3751 ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА ОЭ С ЦЕПЯМИ КОРРЕКЦИИ АЧХ

 

Цель работы - изучение принципов увеличения полосы пропускания амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) усилительного каскада с ОЭ и экспериментальное исследование показателей усилителя при вариации величин элементов схемы.

 

Введение

Из возможных схем включения активного элемента (биполярного транзи­стора) основной и наиболее распространенной является схема с ОЭ. Схемы включения с ОБ и ОК можно представить как схемы с ОЭ, охваченные 100%-й ООС соответственно G- и Н-типа. Однако в схеме с ОЭ в наибольшей степени проявляется инерционность биполярного транзистора, усиленная действием внутренней ООС (эффект Миллера) и приводящая к уменьшению крутизны с ростом частоты усиливаемого сигнала и, как следствие, к падению коэффициента усиления (KU). Другой причиной изменения KU является уменьшение величины модуля сопротивления нагрузки с ростом частоты (спад АЧХ в области ВЧ). Наличие в схеме каскада разделительной и блокировочной емкостей приводит к падению коэффициента усиления при приближении частоты сигнала к нулевому значению. Таким образом, возникает задача поддержания постоянной величины коэффициента усиления в возможно более широком диапазоне частот – коррекции АЧХ соответственно в высокочастотной и низкочастотной областях. В зависимости от способа реализации различают коррекцию с использованием частотно-зависимой нагрузки и коррекцию с помощью частотно-зависимой ООС. Первый вид коррекции использован в исследуемом каскаде для расширения полосы пропускания АЧХ в области низших частот, второй – в области высоких.

 

  1. 1. Теоретическая часть

1.1. Описание схемы исследуемого усилительного каскада

СхЭ принципиальная каскада показана на рис.1. Усилительный каскад переменного тока с ОЭ выполнен на микросхеме 119УН1 (элементы СхЭ, относящиеся к микросхеме, обведены пунктирной линией). В каскаде ис­пользуется двухполярное питание, а база транзистора VT подключена через резистор смещения RБ к корпусу, имея, таким образом, потенциал, близкий к нулю. Конденсатор СР предназначен для гальванической (по постоянному току) развязки каскада с источником сигнала. Для обеспечения стабилизации режима работы активного элемента по постоянному току в каскаде исполь­зуется так называемая «схема эмиттерной стабилизации», включающая ре­зистор смещения RБ, резистор RЭ2, создающий глубокую местную ООС по постоянному току, и блокировочный конденсатор большой емкости СЭ2, с помощью которого устраняется глубокая ООС по переменному току. RЭ1и СЭ1 также образуют цепь местной частотно-зависимой ООС по току и тем самым реализуют эмиттерную ВЧ коррекцию АЧХ каскада. Сопротивление RК (сопротивление связи) является нагрузкой каскада в рабочей полосе час­тот (в области средних частот). К выходу усилительного каскада подключена емкость нагрузки СН такой значительной величины, что при анализе работы каскада  инерционные свойства транзистора можно не учитывать. Элементы RФ1, RФ2 и СФ образуют цепь двоякого назначения: первое – «развязываю­щая» по отношению к соседним каскадам, второе – цепь НЧ коррекции АЧХ. Подключение внешнего резистора RФ2 повышает эф­фективность низко­частотной коррек­ции.

 

1.2. Анализ ра­боты усилитель­ного каскада

Исследуемый усилительный кас­кад является уси­лителем перемен­ного тока, и по­этому анализу под­вергается работа модифицированной СхЭ (рис.1), назы­ваемой схемой кас­када по перемен­ному току. В целях  упрощения анализа рассматривается работа каскада в трех областях час­тот: средние частоты (СЧ), высокие частоты (ВЧ), низкие частоты (НЧ), ка­ждой из которых соответствует своя электрическая схема.

Анализ схемы производится при условии работы в линейном режиме (режиме А) с использованием «малосигнальных» параметров биполярного транзистора: h21Э – коэффициента передачи по току при включении  с ОЭ, h11Э – входного сопротивления при включении с ОЭ, S – внешней крутизны (S = h21Э / h11Э).

В области средних частот параметры каскада не зависят от частоты, а сопротивления реактивных элементов не влияют на работу усилителя

( = = → 0, = → ∞ ). Схема каскада в этом случае принимает вид рис.2. Сопротивление RЭ1 образует цепь последовательной по току ООС (Z-типа), действие которой выражается в следующих эффектах:

- уменьшении коэффициента усиления каскада по напряжению

KUF =  =  = ,                                   (1)

где α = h11Э /(RГ+ h11Э), F – глубина ООС;

- увеличении входного сопротивления

RВХF = RБ ║ (h11Э F) ≈ ;                                   (2)

- стабилизации величины тока коллектора.

Наибольшей эф­фективности ООС достигает при ус­ловии, что

RГ << h11Э.

В областях НЧ и ВЧ работа каскада определяется реак­тивными элемента-ми схемы, являю­щимися причиной появления линей­ных искажений усиливаемого сиг­нала. Количествен­ная оценка этих ис­кажений производится либо частотным (по АЧХ и ФЧХ каскада), либо временным (по ПХ) методами. В частотной области искажения опреде­ляются   по   отклонению   коэффициента  линейных   частотных  искажений

М(ω) = К(ω)/К0 от единичного значения или МДБ = 20lgМ(ω) от нулевого значения на верхней и нижней частотах  полосы пропускания (рис.3, а). Временным методом линейные искажения оцениваются в области больших времен (БВ) по спаду (подъему) ПХ (рис.3, б), в области малых времен (МВ)

 

 

 

временем установления tУСТ ПХ (рис.3, в). Для минимально фазовых цепей, к которым относится исследуемый усилитель, частотные и переходные характеристики связаны однозначной зависимостью (АЧХ в области НЧ определяет спад ПХ БВ, а в области ВЧ - конечное время установления ПХ

МВ) и выбор метода оценки определяется кругом задач, которые в данном случае решаются.

В области нижних частот схема каскада по перемен­ному току принимает вид рис.4, где VT* - эквивалент­ный транзистор с крутизной S* = S/(1+SRЭ1). В силу линейности ре­жима работы каскада анализ влияния реак­тивных элементов на его работу можно производить раздельно, причем эффекты, определяемые отдельными цепями, можно суммировать.



 
температура теплоносителя максимально. усилитель кроссовер динамики