Усилительный каскад на полевом транзисторе

Большое распространение получили усилительные каскады на полевых
транзисторах, так как они обладают значительно большим входным сопротивлением по сравнению с усилительными каскадами на биполярных транзисторах. Малый входной ток, за счет высокого входного сопротивления полевого транзистора, позволяет обеспечить высокое отношение полезного сигнала к собственному шуму и конструировать высокочувствительные усилители (до 0,01÷0,1мВ) в измерительной технике. Наиболее часто используется каскад с общим истоком, схема которого приведена на рис.2.10.

Полярность источника питания определяется типом применяемого полевого транзистора. В транзисторе с n-каналом напряжение Е_С положительно.

В цепь стока включен нагрузочный резистор R_С, обеспечивающий динамический режим работы усилителя. На транзисторе R_С выделяется усиленное переменное напряжение.

Рис. 2.10. Схема усилительного каскада с общим истоком

 

В цепи истока резистор R_И создает необходимое смещение между затвором и истоком. При этом потенциал затвора оказывается ниже потенциала истока на величину падения напряжения на резисторе R_И от тока покоя истока I_И0 ток покоя в цепи затвора равен нулю.

Входное напряжение подается на резистор R₃ через разделительный конденсатор С_1. При этом в канале полевого транзистора появляются переменные составляющие тока истока i_И и тока стока i_c, причем i_{И »} i_c. Для того, чтобы переменная составляющая тока истока не создавала падение напряжения на резисторе R_И и не уменьшала за счет этого величину усиливаемого сигнала между затвором и истоком по сравнению со входным напряжением, резистор R_И шунтируется конденсатором C_И. Сопротивление конденсатора на самой низкой частоте усиливаемого напряжения должно быть во много раз меньше сопротивления резистора. При этом условии падение напряжения от тока истока i_И на цепочке R_ИC_И, называемой звеном автоматического смещения, имеет очень небольшую величину, так что по переменной составляющей тока исток можно считать соединенным с общей точкой усилительного каскада.

Выходное напряжение снимается через разделительный конденсатор С₂ между стоком и общей точкой каскада, т.е. оно равно переменной составляющей напряжения между стоком и истоком.

Рассматриваемый усилительный каскад является усилителем напряжения. Величина коэффициента усиления каскада составляет:

 

Кu = 10 ¸ 100.

Входное сопротивление полевых транзисторов, т.е. сопротивление между затвором и истоком, имеет величину порядка 10⁷ Ом, поэтому входное сопротивление усилителя определяется сопротивлением резистора R_3, который подключен параллельно входным зажимам полевого транзистора:

 

R_вх » R₃ = 10⁵ ÷10⁶ Ом.

 

Выходное сопротивление современных полевых транзисторов (сопротивление между стоком и истоком) имеет величину порядка 10⁵ Ом, поэтому выходное сопротивление усилительного каскада на полевом транзисторе определяется сопротивлением резистора R_C:

 

R_вых» R_С = 10³ ÷ 10⁴ Ом.

 

Таким образом у этого усилителя R_вых << R_вх, что является важным преимуществом усилительного каскада на полевых транзисторах.

Анализ работы усилительного каскада на полевом транзисторе с общим истоком может быть проведен графоаналитическим методом аналогично усилителю на биполярном транзисторе с общим эмиттером.

 

Истоковый повторитель

Усилительный каскад, аналогичный эмиттерному повторителю может быть построен на полевом транзисторе, называется каскад истоковым повторителем. Схема его приведена на рис.2.11.

Рис.2.11. Истоковый повторитель

 

В этом каскаде сток по переменной составляющей соединен с общей точкой усилителя, нагрузочный резистор Ru включен в цепь истока.

Свойства этого каскада аналогичны свойствам эмиттерного повторителя: он имеет высокое входное сопротивление до 10 МОм и выше, низкое выходное сопротивление менее 1 кОм, коэффициент передачи напряжения Кu» 1, фаза выходного напряжения практически равна фазе входного напряжения. Коэффициент усиления по току Кi истокового повторителя значительно больше, чем у эмиттерного повторителя, Кi доходит до величины от нескольких десятков тысяч до миллиона.

Истоковые повторители, так же как и эмиттерные повторители, чаще всего применяют в качестве вспомогательных усилительных каскадов для согласования высокоомных источников усиливаемого напряжения с низкоомными нагрузочными устройствами.

Усилители мощности

Рассмотренные ранее усилительные каскады обеспечивают получение на выходе сигналов, мощность которых значительно выше мощности входных сигналов, однако, основным показателем работы этих каскадов являются коэффициент усиления по напряжению, а в эмиттерном и истоковом повторителе коэффициент усиления по току.

В том случае, когда в нагрузочном устройстве необходимо выделить максимальную мощность, используются усилители мощности. Они, как правило, являются выходными каскадами многокаскадных усилителей. Основным параметром усилителя мощности является коэффициент усиления по мощности, равный произведению коэффициентов усиления по напряжению и току:

Кр = Кu · Кi

Нагрузочными устройствами усилителя мощности являются обмотки электродвигателей, реле, громкоговорителей и других элементов электрических цепей, имеющие сравнительно небольшие сопротивления (единицы и десятки Ом). При выбранном усилительном элементе усилителя и заданном источнике усиливаемого сигнала получение максимальной мощности в нагрузочном устройстве возможно лишь при условии, что сопротивление нагрузки равно выходному сопротивлению усилительного каскада, т.е. в согласованном режиме.

Рис.2.12. Схема однотактного усилителя мощности

 

 

Для согласования сопротивлений нагрузочного устройства с выходным сопротивлением усилителя мощности используются понижающие трансформаторы. Схема усилительного каскада с трансформатором, нагруженным на резистор R_Н, показана на рис. 2.12.

Первичная обмотка трансформатора включена в цепь коллектора; сопротивление нагрузки, приведенное к первичной обмотке трансформатора равно:

R^/_Н = (W₁/W₂)² R_Н,

где W₁ и W₂ – число витков первичной и вторичной обмоток трансформатора. Следовательно при определенном коэффициенте трансформации трансформатора h= W₁/W₂ можно добиться равенства R_вых=R^/_Н.

Назначение остальных элементов схемы аналогично усилителю напряжения.

Для усилителей мощности важное значение имеет коэффициент полезного действия (к.п.д.), который зависит от режима работы усилительного элемента. В приведенной схеме, называемой однотактным усилителем мощности, используется режим усиления класса А. При этом нелинейные искажения минимальны, однако к.п.д. низок (не более 50%).

С целью повышения к.п.д. усилительного каскада используется двухтактные усилители мощности, состоящие из двух симметричных плеч (рис. 2.13). Эти усилители работают чаще всего в режиме класса В, что значительно повышает к.п.д. (до 80 %).

 

Рис. 2.13. Схема двухтактного усилителя мощности

 

Транзисторы Т₁ и Т₁ , которые подбирают с максимально близкими характеристиками, работают в одинаковом режиме. Единственным отличием в работе плеч усилителя является противофазность токов и напряжений в цепях баз транзисторов и обусловленная этим противофазность переменных токов и напряжений в коллекторных цепях.

Назначение элементов двухтактного усилителя аналогично назначению соответствующих элементов однотактного усилителя с учетом того, что они обслуживают два транзистора. Входной трансформатор Тр_ВХ обеспечивает получение двух одинаковых по модулю но противофазных напряжений U_BX1 и U_ВЫХ2. Выходной трансформатор Тр_ВЫХ с первичной обмоткой с числом витков W суммирует переменные выходные токи и напряжения транзисторов. Ко вторичной обмотке трансформатора Тр_ВЫХ подключен нагрузочный резистор R_Н. При этом ток нагрузки состоит из двух полуволн, каждая из которых формируется поочередно одним из плеч двухтактного усилителя, в то время как вторая полуволна отсекается в режиме класса В.

Для простоты предложим, что на вход подано гармоническое напряжение. Тогда на базы транзисторов будут воздействовать напряжения (рис.2.13).

u_бэ1= U + U_ВХ1m sin ωt,

u_бэ2= U – U_ВХ2m sin ωt,

причем U_ВХ1m= U_ВХ2m.

В результате воздействия входных напряжений изменяются базовые и соответственно коллекторные токи транзисторов (рис.2.13)

i_к1= I + I_к1m sin ωt,

i_к2= I – I_к2m sin ωt,

причем I_к1m= I_к2m.

Коллекторные токи будут создавать суммарный магнитный поток Тр_ВЫХ,

Определяемый магнитодвижущей силой

F=0,5wi_к1 – 0,5wi_к2.

Подставив значения токов и учитывая, что их постоянные и переменные составляющие одинаковы, окончательно получим

F= wI_к1m sin ωt.

Таким образом, как следует из последнего выражения, постоянное подмагничивание трансформатора отсутствует, а транзисторы работают как бы поочередно, образуя гармоническое выходное напряжение из двух полусинусоид.

Напряжение на нагрузочном резисторе R_Н пропорционально магнитному потоку, определяемому магнитодвижущей силой F, поэтому напряжение на выходе усилителя также будет гармоническим.

Преимущества двухтактных усилителей мощности: меньшие нелинейные искажения, поскольку высшие гармонические составляющие компенсируются; возможность получения высокого к.п.д. при использовании режима В; меньшая чувствительность к пульсация напряжения питания.

Многокаскадные усилители

 

Рассмотренные выше однокаскадные усилители имеют, как правило, коэффициент усиления порядка нескольких десятков или сотен единиц. Однако, в реальных устройствах промышленной электроники требуются гораздо большее усиление входного сигнала. В этих случаях используются многокаскадные усилители.

Блок-схема усилительного устройства приведена на рис. 2.14

Усилитель напряжения может состоять из нескольких каскадов, обеспечивающих необходимый коэффициент усиления устройства.

Результирующий коэффициент усиления усилителя равен произведению коэффициента усиления всех каскадов:

Кu = Кu₁· Кu₂ ··· Кu_n

Рис. 2.14 Блок-схема многокаскадного усилительного устройства.

 

Соединение каскадов осуществляется с помощью резисторов, конденсаторов и трансформаторов. В зависимости от способа связи различают:

1. Усилители с резистивно-емкостной (RC связью, цепь связи которых состоит из резисторов и конденсаторов;

2. Если связь осуществляется только с помощью резисторов (гальваническая связь), усилители называются УПТ – усилителями постоянного тока;

3. Усилители с трансформаторной связью. Применяются сравнительно редко. (см. например, усилители мощности рис.2.12 и 2.13);

4. Если в устройстве связи используется LC – контур, имеем избирательный усилитель.

 

Для примера на рис.2.14 представлена Rc связь между усилителями, например, УОЭ1 и УОЭ2 (где C₂ – емкость связи, в качестве сопротивления связи R выступает входное сопротивления УОЭ2). Величина емкости связи С₂ существенно влияет на АЧХ всего усилителя (рис.2.15).

 

Рис. 2.15 АЧХ многокаскадного усилителя

 

Рассмотрим влияние емкости С₂ на амплитудно-частотную характеристику усилителя. Для электрической цепи межкаскадной связи можно записать уравнение U_ВЫХ2 = U_ВХ3 + U_С2, представляющее собой 2-ой закон Кирхгофа. Так как выходное напряжение U_ВЫХ2 второго каскада определяется характеристиками этого УОЭ1 и не зависит от С₂, то для цепи межкаскадной RC-связи оно постоянно U_ВЫХ2 =const. Пусть величина емкости С₂ возрастает, сопротивление Х_С = I/ωC₂, падает по закону Ома U_C2 также уменьшается, последнее приводит к увеличению U_ВХ3 и общего коэффициента усиления К_u. Это отражается условной диаграммой:

С₂ ↑→ Х_C ↓→ U_C2 ↓→ U_{ВХ к3} ↑→ К_u ↑.

Так как увеличение С₂ существенно влияет на изменение Х_с на низких частотах, то увеличение коэффициента усиления будут наблюдаться в низкочастотной области амплитудно-частотной характеристики усилителя (см. рис 2.15). При уменьшении С₂ коэффициент усиления К_u на низких частотах падает.

На нулевой частоте X _Cp → ∞ и связь между каскадами отсутствует.

На средних частотах сопротивление емкости X_С мало и практически не влияет на U_ВХ3 УОЭ2, а коэффициент усиление всего усилителя, не зависит от частоты.

На высоких частотах усилительные свойства каскадов ухудшаются и величина Ku падает.

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: