усилительного каскада на холостом ходу

RБ* .h11
iВХ .
 uВХ .  *
RБ .  h11


u
i h  h u
 ВЫХ .
 ВХ . 21 22 ВЫХ . RК .
.
Решая совместно эти уравнения, получим:
Коэффициент усиления холостого хода на средних частотах:
КU Х . Х .
h11h21 RК .
 h21 RК .
RБ .
uВЫХ .


uВХ .
h11 (1  h22 RК . )
.
Знак (-) говорит о том, что происходит инвертирование
выходного сигнала (сдвиг по фазе на 1800) относительно сигнала на
входе.
Коэффициент усиления по напряжению при условии R*Б. >> h11
,
h11 – входное сопротивление транзистора, Ом;
h21 – коэффициент передачи тока транзистора, характеризует
усилительные (по току) свойства транзистора, безразмерная
величина;
23
h22 – выходная проводимость транзистора, См.
Если параметры транзистора h11, h22 не указаны в справочнике,
их необходимо определить по вольт – амперным характеристикам
транзистора.
Коэффициент усиления по току
KI Х.Х.= h21.
Коэффициент усиления по мощности
Значение коэффициента усиления с нагрузкой




1

h21 
h  1  1 
 22 R
RН . 
К.

К0 
.




1

RГ .  
 1  1  1 
h

 11 RБ .1 RБ .2 
Усилитель в области нижних частот
Конденсатор цепи эмиттера СЭ. и разделительные конденсаторы
СР.1 и СР.2 включены последовательно по отношению к нагрузочному
резистору. Поэтому в области нижних частот на коэффициент
усиления более сильное влияние будет оказывать та емкость,
24
номинальное значение которой меньше: если, например, СЭ.  СР.1 и
СР.2 , то влияние емкости СЭ. будет больше.
Эквивалентная постоянная времени каскада в области низких
частот, определяемая разделительными конденсаторами Ср1 и Ср2 и
емкостью цепи эмиттера СЭ.
 Н. 
1

1
1

1
 Н . Ср .1  Н .Ср 2  С Э.
Постоянные времени разряда разделительных конденсаторов
 Н . Ср 1  С Р.1 ( RВХ .  R Г . ) .
 RВЫХ . R Н . 
 .
R

R
ВЫХ
.
Н
.


 Н . Ср 2  С Р. 2 
Для определения постоянной времени разряда емкости СЭ.
необходимо определить эквивалентную емкость СЭ . и эквивалентное
сопротивление R  ЭКВ..
Так как ток эмиттера в (1 + h21) раз больше тока базы, то
необходимо RЭ. увеличить, а СЭ. уменьшить в (1 + h21) раз.
(1 + h21) ≈ h21, так как h21 ›› 1). Эквивалентная схема усилительного
каскада в области нижних частот представлена на рис. 11.
25
Рис. 11. Схема замещения усилительного каскада в области
нижних частот при СЭ  СР. 1, 2
С помощью эквивалентной схемы определяют
С Э  С Э /
 .
RЭКВ
h21.
RЭ.h21 ( RГ .  h11 )
RГ .  h11  RЭ.h21
.
Постоянная времени разряда конденсатора цепи эмиттера τС Э.
 ..
 С Э.  С Э RЭКВ
Усилитель в области верхних частот
В этом диапазоне частот необходимо учитывать инерционные
свойства транзистора, т.е. уменьшение коэффициента передачи тока
базы транзистора h21 от частоты и паразитную емкостью СМ. (емкость
монтажа), которая шунтирует эквивалентное сопротивление
26
 R
R 
нагрузки  ВЫХ . Н .  , а следовательно уменьшает коэффициент
 RВЫХ .  RН . 
усиления транзисторного каскада. Емкость монтажа СМ. при расчете
усилительного каскада учитывать не будем.
Эквивалентная схема усилительного каскада в области высоких
частот представлена на рис. 12.
Рис. 12. Схема замещения усилительного каскада
в области высоких частот
СК.Б. – емкость коллекторного перехода транзистора, справочная
величина.
СЭ.Б. – емкость эмиттерного перехода транзистора, справочная
величина.
rЭ – дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода
транзистора.
Эквивалентное сопротивление усилителя согласно схеме
замещения (рис. 12)
27
τК – постоянная времени цепи обратной связи транзистора, с
φТ – температурный потенциал.
k =1,37·10-23 Дж/К – постоянная Больцмана;
q = 1,6·10-19 Кл – элементарный заряд электрона;
Т = 273 К – абсолютная температура;
t = 200 С.
IЭ. П. – ток эмиттера покоя транзистора.
При расчете частотной характеристики усилительного каскада
электроемкости СК.Б. и СЭ.Б. объединяют в одну емкость,
подключенную к точкам б и э. Для сохранения прежней величины
потребляемого электроемкостями тока значение СК.Б. следует
умножить на величину UБ.К. / UБ.Э., то есть, на ((rЭ. + RВЫХ.) / rЭ.).
Эквивалентная емкость между точками б и э
С0  СЭ.Б .  СК .Б . (1 
 .
RВЫХ
R
h21
)
 СК .Б . (1  ВЫХ . )
rЭ.
2 fТ (1  h21 )rЭ.
rЭ.
 .=
RВЫХ
RВЫХ . RН .
RВЫХ .  RН .
.
.
Эквивалентная постоянная времени каскада в области верхних
частот, определяемая инерционными свойствами транзистора
28
 . .
 B.  С0 RЭКВ
Амплитудно – частотная и фазо – частотная характеристики
усилителя. Линейные искажения.
Зависимость модуля коэффициента усиления от частоты
представляет собой амплитудно – частотную характеристику
усилителя (А.Ч.Х.), графическое изображение которой представлено
на рис. 13(а).
Модуль коэффициента усиления на разных частотах имеет
разные значения. В области нижних и верхних частот значение
коэффициента усиления усилителя уменьшается, форма выходного
сигнала становится отличной от формы входного сигнала. Искажения
усиливаемого сигнала называются частотными искажениями.
Причина частотных искажений – наличие реактивных элементов
в схеме усилителя и зависимость от частоты физических параметров
транзистора. Мерой частотных искажений является коэффициент
частотных искажений:
.
К0 – коэффициент усиления усилительного каскада на средних
частотах.
КН. – коэффициент усиления усилительного каскада на нижних
частотах.
29
Рис. 13. Амплитудно – частотная (а) и фазо – частотная (б)
характеристики усилительного каскада
Фазо – частотная характеристика (Ф.Ч.Х.) отражает зависимость
угла сдвига фазы между входным и выходным напряжениями.
Положительные значения угла φ соответствуют опережению
выходным напряжением входного, отрицательные – отставанию. Под
фазовым углом сдвига φ понимают сдвиг, обусловленный наличием
реактивных элементов в схеме усилителя и зависимость от частоты
30
физических параметров транзистора. Поворот фазы выходного
напряжения относительно входного на 1800, вносимый активными
элементами схемы, во внимание не принимают. Фазо – частотная
характеристика усилителя изображена на рис. 13(б).
При сравнении амплитудно – частотной и фазо – частотной
характеристик усилителя видно, что наличие фазовых искажений
вызывает частотные искажения. Оба вида искажений, вносимых
усилителем, обусловлены линейными элементами схемы, поэтому их
называют линейными искажениями.
Коэффициент усиления в области низких частот имеет вид
K0 H.  K0
R 
1
R  
jwC 
 K0
1
1
1
jwC R 
 K0
1
1
1
jw H .
.
значение преобладающей емкости в области нижних частот
(СЭ., СР.1 или СР.2).
R  - эквивалентное сопротивление емкости C  .
C  -
 Н. 
1
2f Н . ГР .
.
Нормированная АЧХ в области нижних частот определяется
выражением
,
K 0НОРМ
( w) 
Н.
K 0 Н . ( jw)
K0
31

1
 1 

1  
 w Н . 
Из представленного выражения видно, что нижняя граничная
частота определяется из выражения 2πfН.ГР. = wН. = 1/τН.. На этой
частоте коэффициент усиления снижается в 2 раз.
Для уменьшения неравномерности АЧХ в области низких частот
(для расширения полосы пропускания), т.е. уменьшения wН.,
необходимо увеличивать τН.. Это достигается путем увеличения
значений Ср1 и Ср2, а также увеличением значений RВХ. и
RВЫХ . RН .
.
RВЫХ .  RН .
Коэффициент усиления в области высоких частот имеет вид
K 0 В..  K 0
R 
1
R  
jwC 
 K0
1
1
1
jwC R 
 K0
1
1
1
jw H .
В области верхних частот необходимо учитывать: 1)
инерционные свойства транзистора, т.е. уменьшение коэффициента
передачи тока базы транзистора (j)=0/(1+j)от частоты; 2)
паразитную емкостью С0, которая шунтирует эквивалентное
сопротивление нагрузки Rн.экв, а следовательно уменьшает
коэффициент усиления транзисторного каскада. В результате с
увеличением частоты амплитуда выходного напряжения и,
следовательно, коэффициент усиления уменьшаются. Комплексный
коэффициент передачи каскада в области высоких частот (ВЧ) с
учетом обоих факторов имеет вид:
K (j) =
,
где в=+ ;=0/(2)- постоянная времени транзистора по схеме с
ОЭ, -верхняя граничная частота транзистора по схеме с ОБ;
0=С0Rн.экв- постоянная времени области высоких частот,
определяемая Со.
Отсюда нормированная АЧХ для области ВЧ имеет вид
M =K ()/ K =
32
,
а верхняя граница частота в=1 /в.
Для уменьшения неравномерности АЧХ в области ВЧ
(расширения полоса пропускания) необходимо уменьшить в .
Однако, значительно уменьшить в рациональным выбором элементов
схемы невозможно т.к. в определяется и параметрами транзистора.
Поэтому для расширения диапазона усиливаемых частот в области
ВЧ необходимо выбирать транзистор с малой .
Итак, в области нижних частот  В В 
1
 Н Н
, поэтому
К0
коэффициент усиления на нижних частотах K Н 
 1
1  
  Н Н



2

К0
2
wН = 1 / τН – нижняя граничная частота работы усилительного
каскада,
wВ = 1 / τВ – верхняя граничная частота работы усилительного
каскада.
В области верхних частот  В В 
усиления на верхних частотах K В 
1
 Н Н
, поэтому коэффициент
К0
1  ( В В )
2

К0
2
(верхняя
граничная частота работы усилительного каскада).
Амплитудная частотная характеристика усилительного каскада
– это зависимость модуля коэффициента усиления К от частоты ω.
Фазовая частотная характеристика усилителя – зависимость угла
сдвига фаз φ от частоты ω.
Идеализированные АЧХ и ФЧХ усилителя переменного
напряжения с резистивно – емкостной связью приведены на рисунке
12.
Полоса пропускания усилителя :  f = fВ. ГР. – fН. ГР. (f = w / 2π).
Снижение коэффициента усиления в области верхних и нижних
частот называются частотными искажениями.
Коэффициент частотных искажений на нижних частотах:
33
МН 
К0
1
 1
КН
( Н  Н ) 2
Коэффициент частотных искажений на верхних частотах:
МВ 
К0
 1  ( В В ) 2
КВ
Для усилителя переменного напряжения с резистивно –
емкостной связью допустимый коэффициент частотных искажений
составляет
1,05 – 1,4.
34
Таблица 1 – Параметры элементов усилительного каскада.
№
UГ, В
ЕП, В
RГ, Ом
R Н, Ом IК max, А
Г, Гц
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.1
0.11
0.12
0.13
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.1
0.11
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
8
10
12
14
15
16
20
24
36
8
10
12
14
15
16
20
24
36
8
10
12
14
15
16
20
24
36
8
10
100
200
250
300
350
400
450
500
650
600
700
750
800
100
200
250
300
350
400
450
500
650
600
700
750
800
500
100
200
50
60
100
200
250
300
350
400
450
500
50
60
100
200
250
300
350
400
450
500
50
60
100
200
250
300
350
400
450
35
100
200
250
300
350
400
450
500
650
600
700
750
800
100
200
250
300
350
400
450
500
650
600
700
750
800
500
100
200
10
10
10
5
5
5
1
1
1
0,5
0,5
0,5
10
10
10
5
5
5
1
1
1
0,5
0,5
0,5
10
10
10
5
5
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
0.1
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.1
0.11
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.1
12
24
36
8
10
12
14
15
16
20
24
36
10
12
14
15
150
300
350
400
450
500
650
600
700
750
800
100
200
250
300
350
500
200
250
300
350
400
450
500
50
60
100
200
250
300
350
400
36
150
750
800
100
200
250
300
350
400
450
500
650
600
700
750
800
5
0,5
10
10
10
5
5
5
1
1
1
0,5
0,5
0,5
10
10
Список литературы
1 Основы промышленной электроники: учеб. Для вузов / В. Г.
Герасимов, О. М. Князьков; под ред. В. Г. Герасимова. – М.: Высш.
шк., 1986. – 336 с.
2 Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и
интегральным схемам. Н. Н. Горюнов, А. Ю. Клейман, Н. Н. Комков,
Я. А. Толкачева, Н. Ф. Терехин.
4. Лавриненко В. Ю Справочник по полупроводниковым
приборам./ Лавриненко В. Ю. – 10-е изд., перераб. и доп.. – К.:
Техника, 1984. – 424 с.: ил.
5 Криштафович А. К. Основы промышленной электроники:
Учебник / Крифтафович А. К., Трифонюк В. В.. – 2-е изд., перераб. и
доп.. – М.: высш. шк., 1985. – 287 с.
6 Прянишников В. А. Электроника: Курс лекций / В. А.
Прянишников. – СПб.: Корона, 1998. – 400 с.
7 Галкин В. И. Полупроводниковые приборы: Справочник / В.
И. Галкин, А. Л. Булычев, П. М. Лямин. – Мн.: Беларусь, 1994. – 347
с.
8 Опадчий Ю. Ф., Глудкин О. П., Гуров А. И. Аналоговая и
цифровая электроника. – М., «Горячая Линия - Телеком», 2002. – 768
с.
37
Оглавление.
1 Техническое задание
2 Исходные данные
3 Теоретические сведения. Усилительный каскад с общим
эмиттером на биполярном транзисторе
4 Расчет усилительного каскада
Список литературы
38
3
5
6
14
37