(2.3.28)

(2.3.29)

Задание смещения рабочей точки путем введения резистора Ru уменьшает коэффициент усиления каскада. По аналогии со схемой на биполярном транзисторе, для коэффициента передачи цепи ООС можно записать:

(2.3.30)

Тогда, используя основное выражение для усилителя с цепью ООС, получим:

(2.3.31)

Из выражения следует, что глубина отрицательной обратной связи в каскаде равна поэтому абсолютные температурные изменения тока покоя каскада с цепью ООС и без нее связаны соотношением:

(2.3.32)

При расчете каскада требуемое сопротивление Ru легко найти по заданному току IсП. Для этого по передаточной характеристике транзистора, задавшись Iс = IсП, находят требуемое UизП. Так как ток затвора практически равен нулю, то падение напряжения на резисторе Rсм отсутствует и требуемое сопротивление Ru можно найти из выражения:

(2.3.33)

Для получения максимального значения выходной переменной IсП ток желательно выбирать близким к половине максимального тока стока Ic max. При этом сопротивление Ru рассчитанное из этого условия, может оказаться меньше рассчитанного, например, из условия требуемой стабильности параметров каскада или заданных искажений.

Частотные свойства каскада полностью определяются собственными свойствами прибора. При этом основную роль в их формировании играет входная емкость транзистора В этом случае схема замещения входной цепи каскада, имеет вид, показанный на рис..

Рис. 2.3.7. Схема замещения каскада по переменному току

С учетом найденного выше коэффициента усиления передаточная функция всего каскада будет иметь вид:

(2.3.34)

Где - коэффициент

передачи входного делителя по постоянному току;

- постоянная времени входной цепи;

- эквивалентная входная емкость транзистора.

Введение резистора Ru снижает коэффициент усиления каскада. Если каскад предназначен для усиления напряжения только переменного тока, это уменьшение усиления можно скомпенсировать выполнением цепи ООС частотнозависимой. Для этого (как и в случае каскада на биполярном транзисторе) резистор Ru необходимо шунтировать дополнительным конденсатором. Емкость этого конденсатора при задано минимальной частоте входного сигнала может быть рассчитана из условия

В се сказанное остается справедливым и при построении каскада с использованием МДП- транзистора со встроенным каналом. В этом случае могут быть только количественные отличия, обусловленные тем, что передаточная характеристика транзистора имеет продолжение в первом квадранте. При этом могут измениться доли напряжений смещения, создаваемые резистором и делителем на резисторах

3. Каскады предварительного усиления

3.1. Условия работы каскадов предварительного усиления

3.1.1. Требования к каскадам и режим работы

Каскад предварительного усиления предназначен для усиления тока или напряжения сигнала, создаваемого источником сигнала, до величины, необходимой для подачи на вход каскада мощного усиления.

В зависимости от условий работы каскады предварительного усиления разнообразны по использованию в них типов усилительных элементов, способов их включения, схем каскадов и пр. Для уменьшения числа каскадов предварительного усиления в них используют усилительные элементы с высоким коэффициентом усиления (транзисторы с большим коэффициентом передачи тока h₂1_э). Способ их включения, режим работы, положение точки покоя на характеристиках усилительного элемента, электрические данные схемы межкаскадной связи выбирают таким образом, чтобы получить от каскада наибольшее усиление при допустимых частотных или переходных искажениях и возможно меньше потреблении мощности от источников питания.

Специфической особенностью каскада предварительного усиления является неполное использование характеристик усилительного элемента из-за малой амплитуды входного сигнала, вследствие чего параметры усилительного элемента за период сигнала изменяются незначительно. Вот почему коэффициенты усиления, тока и напряжения таких каскадов обычно определяются аналитически, без построения динамических характеристик переменного тока, используя малосигнальные параметры усилительных элементов, найденные для точки покоя (или взятые из справочника, если используется указанный в справочнике типовой режим).

В каскадах предварительного усиления для уменьшения нелинейных искажений и повышения стабильности показателей усилителя почти всегда используют режим А; с энергетической точки зрения это не вызывает затруднений, так как потребление мощности питания каскадами предварительного усиления невелико. Из-за малой амплитуды сигнала и работы в режиме А вносимые каскадами предварительного усиления нелинейные искажения ничтожны, и расчет коэффициента гармоник таких каскадов обычно не производят. Если напряжение сигнала на входе каскада предварительного усиления велико (и превышает несколько десятых вольта), то расчет коэффициента гармоник k_r проводят так же, как для каскада мощного усиления.

Транзисторы в каскадах предварительного усиления обычно включают с общим эмиттером (истоком); включение транзистора с общим коллектором (стоком) используется лишь в особых случаях для входных или выходных каскадов усилителя, когда эти каскады должны иметь специальные свойства. Включение транзистора с общей базой (затвором) целесообразно лишь для входных каскадов, работающих от источника сигнала с очень низким внутренним сопротивлением (порядка входного сопротивления транзистора при таком включении); в этом случае сквозной коэффициент усиления каскада может оказаться не ниже, чем при включении с общим эмиттером (истоком), а многие показатели каскада улучшатся.

Напряжение источника питания оконечного (выходного) каскада усилителя обычно оказывается вполне достаточным и для питания всех каскадов предварительного усиления с учетом включения в цепь питания развязывающих и сглаживающих фильтров. Для сокращения расхода энергии питания в каскадах предварительного усиления применяют маломощные усилительные элементы.

В транзисторных каскадах предварительного усиления как звуковой частоты, так и широкополосных нет необходимости строить нагрузочные прямые постоянного тока для выбора точки покоя; ток покоя выходной цепи транзисторов выбирают возможно малый, лишь обеспечивающий необходимую для подачи на следующий каскад амплитуду тока сигнала и удовлетворительные усилительные свойства используемого транзистора.

3.1.2. Определение частотной, фазовой и переходной характеристик

Анализ свойств и характеристик многокаскадных усилителей, как указывалось ранее, производят следующим образом. Вначале определяют свойства и характеристики отдельных каскадов и цепей по их эквивалентным схемам, подвергая их анализу и расчету, а затем по данным этих каскадов находят показатели всего усилительного устройства. Наиболее наглядным и простым методом анализа характеристик усилительного каскада является метод составления уравнений контурных токов и узловых напряжений для его эквивалентной схемы, по которым затем находят частотную, фазовую или переходную характеристику каскада и электрические данные деталей принципиальной схемы.

При выводе уравнений частотной и фазовой характеристик каскада, необходимых для определения свойств и расчета усилителей гармонических сигналов, обычно предполагают, что на вход каскада от внешнего источника сигнала подается установившееся синусоидальное электрическое колебание известной амплитуды и частоты U_вх=U_вхmsinωt. Затем для эквивалентной схемы каскада составляют систему уравнений Кирхгофа в комплексной форме для контурных токов и узловых напряжений, решив которую находят установившееся для произвольной частоты ω значение выходного сигнала U_вых=U_выхmsin(ωt+φ). Поделив U_вых на U_вх или Е_ист, получают уравнение частотно-фазовой характеристики К=F₁(ω)или К*=F₂(ω), которое затем можно привести к нормированному виду Y=F₃(ω) или Y=F₄(ω).

Выражения, определяющие модуль К, К* или Y, являются уравнениями частотной характеристики анализируемого каскада; они могут быть представлены в обычном или нормированном виде. А уравнениями его фазовой характеристики являются выражения, определяющие вносимый каскадом угол сдвига фазы φ= или Решив уравнение частотной характеристики относительно электрических данных деталей каскада, получают формулы для их расчета по допустимым частотным искажениям на нижней ω_н и верхней ω_в рабочих частотах.

При выводе уравнения переходной характеристики каскада, необходимого для определения свойств и расчета усилителей импульсных сигналов, обычно полагают, что на вход усилителя от источника сигнала подается мгновенный скачок напряжения u_вх. Составив по эквивалентной схеме каскада систему уравнений Кирхгофа для мгновенных значений контурных токов и узловых напряжений, решением этой системы находят зависимость мгновенного значения выходного напряжения от времени , представляющую собой переходную характеристику каскада, которую затем можно привести к нормированному виду y=f(x). Решив уравнение переходной характеристики относительно электрических данных деталей принципиальной схемы, получают формулы для их расчета по допустимым искажениям фронта и вершины усиливаемых импульсов.

Если уравнение частотно-фазовой характеристики уже имеется, то уравнение переходной характеристики каскада можно получить из него с помощью так называемого операционного метода.

3.1.3. Резисторный каскад

Как указывалось ранее, вследствие простоты, де-шевизны, малых габаритных размеров и массы и хороших частотных и переходных характеристик резисторный каскад является основным типом каскада предварительного усиления как в транзисторных, так и в ламповых усилительных устройствах..

На рис. 3.2.1 приведены принципиальные схемы резисторных усилительных каскадов предварительного усиления с биполярным транзистором и с полевым транзистором, работающих на такие же следующие каскады;

Рис. 3.1.1. Резисторные промежуточные каскады предварительного усиления с резисторными входными цепями:

а — с биполярным транзистором; б — c полевым транзистором

Сплошными линиями изображены те детали и цепи, которые определяют свойства каскада. Так как вспомо-гательные цепи, имеющиеся на схемах рис. 2.4.1 (цепочки фильтров СфRф, цепочки катодного смещения С_кRк, эмиттерной стабилизации СэRэ и т. д.), не обязательны для резисторного каскада и могут в нем отсутствовать, то анализ свойств каскада можно упростить и проводить без учета влияния этих цепей. Для этого достаточно предположить, что емкости блокировочных конденсаторов этих цепей С_ф, С_к, С_э бесконечно велики и их сопротивления для частот сигнала равны нулю, тогда резисторы R_к,R_к, R_э окажутся для переменного тока накоротко замкнутыми и не войдут в эквивалентную схему каскада. При выполнении этих условий эквивалентные схемы каскадов, изображенных на рис. 3.1.1, составленные из эквивалентной схемы выходной цепи усилительного элемента рассматриваемого каскада, схемы .межкаскадной связи и эквивалентной схемы входной цепи усилительного элемента следующего каскада, примут вид, показанный на рис. 3.1.2.

Изображенная на эквивалентных схемах емкость С_м, (подключенная параллельно нагрузке, представляет собой емкость монтажа каскада, образуемую емкостью монтажных проводников и деталей схемы относительно шасси усилителя или общего провода. Емкость монтажа зависит от геометрических размеров и конструкции усилительных элементов и деталей, а также от их расположения. У каскадов с впаянными в схему транзисторами при миниатюрных деталях и правильном их расположении С_м=3..4 пФ.

Рис. 3.1.2. Эквивалентные схемы резисторных каскадов

предварительного усиления, изображенных на рис. 3.2.1:

а - с биполярным транзистором; б - с полевым транзистором

Так как емкость конденсатора межкаскадной связи С резисторного каскада обычно на несколько порядков больше паразитных емкостей, включенных между верхним и нижним проводниками эквивалентных схем рис. 2.4.2, то все имеющиеся между верхним и нижним проводниками емкости без заметной погрешности можно заменить их суммой:

(3.1.1)

Схему рис. 3.1.2а можно еще упростить, заменив параллельно включенные сопротивления делителя смещения одним сопротивлением После этого рассматриваемые эквивалентные схемы резисторных каскадов предварительного усиления (см.рис. 3.1.2); можно представить в обобщенном виде, изображенном на рис. 3.1.3.