Речь здесь будет идти только о апериодических вч усилителях на транзисторах, микросхемы и полевики здесь не рассматриваются, резонансные усилители тоже.
Микросхемы - чтобы собирать устройство из готовых купленных кубиков, для этого мозгов то не требуется, но вот если есть желание понимать что и как происходит, для этого нужны не только знания, но и собственный практический опыт.
Целью данной работы было сравнить схемы по их усилению и ширине полосы пропускания, и сравнить их для нескольких выбранных транзисторов. Сравнение было проведено практическим макетированием и измерением. Для измерений использовался осциллограф FNRSI-1014D с полосой 100 МГц.
Есть конечно много программ моделирования схем, но они, к сожалению, не учитывают паразитные связи которые возникают за счет нерационального монтажа и неидеальности блокировочных конденсаторов и других радиоэлементов. Если для усилителей с коэффициентом усиления 20-30 дБ это слабо влияет, то при усилении 40, а тем более 60-80 дБ это бывает весьма заметно. Имеет значение место подключения входных и выходных цепей к "земле", большое влияние имеет место подключения к "земле " блокировочных и фильтрующих конденсаторов. Имеет значение и длина выводов. И даже паразитная емкость между корпусами транзисторов если они близко расположены.
При усилении 40 дБ и более работа без экранирования проблематична, может возникать возбуждение или искажение АЧХ, хотя при рациональном монтаже возможна устойчивая работа и без экранирования. А при нелинейной нагрузке или нелинейной обратной связи в усилителе с большим усилением (например в ВЧ микро- милливольтметре с линейной шкалой), меняется устойчивость усилителя из-за меняющейся глубины ООС, и возможно возбуждение при подаче сигнала. Поэтому моделирование конечно возможно, но оно не всегда соответствует параметрам реально собранных схем.
Итак, существует всего три схемы включения транзистора:
- схема с общим эмиттером (ОЭ),
- схема с общим коллектором (ОК),
- схема с общей базой (ОБ).
Все усилители, даже наиболее сложные многокаскадные состоят из комбинации этих основных каскадов.
Схема ОЭ это усилитель тока и напряжения, это наиболее часто используемая схема. Имеет наибольший коэффициент усиления. Но наименее широкополосная, т.к. в ней присутствует отрицательная обратная связь на вч через внутреннюю емкость транзистора Скб.
Схема ОК это усилитель тока, напряжение она не усиливает, поэтому обычно она применяется как согласующий и развязывающий каскад.
Схема ОБ это усилитель напряжения, ток на входе и на выходе один и тот же. Это самая широкополосная усилительная схема, т.к. отсутствует отрицательная обратная связь через внутреннюю емкость транзистора Сбк. Но коэффициент усиления этой схемы небольшой. Кроме того, схема имеет очень низкое входное сопротивление (около 10 Ом), что требует включения на входе схем согласования, например схемы ОК.
1. Начнем со схемы ОЭ. Вот схема усилителя.
Напомню, каскад нагружен на щуп осциллографа, т.е. на емкость 15 пф. Кроме того, к выходу подключена собственная емкость транзистора Сэк и емкость монтажа. Каскад ОК на выходе позволяет снизить влияние емкости нагрузки (для быстрого перезаряда которой на высокой частоте необходим бОльший ток) и тем самым увеличивает верхнюю граничную частоту усилителя.
Для сравнения были выбраны транзисторы КТ315Г, КТ306Б, КТ325В, КТ371А, КТ3101А.
Вот параметры транзисторов:
Итак, измеренные параметры для схемы 1, ОЭ:
Примечание: разный коэффициент усиления для разных транзисторов вызван тем, что транзисторы не отбирались по одинаковому коэффициенту усиления тока. Поэтому усиление, токи транзисторов и режим по постоянному току отличались. Кроме того, разный Ку в многокаскадных схемах, таких как 8,9,10 (см. далее) наблюдается из-за того что возникают паразитные положительные и отрицательные обратные связи, за счет протекания токов транзисторов разных каскадов по общим проводникам (чаще всего по "земле").
---------------------------------------------------------------------
2. Схема ОБ.
--------------------------------------------------------------------------
3. Схема ОЭ-ОЭ-ОК, с отрицательной обратной связью (ООС).
------------------------------------------------------------------
4. Схема ОЭ-ОЭ-ОК, с отрицательной обратной связью (ООС).
--------------------------------------------------------------------------------------
5. Схема ОЭ-ОЭ-ОК, с отрицательной обратной связью (ООС).
----------------------------------------------------------------------
6. Схема ОЭ-ОБ-ОК.
----------------------------------------------------------------------
7. Схема ОК-ОБ-ОК.
----------------------------------------------------------------------
8. Схема ОЭ-ОЭ-ОЭ.
----------------------------------------------------------------------
9. Схема ОЭ-ОК-ОЭ-ОК, с отрицательной обратной связью (ООС).
----------------------------------------------------------------------
10. Схема ОЭ-ОЭ-ОБ-ОК, с отрицательной обратной связью (ООС).
=================================================
Итак, вот сводная таблица для удобства сравнения:
Какие из этих экспериментов следуют выводы? Выводы вполне ожидаемые с точки зрения теории:
- Схема ОК на выходе усилителя позволяет увеличить верхнюю границу АЧХ усилителя (когда нагрузка имеет заметную емкостную составляющую).
- Чем выше частота Fт транзисторов, тем выше верхняя граница АЧХ усилителя.
- Чем меньше емкости Скб, Сэб транзисторов, тем выше верхняя граница АЧХ.
- Чем меньше емкость нагрузки и емкость монтажа, тем выше верхняя граница АЧХ усилителя.
- Заметно расширить верхнюю границу полосы АЧХ позволяет введение многокаскадных схем с ООС и RC коррекция АЧХ.
- Чем больше усиление при широкой полосе пропускания, тем более склонен усилитель к самовозбуждению, тем жестче требования к монтажу, экранировке, развязке по питанию.
Что сильнее всего влияет на верхнюю границу полосы пропускания? В основном это два фактора.
1. Граничная частота усиления транзистора Fт. Это частота на которой коэффициент усиления тока транзистора падает до 1. Грубо оценить частоту на которой усиление каскада начинает уменьшаться ( в усилителе без ООС) можно по формуле Fв= Fт / h21. Здесь h21 статический коэффициент передачи тока транзистора. Например, если h21=100, и Fт=3000 МГц, то Fв~30 МГц.
В схемах с ООС полоса может быть значительно шире, но Ку при этом будет меньше. Вот пример для ОУ, ширина полосы и усиление будет зависеть от глубины ООС. Кривая для коэффициента усиления тока транзистора аналогична, и каскад усиления на транзисторе будет так же как и ОУ иметь усиление и полосу, в зависимости от глубины ООС. Так, если один каскад на транзисторе без ООС имеет усиление 40 дБ при полосе 40 МГц, то два каскада с ООС и усилением по 20 дБ будут иметь то же усиление 40 дБ, но полоса может быть до 400 МГц (потенциально, поскольку на полосу влияют и другие факторы).
2. Паразитные емкости, для обеспечения перезаряда которых, для более крутых фронтов на высоких частотах требуется больший ток, а он ограничен. Это емкость нагрузки, емкость монтажа, емкости транзистора Скб, Сэб. Емкость Сбк в схеме ОЭ образует на высоких частотах ООС между базой и коллектором. Получается что к коллектору как бы подключена виртуальная емкость h21 * Сбк, т.е. при h21=100 и Сбк=3 пФ эта виртуальная емкость в коллекторе составит 300пФ. Фактически несколько меньше, ~ 50-150пФ, т.к. Сэб и Скб образуют делитель, уменьшающий глубину емкостной ООС.
P.S.
Как определить емкость конденсаторов коррекции АЧХ? Это несложно. Необходим генератор прямоугольных импульсов и осциллограф.
Для примера возьмем схему усилителя 10 на транзисторах КТ315.
Вот как влияет величина емкости Сбл:
Первая осциллограмма при Сбл=0.1 мкФ, вторая при Сбл=1 мкФ. Видно что неискаженный прямоугольный импульс при Сбл=1 мкФ. А при Сбл=0.1 мкФ импульс искажен, емкость недостаточна. В данном примере емкости на входе и выходе усилителя не влияют на форму импульса, они выбраны с достаточным запасом по величине.
Теперь рассмотрим как влияет величина емкости Сэ на форму импульса и АЧХ.
Эта осциллограмма показывает импульс при Сэ=0 на высокой частоте, в то время предыдущая осциллограмма на низкой частоте. Видно что из-за недостаточной ширины АЧХ усилителя импульс превратился в треугольник с меньшей амплитудой. Но добавив емкость Сэ можно увеличить усиление на высоких частотах и ослабить ООС, тем самым расширяя ширину АЧХ. Вот осциллограммы с введенной коррекцией АЧХ:
Первая осциллограмма показывает импульс при оптимальной величине Сэ=430 пФ, при этом фронты импульса заметно уменьшились. И в то же время отсутствуют выбросы на фронтах и колебания как во второй осциллограмме. Отсутствие выбросов на фронтах означает монотонность и отсутствие подъемов АЧХ вблизи верхней границы. Вторая осциллограмма демонстрирует перекоррекцию, т.е. емкость конденсатора Сэ=560 пФ больше оптимальной. Для сравнения - вот спад импульса без коррекции, при оптимальной коррекции, и при перекоррекции: