Двухкаскадный усилитель с резистивно-емкостной связью на биполярных транзисторах.
Дата добавления: 2013-12-23 ; просмотров: 3554 ; Нарушение авторских прав
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. 1.12
 |
 |
uвх Rн
 |  |
 |  |
Рис. 12 Блок-схема усилительного устройства.
Как правило, на выходе усилительного устройства монтируется усилитель мощности. Первый каскад является эмиттерным (или истоковым) повторителем, позволяющим согласовать источник сигнала с входным сопротивлением усилителя напряжения.
Усилитель напряжения может состоять из нескольких каскадов, обеспечивающих необходимый коэффициент усиления устройства.
Результирующий коэффициент усиления усилителя равен произведению коэффициента усиления всех каскадов:
Соединение каскадов осуществляется с помощью резисторов, конденсаторов и трансформаторов. В зависимости от способа связи различают:
1. Усилители с резистивно-конденсаторной 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.
4. Если в устройстве связи используется LC – контур, имеем избирательный усилитель.
Схема двухкаскадного усилителя приведена на рис. 13.
+Ек
Рис.13 Схема двухкаскадного усилителя напряжения с резистивно-емкостной связью.
Приведенный усилитель напряжения состоит из 2-х идентичных каскадов, представляющих собой усилители на биполярных транзисторах с коллекторной нагрузкой. В качестве связующего элемента используется конденсатор связи С2, предотвращающий появление уравнительного тока между каскадами. Для переменной составляющей этот конденсатор имеет низкое сопротивление.
Этот усилительный каскад хорошо усиливает сигнал только на средних частотах (область 2 на рис. 14).
Кu
Рис. 14 Частотная характеристика усилителя с резистивно-емкостной связью.
В области низких частот 1 коэффициент усиления падает. В этом сказывается влияние конденсатора связи на усиление: чем меньше частота усиливаемого сигнала, тем больше сопротивление конденсатора связи (Хс= 1/2pfC), тем больше напряжение падает на конденсаторе и тем меньше напряжение на выходе первого каскада, а коэффициент усиления падает.
На нулевой частоте Хс®¥ и связь между каскадами отсутствует.
На средних частотах сопротивление конденсатора невелико, он практически не влияет на uвых первого каскада, и коэффициент усиление не зависит от частоты.
На высоких частотах усилительные свойства транзисторов резко ухудшаются и величина Кu в области 3 падает.
Участок 2 характеристики соответствует рабочей области частот.
В современной аппаратуре усилители на биполярных транзисторах используются редко, вместо них выполняются усилители с гальванической связью – усилители постоянного тока, которые реализуются в микросхемах.
Источник
Исследование двухкаскадного усилителя с резисторно-емкостной связь (Лабораторная работа № 5)
Страницы работы
Содержание работы
ДВУХКАСКАДНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ НА ТРАНЗИСТОРАХ
Цель работы: исследование двухкаскадного усилителя с резисторно-емкостной связью; определение влияния обратной связи на характеристики усилителя.
Краткие теоретические сведения
Для многих устройств промышленной электроники бывает недостаточно одного усилительного каскада. В этих случаях для получения более высокого коэффициента усиления применяют многокаскадные усилители, получаемые путем последовательного соединения отдельных каскадов. Частным случаем многокаскадных усилителей является двухкаскадный усилитель, типовая схема которого изображена на рис.1. Усилительные каскады осуществляют последовательное усиление сигнала. Выходной сигнал первого каскада усилителя служит входным сигналом второго каскада, нагрузкой первого каскада является входное сопротивление второго каскада. Конденсаторы С2 и С3 называют конденсаторами связи двух каскадов усилителя. Конденсатор С2 не пропускает постоянную составляющую коллекторного напряжения транзистора VТ1 в базовую цепь транзистора VТ2. Конденсатор С3 не пропускает постоянную составляющую коллекторного напряжения транзистора VТ2 на нагрузочное устройство RH. Назначение остальных элементов схемы аналогично назначению элементов схемы однокаскадного усилителя. На рис.2 приведена схема замещения двухкаскадного усилителя.
где Свх2 – входная емкость второго каскада;
См – монтажная емкость (емкость деталей и проводов вх. цепи каскада).
где КU2 – коэффициент усиления по напряжению второго каскада;
СК2 – емкость коллекторного перехода второго транзистора.
Для улучшения показателей усилителя вводят обратную связь ОС. Обратная связь — это воздействие выходного сигнала усилителя на его вход. В зависимости от параметра выходного сигнала, используемого для создания ОС, различают ОС по напряжению и ОС по току. В зависимости от способа, подачи ОС различают последовательную ОСи параллельную ОС. Структурная схема усилителя с последовательной ОС по напряжению изображена на рис.3. ОС называется положительной (ПСО), если входной
сигнал UВХ складывается с сигналом обратной связи UОС, в результате чего в усилитель поступает сигнал U1, т.е.
ОС называется отрицательной (ООС), если сигналы U1 на входе и UВЫХ на выходе уменьшаются, т.е.
Положительная ОС повышает коэффициент усиления усилителя, но при этом стабильность коэффициента усиления небольшая. Отрицательная ОС снижает коэффициент усиления, но ее широко используют, т.к. она улучшает другие свойства усилителя:
а) при изменении параметров транзисторов повышается стабильность коэффициента усиления;
б) снижается уровень нелинейных искажений;
в) hВХ увеличивается, hВЫХ уменьшается.
Коэффициент передачи цепи ОС:
Коэффициент усиления по напряжению без ОС:
Коэффициент усиления по напряжению с ОС:
С учетом приведённых выше выражений получаем коэффициент усиления по напряжению с отрицательной ОС:
Применение ООС уменьшает нелинейные искажения выходного сигнала, т.е. уменьшает наклон амплитудной характеристики, делает её более линейной.
Источник
Простые, двухкаскадные усилители
Рис. 1 Двухкаскадный усилитель на транзисторах.
Действие усилителя в целом заключается в следующем. Электрический сигнал, поданный через конденсатор С1 на вход первого каскада и усиленный транзистором V1, с нагрузочного резистора R2 через разделительный конденсатор С2 поступает на вход второго каскада. Здесь он усиливается транзистором V2 и телефонами В1, включенными в коллекторную цепь транзистора, преобразуется в звук. Какова роль конденсатора С1 на входе усилителя? Он выполняет две задачи: свободно пропускает к транзистору переменное напряжение сигнала и предупреждает замыкание базы на эмиттер через источник сигнала. Представьте себе, что этого конденсатора во входной цепи нет, а источником усиливаемого сигнала служит электродинамический микрофон с малым внутренним сопротивлением. Что получится? Через малое сопротивление микрофона база транзистора окажется соединенной с эмиттером. Транзистор закроется, так как будет работать без начального напряжения смещения. Он будет открываться только при отрицательных полупериодах напряжения сигнала. А положительные полупериоды, еще больше закрывающие транзистор, будут им «срезаны». В результате транзистор станет искажать усиливаемый сигнал. Конденсатор С2 связывает каскады усилителя по переменному току. Он должен хорошо пропускать переменную составляющую усиливаемого сигнала и задерживать постоянную составляющую коллекторной цепи транзистора первого каскада. Если вместе с переменной составляющей конденсатор будет проводить и постоянный ток, режим работы транзистора выходного каскада нарушится и звук станет искаженным или совсем пропадет. Конденсаторы, выполняющие такие функции, называют конденсаторами связи, переходными или разделительными. Входные и переходные конденсаторы должны хорошо пропускать всю полосу частот усиливаемого сигнала — от самых низких до самых высоких. Этому требованию отвечают конденсаторы емкостью не менее 5 мкФ. Использование в транзисторных усилителях конденсаторов связи больших емкостей объясняется относительно малыми входными сопротивлениями транзисторов. Конденсатор связи оказывает переменному току емкостное сопротивление, которое будет тем меньшим, чем больше его емкость. И если оно окажется больше входного сопротивления транзистора, на нем будет падать часть напряжения переменного тока, большая, чем на входном сопротивлении транзистора, отчего будет проигрыш в усилении. Емкостное сопротивление конденсатора связи должно быть по крайней мере в 3 — 5 раз меньше входного сопротивления транзистора. Поэтому — то на входе, а также для связи между транзисторными каскадами ставят конденсаторы больших емкостей. Здесь используют обычно малогабаритные электролитические конденсаторы с обязательным соблюдением полярности их включения. Таковы наиболее характерные особенности элементов двухкаскадного транзисторного усилителя НЧ. Для закрепления в памяти принципа работы транзисторного двухкаскадного усилителя НЧ предлагаю собрать, наладить и проверить в действии нижеприведенные простейшие варианты схем усилителей. (В конце статьи будут предложенны варианты практической работы, сейчас нужно собрать макет простейшего двухкаскадного усилителя для того чтобы оперативно можно было отслеживать на практике теоритические утверждения).
Простые, двухкаскадные усилители
Принципиальные схемы двух вариантов такого усилителя изображены на (рис. 2). Они, по существу, являются повторением схемы разобранного сейчас транзисторного усилителя. Только на них указаны данные деталей и введены три дополнительных элемента: R1, СЗ и S1. Резистор R1 — нагрузка источника колебаний звуковой частоты (детекторного приемника или звукоснимателя); СЗ — конденсатор, блокирующий головку В1 громкоговорителя по высшим звуковым частотам; S1 — выключатель питания. В усилителе на (рис. 2, а) работают транзисторы структуры р — n — р, в усилителе на (рис. 2, б) — структуры n — p — n. В связи с этим полярность включения питающих их батарей разная: на коллекторы транзисторов первого варианта усилителя подается отрицательное, а на коллекторы транзисторов второго варианта — положительное напряжение. Полярность включения электролитических конденсаторов также разная. В остальном усилители совершенно одинаковые.
Рис. 2 Двухкаскадные усилители НЧ на транзисторах структуры p — n — p (a) и на транзисторах структуры n — p — n (б).
В любом из этих вариантов усилителя могут работать транзисторы со статическим коэффициентом передачи тока h21э 20 — 30 и больше. В каскад предварительного усиления (первый) надо поставить транзистор с большим коэффициентом h21э — Роль нагрузки В1 выходного каскада могут выполнять головные телефоны, телефонный капсюль ДЭМ-4м. Для питания усилителя используте батарею 3336Л (в народе называют — квадратная батарея) илисетевой блок питания (который предлагалось изготовить в 9 — ом уроке). Предварительно усилитель соберите намакетной плате, после чего перенесете его детали на печатную плату, если возникнет такое желание. Сначала на макетной плате смонтируйте детали только первого каскада и конденсатор С2. Между правым (по схеме) выводом этого конденсатора и заземленным проводником источника питания включите головные телефоны. Если теперь вход усилителя соединить с выходными гнездами например: детекторного приемника, настроенного на какую — либо радиостанцию, или подключить к нему любой другой источник слабого сигнала, в телефонах появится звук радиопередачи или сигнал подключенного источника. Подбирая сопротивление резистора R2 (так же, как при подгонке режима работы однотранзисторного усилителя, о чем я рассказывал в 8 — ом уроке), добейтесь наибольшей громкости. При этом миллиамперметр, включенный в коллекторную цепь транзистора, должен показывать ток, равный 0,4 — 0,6 мА. При напряжении источника питания 4,5 В это наивыгоднейший режим работы для данного транзистора. Затем смонтируйте детали второго (выходного) каскада усилителя, телефоны включите в коллекторную цепь его транзистора. Теперь телефоны должны звучать значительно громче. Еще громче, возможно, они будут звучать после того, как подбором резистора R4 будет установлен коллекторный ток транзистора 0,4 — 0,6 мА. Можно, поступить иначе: смонтировать все детали усилителя, подбором резисторов R2 и R4 установить рекомендуемые режимы транзисторов (по токам коллекторных цепей или напряжениям на коллекторах транзисторов) и только после этого проверять его работу на звуковоспроизведение. Такой путь более техничный. А для более сложного усилителя, а вам придется иметь дело в основном именно с такими усилителями, он единственно правильный. Надеюсь, вы поняли, что мои советы по налаживанию двухкаскадного усилителя в равной степени относятся к обоим его вариантам. И если коэффициенты передачи тока их транзисторов будут примерно одинаковыми, то и громкость звучания телефонов — нагрузок усилителей должна быть одинаковой. С капсюлем ДЭМ-4м, сопротивление которого 60 Ом, ток покоя транзистора каскада надо увеличить (уменьшением сопротивления резистора R4) до 4 — 6 мА. Принципиальная схема третьего варианта двухкаскадного усилителя показана на (рис. 3). Особенностью этого усилителя является то, что в первом его каскаде работает транзистор структуры p — n — р, а во втором — структуры n — p — n. Причем база второго транзистора соединена с коллектором первого не через переходной конденсатор, как в усилителе первых двух вариантов, а непосредственно или, как еще говорят, гальванически. При такой связи расширяется диапазон частот усиливаемых колебаний, а режим работы второго транзистора определяется в основном режимом работы первого, который устанавливают подбором резистора R2. В таком усилителе нагрузкой транзистора первого каскада служит не резистор R3, а эмиттерный р — n переход второго транзистора. Резистор же нужен лишь как элемент смещения: создающееся на нем падение напряжения открывает второй транзистор. Если этот транзистор германиевый (МП35 — МП38), сопротивление резистора R3 может быть 680 — 750 Ом, а если кремниевый (МП111 — МП116, КТ315, КТ3102) — около 3 кОм. К сожалению, стабильность работы такого усилителя при изменении напряжения питания или температуры невысока. В остальном все то, что сказано применительно к усилителям первых двух вариантов, относится и к этому усилителю. Можно ли усилители питать от источника постоянного тока напряжением 9 В, например от двух батарей 3336Л или «Крона», или, наоборот, от источника напряжением 1,5 — 3 В — от одного — двух элементов 332 или 316? Разумеется, можно: при более высоком напряжении источника питания нагрузка усилителя — головка громкоговорителя — должна звучать громче, при более низком — тише. Но при этом несколько иными должны быть и режимы работы транзисторов. Кроме того, при напряжении источника питания 9 В номинальные напряжения электролитических конденсаторов С2 первых двух вариантов усилителя должны быть не менее 10 В. Пока детали усилителя смонтированы на макетной панели, все это нетрудно проверить опытным путем и сделать соответствующие выводы.
Рис. 3 Усилитель на транзисторах разной структуры.
Смонтировать детали налаженного усилителя на постоянной плате — дело несложное. Для примера на (рис. 4) показана монтажная плата усилителя первого варианта (по схеме на рис. 2, а). Плату выпилите из листового гетинакса или стеклотекстолита толщиной 1,5 — 2 мм. Ее размеры, указанные на рисунке, примерные и зависят от габаритов имеющихся у вас деталей. Например, на схеме мощность резисторов обозначена 0,125 Вт, емкости электролитических конденсаторов — по 10 мкФ. Но это не значит, что только такие детали надо ставить в усилитель. Мощности рассеяния резисторов могут быть любыми. Вместо электролитических конденсаторов К5О — 3 или К52 — 1, показанных на монтажной плате, могут быть конденсаторы К50 — 6 или импортные аналоги, к тому же на большие номинальные напряжения. В зависимости от имеющихся у вас деталей может измениться и печатная плата усилителя. О приемах монтажа радиоэлеметов, в том числе и печатном монтаже можно прочитать в разделе«радиолюбительские технологии».
Рис. 4 Монтажная плата двухкаскадного усилителя НЧ.
Любой из усилителей, о которых я рассказал в этой статье, пригодится вам в будущем, например для портативного транзисторного приемника. Аналогичные усилители можно использовать и для проводной телефонной связи с живущим неподалеку приятелем.
Источник