Схемы апериодических усилителей на полевых транзисторах

Усилитель на лампе триод, включённой по схеме с общим катодом (ОКат). Усилители с общим катодом (ОКат) чаще всего применяются на практике, так как они обладают наи­большим коэффициентом усиления по мощности К_Р.

Усилительный каскад по схеме с ОКат аналогичен схемам на биполярном транзисторе с ОЭ и на полевом транзисторе с ОИ. Типичная схема усилителя на триоде, включённом по схеме ОКат, приведена на рис.2.

Назначение деталей аналогично усилителям на транзисторах по схемам ОЭ и ОИ. Режим лампы задаётся напряжением анодного источника Е_Аи напряжением смеще­ния U_СМ, подаваемым на управляющую сетку лампы при помощи цепочки R_KC_K в цепи катода. Конденсатор С_К блокирует резистор R_Kпо переменной составляющей анодного тока.

Напряжение сигнала u_ВХ,подлежащее усилению, подводится в цепь сетки от источника входного сигнала е_г, с внутренним сопротивлением R_Г, через разделительный конденсатор С_Р1. Разделительный конденсатор входной цепи С_Р1 препятствует передаче постоянной составляющей напряжения входного сигнала u_ВХ на вход усилителя, которая может вызвать нарушение режима работы триода.

Усиленное переменное напряжение, выделяемое на аноде, подводится к внешней нагрузке с сопротивлением R_H через разделительный конденсатор С_Р2. Конденсатор С_Р2 необходим для разделения выходной анодной цепи от внешней нагрузки R_н по постоянной составляющей анодного тока I_А0. Чаще всего, внешняя нагрузка R_н – это входное сопротивление последующего каскада усиления.

u_ВХ u_А

U_вх.m U_Аm

0 t₁ t₂ t₃ t

U_A0

u_C

0 t

– U_C0 0 t

U_Cm

i_A u_ВЫХ

U_вых.m

I_A0

I_Am 0 t

0 t

Рис.5. Графики, поясняющие работу усилителя

Усилитель может работать в двух режимах: покоя – нет входного сигнала; динамическом – на вход поступает сигнал, например, с эдс е_ВХ = Е_m sinωt. Работа усилителя поясняется графиками токов и напряжений, изображёнными на рис.5.

В режиме покоя (на рис.5 это отрезок времени от 0 до t₁), т.е. при u_ВХ = 0, в цепи катода и анода будут протекать постоянные токи анода и катода – токи покоя I_А0 и I_К0. Т.к. при отрицательном напряжении U_С ток сетки I_C = 0, следовательно, I_А0 = I_К0 . Величина этих токов определяется величиной постоянного напряжения на сетке U_С = U_Rк = U_CM – напряжением смещения.

Ток покоя анода I_А0, протекая через резистор R_А, создаёт на нем падение напряжения U_Rа = I_А0R_А. Поэтому напряжение на аноде U_А0 в режиме покоя меньше напряжения Е_А (рис.5) и определяется из условия

U_А0 = Е_К – I_А0 (R_А + R_К) = Е_А – U_Rа – U_Rк.

С учётом величин напряжений, т.к. U_Rа ≫ U_Rк, можно записать U_А0 ≈ Е_А – U_Rа.

Выходное напряжение в режиме покоя, равно нулю u_ВЫХ = 0, т.к. разделительный конденсатор С_Р2 постоянный ток и напряжение не пропускает.

В динамическом режиме на вход поступает сигнал, изменяющийся по закону u_ВХ = U_вxm sinωt.

Под действием отрицательного полупериода входного напряжения U_вxm отрицательное напряжение на сетке U_С увеличивается (см.рис.5), что вызывает уменьшение тока анода i_А относительно тока покоя I_А0.

При положительном полупериоде входного напряжения, отрицательное напряжение на сетке U_С уменьшается (см.рис.5), что вызывает увеличение тока анода i_А относительно тока покоя I_А0.

Следовательно, в цепи анода кроме постоянной составляющей тока I_А0 протекает переменная составляющая тока I_Аm sin ωt

i_А = I_А0 + I_Аm sin ωt ,

где I_Аm – амплитуда синусоидальной составляющей анодного тока.

Изменение анодного тока сопровождается изменением падения напряжения на резисторе R_А и на аноде лампы. При увеличении анодного тока i_А растёт падение напряжения на резисторе R_А и уменьшается на аноде лампы.

Поскольку по резистору R_А протекает как постоянная I_А0, так и переменная I_Аmsinωt составляющая анодного тока, то падение напряжения на нем можно представить в виде

u_Ra = R_Ai_A = R_AI_А0 + R_AI_Аmsinωt/

При этом напряжение на аноде u_А, равное разности Е_А – U_Ra , определяется из соотношения

u_А = Е_А – R_AI_А0 – R_А I_Аm sin ωt.

Из этого уравнения видно, что переменное напряжение на аноде u_А также изменяется по синусоидальному закону.

Переменная составляющая R_АI_Аmsinωt = U_Аmsinωt = U_ВЫХmsinωt напряжения u_А через разделительный конденсатор С_р2, не пропускающий только постоянную составляющую, поступает на выход усилителя, т.е. в нагрузку.

При правильном выборе сопротивления резистора R_А, амплитуда выходного напряжения будет больше амплитуды входного сигнала U_выxm ≫ U_вxm.

Это свидетельствует об усилении сигнала в схеме усилителя на триоде, включённом по схеме с ОКат.

Схема усилителя на триоде, включённом по схеме с ОКат, изменяет фазу входного сигнала на 180°, т.е. инвертирует входной сигнал (см. рис.5).

Коэффициент усиления по напряжению усилительных каскадов на лампах в области средних частот определяется равенством

K_U = – SR_АН,

где S – крутизна анодно-сеточной характеристики лампы, R_АН – сопротивление нагрузки, определяемое по формуле R_АН = R_А R_Н / (R_А + R_Н). Знак минус в выражении K_U указывает на то, что усилительный каскад с ОКат меняет фазу усиливаемого сигнала на 180°.

Входное сопротивление зависит от сопротивления резисторов, подсоединённых к сетке R_ВХ ≈ R_С. Выходное сопротивление определяется по формуле R_ВЫХ ≈ R_А.

Усилитель на лампе триод, включённой по схеме с общей сеткой (ОСет).

Усилитель на триоде с общей сеткой (рис.4,а) по свойствам аналогичен схемам с ОБ на биполярном транзисторе и с ОЗ на полевом.

Схема с ОСет не усиливает ток, поэтому коэффициент усиления по мощности во много раз меньше, чем в схеме с ОКат. Эта схема имеет малое входное сопротивление, потому что входным током является ток катода. Фаза напряжения при усилении не инвертируется. Усилители по схеме с ОСет применяются, как правило, только на достаточно высоких частотах или редко, как динамические нагрузки других каскадов.

Усилитель на лампе триод, включённой по схеме с общим анодом (ОА) – катодный повторитель. Усилитель на триоде, включённом по схеме с общим анодом, обычно называют катодным повторителем, т.е. устройством не изменяющем поляр­ность (фазу) подаваемого на вход сигнала.

На рис.4,б приведена схема катодного повторителя на триоде. По своим свойствам он аналогичен эмиттерному повторителю на биполярном транзисторе или истоковому повторителю на полевом транзисторе – обладает большими входным сопротивлением и коэффициентом усиления по току, малым выходным сопротивлением.

Основные параметры для этой схемы можно определить по формулам

R_ВХ ≈ R_С .

Обычно К_U = 0,95-0,99, поэтому выходной сигнал по амплитуде почти повторяет входной. Фазу входного сигнала на выходе этот усилитель не изменяет.

Благодаря малому R_ВЫХ катодный повторитель рав­номерно воспроизводит сигналы в широкой полосе частот.

Высокое R_ВХ катодных повторителей используется для уменьшения связи между каскадами. Повторитель, подключённый к выходу предыдущего каскада, практически не оказывает на него влияние вследствие высокого R_ВХ.

Катодные повторители используются во входных каскадах в тех слу­чаях, когда источник сигнала имеет высокое внутреннее сопротив­ление.

Повторители также используются в качестве усилителей мощ­ности. Не усиливая напряжение, они в то же время позволяют получать значительные выходные токи, а следовательно, и мощ­ность в нагрузке. Усилители мощности на катодных повторителях строятся как по однотактной, так и по двухтактной схемам. Двухтактная схема повторителя позволяет значительно повысить коэффициент полезного действия усилителя.

Усилитель на лампе тетрод или пентод, включённой по схеме с общим катодом (ОКат). Усилители на тетродах или пентодах дают большее усиление, чем каскады на триодах. Пентоды отличаются от тетродов более высоким коэффициентом усиления, достигающим иногда нескольких тысяч. Каскады на пентодах лежат в основе построения широкополосных ламповых усилителей.

Схема апериодического, т.е. с нерезонансной нагрузкой, усилителя на пентоде или тетроде (рис.6) отличается от схемы на триоде наличием цепи питания экранирующей сетки.

а) б)

Рис.6 Апериодические усилители: а – на пентоде, б – на тетроде

В маломощных усилителях конденсатор С_Э = 0,5…10 мкФ, анодная нагрузка усилителя R_А = (0,1 … 0,2)R_i, где R_i – внутреннее сопротивление лампы переменному току, a R_Э – сотни килоом.

Назначение элементов, принцип действия, графики, поясняющие работу в режимах покоя и динамическом, основные свойства и параметры режима усиления такие же, как у усилителя на триоде.

Тетроды и пентоды используются только с включением по схеме с общим катодом, т.к. схемы с общим анодом (ОА) и общей сеткой (ОСет) на этих лампах имеют очень много недостатков.

[1] По субъективному мнению некоторых меломанов, «ламповый» звук принципиально отличается от «транзисторного». Одно из объяснений различий лампового и транзисторного звука – «естественность» звучания. Ламповый звук «объёмный» в отличие от «плоского» транзисторного. Hi-Fi (англ. High Fidelity – высокая точность, высокая верность) – термин, означающий, что воспроизводимый звук очень близок к оригиналу. Hi-End (от англ. High End) аппаратурой производители называют эксклюзивную, дорогостоящую звуковоспроизводящую аппаратуру, в которой применяются нестандартные технические решения, использование которых не является экономически обоснованным для серийной аппаратуры.

Схемы апериодических усилителей на полевых транзисторах

Усилители на полевых транзисторах обладают большим входным сопротивлением. Обычно такие усилители используются как первые каскады входных (предварительных) усилителей, усилителей постоянного тока измерительной и другой радиоэлектронной аппаратуры.

Применение в первых каскадах усилителей с большим входным сопротивлением позволяет согласовывать источники сигнала с большим внутренним сопротивлением с последующими более мощными усилительными каскадами, имеющими небольшое входное сопротивление.

Подобно биполярным транзисторам, полевые транзисторы используют в трёх основных схемах включения: с общим истоком (ОИ), общим стоком (OС) и общим затвором (ОЗ).

Усилительный каскад по схеме с общим истоком (ОИ). Каскады с общим истоком (ОИ) чаще всего применяются на практике, так как они обладают наи­большим коэффициентом усиления по мощности К_Р. Усилительный каскад по схеме с ОИ аналогичен схеме на биполярном транзисторе с ОЭ.

Отличие сток-затворных характеристик разных типов полевых транзисторов, приводит к разным схемам построения усилительных каскадов на полевых транзисторах разных типов, и прежде всего, к разным схемам задания режима работы.

На рис.5 приведены упрощённые схемы усилителя с общим истоком, обеспечивающих получение усилительного режима при питании полевых транзисторов разных типов только от одного источника Е_С.

Рис.5. Схемы подачи напряжения на затвор в усилителях на полевых транзисторах

В полевых транзисторах напряжение, подаваемое на затвор и называемое напряжением смещения U_CM, может создаваться или за счёт напряжения на резисторе, включённом в цепь истока, или за счёт подачи на затвор дополнительного напряжения с помощью делителя R1, R2 (рис.5).

У полевых транзисторов с управляющим р-n-переходом (рис.5,а) и со встроенным каналом (рис.5,б) напряжение смещения U_CM может быть обеспечено за счёт сопротивления R_И в цепи истока. Так как ток затвора I_З полевых транзисторов достаточно мал и мало падение напряжения на резисторе R_З, то можно считать, что в режиме покоя напряжение затвор-исток U_ЗИ0 практически равно падению напряжения на сопротивлении R_И: U_CM = U_ЗИ0 ≈ U_Rи ≈ I_C0R_И, где I_C0 – ток стока в режиме покоя, т.е. когда ещё не подан входной сигнал.

При необходимости иметь повышенное входное сопротивление усилителя, резистор R_З берут порядка 1 … 10 МОм.

При работе полевого транзистора с управляющим р-n-переходом в широком диапазоне температур и при большом сопротивлении R_З режим работы меняется из-за дополнительного падения напряжения на сопротивлении R_З . Это связано с температурными изменениями обратного тока p-n-перехода. Для устранения температурной нестабильности режима работы, на затвор подают до­полнительное отпирающее напряжение (рис.5,в) с делителя напряжения на резисторах Rl и R2.

У полевых транзисторов с индуцированным каналом (рис.5,г) прин­ципиально необходима подача напряжения смещения U_CM от вне­шнего источника Е_С, так как в случае отсутствия U_CM транзистор будет заперт. Температурная стабилизация также осуществля­ется с по­мощью резистора R_И, включённого в цепь истока.

Типичные схемы усилителя на полевых транзисторах, включённых по схеме с ОИ, показаны на рис.6.

Рис.6 Типичные схемы усилителей на полевых транзисторах: а – полевой транзистор с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа, б – полевой транзистор с изолированным затвором и индуцированным каналом р-типа

Входное переменное напряжение U_BX через разделительный конденсатор С_Р1 подаётся на затвор транзистора. Разделительный конденсатор входной цепи С_Р1 препятствует передаче постоянной составляющей напряжения входного сигнала на вход усилителя, которая может вызвать нарушение режима работы транзистора. Сопротивление конденсатора для постоянного тока равно бесконечности.

Усиленное переменное напряжение, выделяемое на стоке транзистора, подводится к внешней нагрузке с сопротивлением R_H через разделительный конденсатор С_Р2. Конденсатор С_Р2 необходим для разделения выходной стоковой цепи от внешней нагрузки R_Н по постоянной составляющей тока стока I_С0. Чаще всего R_Н – это входное сопротивление последующего каскада усиления.

Рассмотрим работу схемы усилителя изображенного на рис.6,а. Резисторы R_И, R_З и конденсатор С_И создают напряжение смещения U_CM транзистора, задавая ему режим работы – режим усиления.

Резистор R_И кроме подачи напряжения смещения U_СМ на зат­вор, выполняет также термостабилизацию режима работы усилителя по постоянному току, стабилизируя величину I_C0 – тока стока в режиме покоя. Чтобы на сопротивлении R_И не выделялось напряжение за счёт перемен­ной составляющей тока стока I_C, а это привело бы к изменению режима работы, его шунтируют конденсатором С_И. Ёмкость этого конденсатора определяется из условия С_И ≫ 1/ωR_И, где ω – частота усиливаемого сигнала.

Резистор R_З, включённый параллельно входному сопротивлению усилителя, которое очень велико, должен иметь соизмеримое с ним значение сопротивления.

Усилитель может работать в двух режимах: покоя – нет входного сигнала; динамическом – на вход поступает сигнал, например, с эдс е_ВХ = Е_m sinωt.

В режиме покоя, т.е. при е_ВХ = 0, в цепи истока и стока будут протекать постоянные токи I_И0 и I_С0 – токи покоя. Их величина определяется величиной постоянного напряжения U_ЗИ0 – напряжения смещения.

Ток покоя I_С0, протекая через резистор R_С, создаёт на нем падение напряжения U_Rс = I_С0R_С. Поэтому напряжение на стоке транзистора U_СИ0 в режиме покоя меньше напряжения Е_С и определяется из условия U_СИ0 = Е_К – I_С0 (R_С + R_И) = Е_К – U_Rс – U_Rи.

Выходное напряжение в режиме покоя равно нулю U_ВЫХ = 0, т.к. разделительный конденсатор С_Р2 постоянный ток и напряжение не пропускает.

В динамическом режиме на вход поступает сигнал, изменяющийся по закону u_ВХ = U_вxm sinωt. Под действием отрицательного полупериода входного напряжения U_вxm отрицательное напряжение U_ЗИ увеличивается, что вызывает уменьшение тока стока (см.рис.2,в) относительно тока покоя I_С0.

При положительном полупериоде входного напряжения, отрицательное напряжение U_ЗИ уменьшается, что вызывает увеличение тока стока относительно тока покоя I_С0. Следовательно, в цепи стока и истока кроме постоянных составляющих токов протекают переменные составляющие токов

i_С = I_С0 + I_Сm sin ωt ,

i_И = I_И0 + I_Иm sin ωt.

Если работа происходит на линейных участках вольт-амперных характеристик полевого транзистора, то форма переменных составляющих тока стока и истока совпадают с формой входного напряжения u_ВХ = U_вxm sinωt.

В этом случае напряжение на стоке можно представить в виде

u_СИ = Е_С – U_Rс – U_Rи – R_С I_Сm sin ωt .

Из этого уравнения видно, что переменное напряжение на стоке u _СИ также изменяется по синусоидальному закону.

Переменная составляющая R_СI_Сmsinωt напряжения u_СИ через разделительный конденсатор С_р2, не пропускающий только постоянную составляющую, поступает на выход усилителя, т.е. в нагрузку.

При правильном выборе сопротивления резистора R_С, амплитуда выходного напряжения будет больше амплитуды входного сигнала U_выxm ≫ U_вxm.

Это свидетельствует об усилении сигнала в схеме усилителя на полевом транзисторе, включённом по схеме с ОИ.

Схема усилителя на полевом транзисторе, включённом по схеме с ОИ, изменяет фазу входного сигнала на 180°, т.е. инвертирует входной сигнал.

Коэффициент усиления по напряжению усилительных каскадов на полевых тран­зисторах в области средних частот определяется равенством

K_U = – SR_CН,

где S – крутизна сток-затворной характеристики полевого транзис­тора, R_СН – сопротивление нагрузки, определяемое по формуле R_СН = R_С R_Н / (R_С + R_Н). Знак минус в выражении K_U указывает на то, что усилительный каскад с ОИ меняет фазу усиливаемого сигнала на 180°.

Входное сопротивление зависит от сопротивления резисторов, подсоединённых к затвору. Для схемы рис.6,а R_ВХ = R_З, а для рис.6,б подсчитывается по формуле R_ВХ = R1R2 / (R1 + R2).

Выходное сопротивление определяется по формуле R_ВЫХ ≈ R_С.

Усилительный каскад по схеме с общим стоком (ОС) – истоковый повторитель.

Усилитель на полевом транзисторе, включённом по схеме с общим истоком, обычно называют истоковым повторителем. Повторителем сигнала называется устройство, не изменяющее поляр­ность (фазу) подаваемого на вход сигнала.

На рис.7 приведена схема простого истокового повторителя на полевом транзисторе с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа. По своим свойствам он аналогичен эмиттерному повторителю – обладает большими входным сопротивлением и коэффициентом усиления по току, малым выходным сопротивлением.

.

Рис.7. Схема истокового повторителя на полевом транзисторе с управляющим

p-n-переходом и каналом n-типа.

В схеме истокового повторителя, нагрузочный резистор R_И включён в цепь истока, а сток по переменным составляющим тока и напряжения соединён с общей точкой усилителя, т.е. вывод от стока является общим для входной и выходной цепей устройства, поэтому схема называется с ОС.

Основой рассматриваемого усилителя по схеме с ОС (истокового повторителя) являются два элемента: резистор R_И и полевой транзистор с р-n-переходом и n-каналом. Назначение остальных элементов каска­да аналогично усилителю по схеме с ОИ. Кроме стоковой нагрузки, резистор R_И является также сопротивле­нием автоматического смещения для ре­жима покоя (как в каскаде с ОИ).

В истоковом повторителе для режима покоя U_СИ = Е_С – I_С0R_И. В динамическом режиме работы выходное напряжение, равное переменной составляющей напряжения на резисторе R_И, подаётся через разделительный конденсатор С_Р1 в нагрузку R_H.

Основные параметры для этой схемы можно определить по формулам

R_ВХ ≈ R_З .

Обычно К_U = 0,95-0,99, поэтому выходной сигнал по амплитуде почти повторяет входной. Фазу входного сигнала на выходе этот усилитель не изменяет. Для истокового повторителя R_ВЫХ составляет сотни ом, что значительно меньше, чем в схеме с ОИ. Входное сопротивление определяется резистором R_З, величина которого обычно выбирается порядка 1МОм.

Несмотря на то, что истоковый повторитель не является усилителем напряжения, он часто используется в различной радиоэлектронной технике.

Благодаря малому R_ВЫХ повторитель рав­номерно воспроизводят сигналы в широкой полосе частот. При малом R_ВЫХ повторителя легко обес­печивается согласование с низкоомной нагрузкой, что необходимо для получения максимальной мощности усиления.

Высокое R_ВХ повторителей используется для уменьшения связи между каскадами. Повторитель, подключённый к выходу предыдущего каскада, практически не оказывает на него влияние вследствие высокого R_ВХ и малой ёмкости С_ВХ.

Повторители используются во входных каскадах в тех слу­чаях, когда источник сигнала имеет высокое внутреннее сопротив­ление.

Повторители также используются в качестве усилителей мощ­ности. Не усиливая напряжение, они в то же время позволяют получать значительные выходные токи, а следовательно, и мощ­ность в нагрузке. Коэффициент усиления повторителя по мощно­сти может достигать больших значений с малыми затратами мощности во вход­ных цепях. Усилители мощности на повторителях строятся как по однотактной, так и по двухтактной схемам. Двухтактная схема повторителя позволяет значительно повысить коэффициент полезного действия усилителя.

Если повторители, построенные по классической схеме (рис.7), не удовлетворяют предъявленным требованиям, то используют более сложные спе­циальные повторители.

Усилительный каскад по схеме с общим затвором (ОЗ). Схема с общим затвором по свойствам аналогична схеме на биполярном транзисторе с ОБ. Схема не усиливает ток, поэтому коэффициент усиления по мощности во много раз меньше, чем в схеме с ОИ. Эта схема имеет малое входное сопротивление, потому что входным током является ток стока. Фаза напряжения при усилении не инвертируется. Схема с ОЗ практически не применяется, т.к. не удаётся использовать один из важнейших параметров полевых транзисторов – их большое входное сопротивление.

Дата добавления: 2014-08-04; просмотров: 1923; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!