Проектирование, расчет и анализ гибридного трехкаскадного усилителя переменного напряжения на полевых и биполярных транзисторах

В мире современной электроники, где сигналы становятся всё слабее, а требования к их обработке – всё более жёсткими, роль усилительных устройств невозможно переоценить. От медицинских приборов, регистрирующих биопотенциалы, до сложнейших телекоммуникационных систем, обрабатывающих высокочастотные данные – везде требуется надёжное, точное и эффективное усиление. В этом контексте понимание принципов проектирования многокаскадных усилителей, способных работать с переменными напряжениями, становится краеугольным камнем для любого специалиста в области электроники. Эта курсовая работа призвана не просто изложить теоретические основы, но и предоставить студенту технического или инженерного вуза исчерпывающее руководство по созданию и анализу гибридного трёхкаскадного усилителя переменного напряжения с использованием полевых и биполярных транзисторов.

Целями данной работы являются:

1. Глубокое освоение фундаментальных принципов усиления электрических сигналов и основных характеристик различных усилительных каскадов.
2. Разработка и анализ методик расчёта статических режимов работы и частотных характеристик каскадов на полевых и биполярных транзисторах.
3. Формирование понимания принципов построения многокаскадных усилителей и обоснование выбора оптимальной комбинации транзисторных каскадов.
4. Проведение всестороннего частотного и шумового анализа разработанного трёхкаскадного усилителя.

Задачами работы являются:

• Систематизация знаний о работе биполярных и полевых транзисторов в различных схемах включения.
• Освоение методологии расчёта и выбора компонентов для обеспечения заданных параметров усилителя.
• Приобретение навыков анализа частотных и шумовых характеристик многокаскадных систем.

Практическая значимость материала заключается в предоставлении студенту готовой методологической базы для выполнения академической работы, которая позволит не только успешно справиться с поставленной задачей, но и заложить прочный фундамент для дальнейшего изучения и проектирования более сложных электронных схем.

Теоретические основы усиления электрических сигналов

На первый взгляд идея увеличения мощности или напряжения сигнала может показаться простой. Однако за этим процессом стоит сложный, но элегантный механизм преобразования энергии, который является краеугольным камнем всей электроники. Чтобы понять, как работает многокаскадный усилитель, необходимо сначала разобраться в его фундаментальных составляющих и принципах.

Понятие усилителя и принцип усиления

Усилитель – это не просто "магическая коробка", которая делает сигнал громче или сильнее. Это тщательно спроектированное электронное устройство, основное предназначение которого – увеличение мощности, напряжения или тока электрического сигнала, подведённого к его входу, без существенного искажения формы этого сигнала. Суть усиления заключается в использовании внешней энергии. Мощность на выходе усилителя всегда больше мощности на входе, и эта избыточная энергия черпается из источника постоянного напряжения, или, как его ещё называют, источника питания.

Представьте себе воду, текущую по трубе. Если мы хотим увеличить напор, мы не просто расширяем трубу, мы подключаем насос. В электронике роль такого "насоса" выполняет активный элемент, чаще всего – транзистор. Принцип усиления основан на том, что этот активный элемент (например, транзистор) способен изменять своё внутреннее сопротивление под воздействием слабого входного сигнала. Малое изменение входного напряжения или тока вызывает гораздо большее изменение тока, протекающего от источника питания через транзистор и нагрузку. Таким образом, слабый входной сигнал управляет значительным потоком энергии от источника питания, преобразуя её в энергию выходного сигнала.

Это фундаментальное преобразование подчиняется строгому энергетическому балансу: P_вх < P_вых < P₀, где P_вх – мощность входного сигнала, P_вых – мощность выходного сигнала, а P₀ – мощность, отбираемая от источника питания. Из этого соотношения очевидно, что усилитель не создаёт энергию, а лишь преобразует её, управляя большим потоком энергии с помощью малого. Простейшим воплощением этой идеи является усилительный каскад, состоящий из управляемого элемента (транзистора), нескольких резисторов для задания режима работы и источника питания.

Активные элементы, такие как транзисторы или интегральные микросхемы, уникальны тем, что они способны изменять электропроводность между своими выходными электродами под воздействием управляющего сигнала на входных электродах. В то же время пассивные элементы – резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности – играют вспомогательную, но не менее важную роль. Они формируют необходимый размах колебаний, обеспечивают требуемые фазовые сдвиги и другие параметры усиления, стабилизируют режимы работы и осуществляют частотную коррекцию.

Основные параметры и характеристики усилителей

Чтобы оценить эффективность и качество работы усилителя, инженеры используют набор ключевых параметров и характеристик. Эти показатели позволяют объективно сравнить различные устройства и убедиться, что они соответствуют заданным требованиям.

Одним из важнейших параметров является коэффициент усиления (K) – мера увеличения сигнала. Он определяется как отношение выходного сигнала к входному, при условии, что эти сигналы однородны. В зависимости от типа усиливаемой величины различают:

• Коэффициент усиления по току (K_i): K_i = I_вых/I_вх. Он показывает, во сколько раз увеличился ток.
• Коэффициент усиления по напряжению (K_u): K_u = U_вых/U_вх. Показывает, во сколько раз увеличилось напряжение.
• Коэффициент усиления по мощности (K_p): K_p = P_вых/P_вх. Этот параметр отражает общее увеличение мощности.

Зачастую, особенно в многокаскадных системах, коэффициенты усиления могут принимать очень большие или очень малые значения, что неудобно для логарифмических шкал. Поэтому их часто выражают в децибелах (дБ). Это логарифмическая единица, которая упрощает расчёты и делает диапазон значений более управляемым. Пересчёт в децибелы осуществляется по формулам:

• K_u (дБ) = 20lg(U_вых/U_вх)
• K_i (дБ) = 20lg(I_вых/I_вх)
• K_p (дБ) = 10lg(P_вых/P_вх)

Важно отметить, что большинство параметров усилителей, включая коэффициент усиления, а также входное и выходное сопротивление, определяются в режиме малого сигнала. Это означает, что входной сигнал достаточно мал, чтобы транзисторы работали на линейных участках своих характеристик, минимизируя нелинейные искажения.

Помимо усиления, критически важны и другие параметры:

• Выходное напряжение или мощность: максимальное значение сигнала, которое усилитель может выдать на нагрузку без существенных искажений.
• Допустимые искажения: мера того, насколько форма выходного сигнала отличается от формы входного. Искажения могут быть линейными (частотные, фазовые) и нелинейными (гармонические, интермодуляционные).
• Частотная, фазовая и амплитудная характеристики: графические зависимости коэффициента усиления от частоты (АЧХ), фазового сдвига от частоты (ФЧХ) и коэффициента усиления от амплитуды входного сигнала (АХ).
• Динамический диапазон частот: диапазон входных сигналов (от U_{вх min} до U_{вх max}), при котором усилитель сохраняет линейность и обеспечивает заданное качество усиления.
• КПД (коэффициент полезного действия): отношение выходной мощности к мощности, потребляемой от источника питания.
• Уровень собственных шумов: внутренняя помеха, генерируемая самим усилителем, которая ограничивает минимальный усиливаемый сигнал.

Чувствительность усилителя – это минимальный входной ток или напряжение, при котором на выходе достигается номинальная мощность при допустимом уровне искажений. Высокая чувствительность позволяет работать со сверхслабыми сигналами. Амплитудная характеристика (АХ) усилителя представляет собой зависимость K_U = f(U_вх) при постоянной частоте. Она показывает, насколько линейно усилитель реагирует на изменение амплитуды входного сигнала. Идеальный усилитель имеет линейную АХ в своём рабочем диапазоне, но в реальности всегда есть нелинейности при очень малых и очень больших сигналах.

Классификация усилителей

Многообразие задач, решаемых усилительными устройствами, привело к их обширной классификации по различным признакам, что позволяет инженерам выбирать наиболее подходящую архитектуру для конкретного применения.

1. По виду усиливаемого сигнала:
   • Усилители постоянного тока (УПТ): Эти устройства способны усиливать сигналы, изменяющиеся очень медленно, вплоть до 0 Гц. Они усиливают как переменные, так и постоянную составляющую входного сигнала и часто используются в измерительной технике, автоматике и медицинских приборах, где важна передача медленно меняющихся процессов.
   • Усилители низкой частоты (УНЧ): Предназначены для усиления сигналов в диапазоне звуковых частот, обычно от 20 Гц до 20 кГц. Это наиболее распространённый тип усилителей, используемый в аудиоаппаратуре, системах связи и прочих применениях, где важна передача акустических сигналов.
   • Усилители высокой частоты (УВЧ) и сверхвысокой частоты (УСВЧ): Работают с сигналами в радиочастотном и микроволновом диапазонах.
2. По виду усиливаемой величины:
   • Усилители напряжения: Основная задача – увеличить амплитуду входного напряжения. Характеризуются высоким входным и относительно высоким выходным сопротивлением.
   • Усилители тока: Увеличивают входной ток. Имеют низкое входное и высокое выходное сопротивление.
   • Усилители мощности: Главная цель – обеспечить максимальную мощность на нагрузке. Часто имеют низкое выходное сопротивление для согласования с нагрузкой (например, громкоговорителем).
3. По элементной базе:
   • Ламповые усилители: Исторически первые, до сих пор ценятся в аудиофильной среде за специфическое "тёплое" звучание.
   • Биполярные транзисторные усилители (БТ): Наиболее распространённые, обладают хорошими характеристиками усиления по току и напряжению.
   • Полевые транзисторные усилители (ПТ): Отличаются очень высоким входным сопротивлением, что делает их идеальными для работы с высокоомными источниками сигнала.
   • Усилители на интегральных микросхемах (ИМС): Современное решение, предлагающее высокую интеграцию, компактность и повторяемость характеристик.
4. По способу соединения каскадов (межкаскадной связи):
   • Гальваническая (непосредственная): Каскады соединены напрямую, без разделительных конденсаторов, что позволяет усиливать постоянную составляющую сигнала, но требует тщательной стабилизации режимов.
   • Емкостная (RC-связь): Каскады соединяются через разделительные конденсаторы, которые блокируют постоянную составляющую, но пропускают переменный сигнал. Это самый распространённый тип связи для УНЧ.
   • Трансформаторная: Использует трансформаторы для согласования импедансов и гальванической развязки. Применяется реже из-за габаритов и стоимости.
   • С помощью частотно-зависимых цепей: Специализированные связи для определённых частотных диапазонов.
   • Оптронная: Применяется, когда требуется полная гальваническая развязка и высокая помехозащищённость.

Каждая из этих классификаций помогает инженеру выбрать оптимальный подход к проектированию, чтобы максимально эффективно решить поставленную задачу, будь то усиление аудиосигнала или высокочастотного импульса.

Режимы работы транзисторов и стабилизация рабочей точки

Сердцем любого усилительного каскада является транзистор, а его "здоровье" и эффективность напрямую зависят от того, в каком режиме он работает. Выбор и стабилизация рабочей точки – это ключевые аспекты, определяющие коэффициент усиления, уровень искажений и КПД всего усилителя.

Статические режимы работы транзисторов

Статический режим работы транзистора, также известный как режим по постоянному току или режим покоя, определяется положением рабочей точки (РТ) на статических вольт-амперных характеристиках при отсутствии входного переменного сигнала. Эта точка задаёт постоянные напряжения на электродах и постоянные токи через транзистор. От выбора рабочей точки критически зависит способность транзистора эффективно усиливать переменный сигнал, а также уровень нелинейных искажений.

Выделяют три основных статических режима работы транзистора, характерных как для биполярных, так и для полевых приборов:

1. Активный режим (или режим усиления): Это основной режим для работы транзистора в качестве усилительного элемента. В этом режиме один p-n переход транзистора (например, база-эмиттер в БТ или затвор-исток в ПТ) смещён в прямом направлении, а другой (коллектор-база в БТ или сток-затвор в ПТ) – в обратном. Ток свободно протекает через транзистор, и он оптимально реагирует на изменения входного сигнала, обеспечивая максимальное усиление. Рабочая точка обычно выбирается в середине линейного участка передаточной характеристики, чтобы обеспечить симметричное усиление положительной и отрицательной полуволн входного сигнала без срезов.
2. Режим насыщения: В этом режиме оба p-n перехода биполярного транзистора (или канал полевого транзистора) смещены в прямом направлении. Транзистор полностью открыт, и его сопротивление между выходными электродами (коллектор-эмиттер или сток-исток) минимально. Ток через транзистор достигает максимально возможного значения, ограниченного внешним сопротивлением цепи. Напряжение на выходных электродах стабилизируется (например, U_КЭ становится очень малым), и транзистор перестаёт эффективно реагировать на изменения входного сигнала. Этот режим оптимален для работы транзистора как ключа (включенное состояние) или для ограничения сигнала сверху.
3. Режим отсечки (или режим запирания): В этом режиме оба p-n перехода биполярного транзистора (или канал полевого транзистора) смещены в обратном направлении. Транзистор полностью закрыт, и ток через него практически не протекает (за исключением очень малых токов утечки). Сопротивление между выходными электродами максимально. Этот режим также оптимален для работы транзистора как ключа (выключенное состояние) или для ограничения сигнала снизу.

Выбор рабочей точки в активном режиме – это компромисс между максимальным усилением, минимальными искажениями и эффективностью. Для получения симметричного сигнала без срезов (клиппинга) на выходе, постоянное напряжение на коллекторе/эмиттере (или стоке/истоке) должно составлять примерно половину напряжения питания. Это позволяет переменному сигналу "разворачиваться" как вверх, так и вниз относительно рабочей точки, не упираясь в режимы насыщения или отсечки.

Классы усиления (А, В, АВ, С, D)

Классификация усилителей по классам работы отражает, какую часть периода входного сигнала транзистор находится в активном состоянии (то есть, через него протекает ток), и это напрямую влияет на КПД и уровень нелинейных искажений. Положение рабочей точки на статических характеристиках прибора является ключевым критерием для определения класса.

• Класс А: Рабочая точка выбирается в середине линейного участка статической характеристики. Это означает, что транзистор находится в активном режиме весь период (360°) входного сигнала.
  • Преимущества: Очень низкие нелинейные искажения, высокая линейность.
  • Недостатки: Низкий КПД (теоретически до 25% для резистивной нагрузки, до 50% для индуктивной), поскольку транзистор потребляет энергию даже при отсутствии входного сигнала. Большое тепловыделение.
  • Применение: Высококачественные предварительные усилители, маломощные выходные каскады, где критична линейность.
• Класс В: Рабочая точка выбирается в начале линейного участка статической характеристики, то есть на пороге отсечки. Транзистор находится в активном режиме только половину периода (180°) входного сигнала. Для усиления полного сигнала обычно используются двухтактные схемы, где один транзистор усиливает положительную полуволну, а другой – отрицательную.
  • Преимущества: Высокий КПД (теоретически до 78%).
  • Недостатки: Высокие нелинейные искажения, особенно "ступенька" или "переходные искажения" в области перехода сигнала через ноль, где один транзистор выключается, а другой включается.
  • Применение: Мощные выходные каскады усилителей звука, радиопередатчики, где КПД важнее, чем идеальная линейность без коррекции.
• Класс АВ: Это компромисс между классами А и В, наиболее распространённый для аналоговых усилителей. Рабочая точка выбирается чуть выше начала линейного участка, обеспечивая небольшой ток покоя. Каждый транзистор проводит ток немного больше половины периода (от 180° до 360°).
  • Преимущества: Значительно снижает нелинейные искажения типа "ступенька" по сравнению с классом В, при этом сохраняет более высокий КПД (обычно 50-70%) по сравнению с классом А. Для усилителей мощностью 100 Вт ток смещения может составлять порядка 50 мА, что обеспечивает плавный переход.
  • Недостатки: КПД ниже, чем у класса В, всё ещё присутствуют некоторые нелинейные искажения, хотя и значительно меньше, чем в классе В.
  • Применение: Подавляющее большинство высококачественных аудиоусилителей мощности.
• Класс С: Рабочая точка выбирается ниже начала линейного участка статической характеристики. Транзистор проводит ток менее половины периода (менее 180°).
  • Преимущества: Очень высокий КПД (до 90%).
  • Недостатки: Очень высокие нелинейные искажения, поскольку выходной сигнал сильно отличается от входного.
  • Применение: В основном для усиления частотно-модулированных (ЧМ) сигналов или импульсных сигналов, где амплитудные искажения не критичны, а важна высокая эффективность (например, в радиопередатчиках).
• Класс D: Принципиально отличается от предыдущих, так как является ключевым режимом работы. Транзистор находится либо полностью заперт, либо полностью открыт (насыщение). Входной аналоговый сигнал преобразуется в ШИМ-сигнал (широтно-импульсная модуляция), который управляет транзисторами.
  • Преимущества: Теоретический КПД близок к 100%. Реальные усилители класса D достигают 90-95%, при этом КПД мало зависит от выходной мощности. Очень низкое тепловыделение, что позволяет уменьшить размеры радиаторов.
  • Недостатки: Требуется сложная схема управления (ШИМ-модулятор), а также выходной фильтр для восстановления аналогового сигнала, что может вносить свои искажения. Нелинейные искажения могут возникать из-за нелинейности генератора, выходного фильтра или "мёртвого времени" переключения.
  • Применение: Компактные и мощные аудиоусилители, портативная техника, автомобильные аудиосистемы, импульсные источники питания.

Температурный дрейф и методы термостабилизации

Одной из самых серьёзных проблем в проектировании усилителей, особенно на биполярных транзисторах, является температурная зависимость параметров полупроводниковых приборов. Это явление, известное как температурный дрейф, может привести к нестабильности рабочей точки, искажениям сигнала и даже выходу транзистора из строя.

Причины температурного дрейфа:

• Биполярные транзисторы (БТ): При повышении температуры увеличивается обратный ток коллектора I_КБ0, возрастает статический коэффициент усиления по току β, и уменьшается напряжение база-эмиттер U_БЭ (примерно на 2,2 мВ/°С для кремниевых транзисторов). Эти изменения приводят к значительному увеличению коллекторного тока. Например, ток коллектора может удваиваться при увеличении температуры всего на каждые 10°С. Это вызывает дополнительный нагрев транзистора (тепловой пробой), что, в свою очередь, ещё больше увеличивает ток – возникает эффект саморазогрева, способный разрушить прибор.
• Полевые транзисторы (ПТ): Полевые транзисторы, будучи униполярными устройствами, работающими на основных носителях заряда, обладают лучшей термоустойчивостью по сравнению с БТ. Изменение температуры влияет на подвижность носителей и удельное сопротивление канала. Однако в ПТ существует так называемая термостабильная точка (ТСТ), в которой ток стока остаётся практически постоянным в широком диапазоне температур. Это происходит благодаря взаимной компенсации температурных изменений контактной разности потенциалов и удельного сопротивления канала. Правильный выбор рабочей точки вблизи ТСТ существенно снижает риск температурного дрейфа для ПТ.

Для обеспечения стабильной работы усилителя и предотвращения выхода транзисторов из строя необходимо применять методы термостабилизации рабочей точки.

1. Резистор в цепи эмиттера (для БТ) или истока (для ПТ) с шунтирующим конденсатором:
   • Это один из простейших и эффективных методов. Резистор R_Э (или R_И) вводится в цепь эмиттера (истока). При увеличении коллекторного (стокового) тока, вызванного повышением температуры, падение напряжения на R_Э (R_И) увеличивается. Это приводит к уменьшению напряжения U_БЭ (U_ЗИ), что, в свою очередь, снижает базовый (затворный) ток и, как следствие, коллекторный (стоковый) ток. Таким образом, создаётся отрицательная обратная связь по постоянному току, которая стабилизирует рабочую точку.
   • Для переменного тока резистор R_Э (R_И) шунтируется конденсатором (C_Э или C_И) достаточной ёмкости, чтобы не вносить отрицательную обратную связь по переменному току, которая снизила бы коэффициент усиления.
2. Диодная компенсация (для БТ):
   • Используется диод (или несколько диодов), включённый в цепь смещения базы транзистора. Диод должен иметь те же температурные характеристики, что и p-n переход база-эмиттер транзистора. При увеличении температуры падение напряжения на диоде уменьшается (так же, как U_БЭ). Если диод термически связан с транзистором (например, находится с ним на одном радиаторе), изменение напряжения на диоде будет компенсировать изменение U_БЭ, стабилизируя базовый ток и, соответственно, коллекторный.
3. Коллекторная стабилизация (для БТ):
   • Реализуется путём включения резистора обратной связи (R_ОС) между коллектором и базой транзистора. При повышении температуры коллекторный ток увеличивается, что приводит к увеличению падения напряжения на коллекторном резисторе (R_К) и, следовательно, к уменьшению напряжения на коллекторе (U_К). Это понижение U_К через резистор R_ОС приводит к уменьшению базового тока, что компенсирует первоначальное увеличение коллекторного тока. Это также является формой отрицательной обратной связи по постоянному току, обеспечивающей стабилизацию рабочей точки.

Эффективная термостабилизация является обязательным условием для надёжной и долгосрочной работы любого усилителя, особенно при значительных изменениях температуры окружающей среды или нагрузке.

Схемы усилительных каскадов на биполярных транзисторах

Биполярные транзисторы (БТ) являются основой аналоговой схемотехники уже много десятилетий. Их способность к значительному усилению тока и напряжения делает их незаменимыми в самых разнообразных приложениях. Существует три основные схемы включения биполярных транзисторов, каждая из которых обладает уникальными характеристиками и сферой применения: с общим эмиттером (ОЭ), с общей базой (ОБ) и с общим коллектором (ОК). Для целей нашего трёхкаскадного усилителя наиболее интересны схемы с общим эмиттером и общим коллектором.

Каскад с общим эмиттером (ОЭ)

Каскад с общим эмиттером (ОЭ) – это, пожалуй, наиболее распространённая и универсальная схема включения биполярного транзистора. Она получила своё название потому, что эмиттер является общим электродом как для входной цепи (база-эмиттер), так и для выходной (коллектор-эмиттер).

Принцип работы:
Входной сигнал подаётся на базу транзистора, вызывая изменение базового тока (I_Б). Поскольку биполярный транзистор является прибором, управляемым током (или напряжением база-эмиттер), даже небольшие изменения I_Б приводят к значительно большим изменениям коллекторного тока (I_К). Эти изменения I_К, протекая через нагрузочный резистор в цепи коллектора, вызывают большое падение напряжения, что и приводит к усилению напряжения.
Важной особенностью схемы ОЭ является инверсия фазы входного сигнала: если входное напряжение на базе увеличивается, коллекторный ток растёт, падение напряжения на R_К увеличивается, и напряжение на коллекторе (выходное) уменьшается. И наоборот.

Характеристики:

• Высокое усиление по напряжению (K_u): Типичные значения K_u могут составлять десятки-сотни. Это делает каскад ОЭ идеальным для промежуточных каскадов, где требуется значительное усиление.
• Высокое усиление по току (K_i): K_i также составляет десятки-сотни, приближаясь к статическому коэффициенту усиления по току β (I_К/I_Б). Однако реальный коэффициент усиления по току всегда меньше β из-за включения нагрузки.
• Входное сопротивление (R_вх): Среднее, обычно в диапазоне единиц-десятков кОм.
• Выходное сопротивление (R_вых): Среднее, также в диапазоне единиц-десятков кОм.
• Усиление по мощности: Схема ОЭ обеспечивает наибольшее усиление по мощности среди всех трёх схем включения.

Методика выбора рабочей точки:
Для линейного усиления сигнала без искажений (срезов) рабочая точка должна находиться на линейном участке вольт-амперной характеристики транзистора. Идеально, если она расположена в центре этого участка. Для этого напряжение на коллекторе относительно эмиттера (U_КЭ) при отсутствии сигнала должно составлять примерно половину напряжения питания (U_пит/2). Это позволяет переменному сигналу симметрично "разворачиваться" как вверх, так и вниз, не упираясь в режимы насыщения или отсечки. Статический коэффициент усиления по току β, определяемый в режиме без нагрузки, является важным параметром для расчёта базового тока, необходимого для установки нужного коллекторного тока. Всегда справедливо фундаментальное уравнение, связывающее токи электродов транзистора: I_Э = I_К + I_Б.

ВАХ характеристики:

• Выходная характеристика (коллекторная): I_К = f(U_КЭ) при I_Б = const. Показывает зависимость коллекторного тока от напряжения коллектор-эмиттер при различных значениях базового тока.
• Входная характеристика: I_Б = f(U_БЭ). Показывает зависимость базового тока от напряжения база-эмиттер.
• Передаточные характеристики: I_К = f(I_Б) или I_К = f(U_БЭ). Отражают зависимость выходного тока от входного тока или напряжения.

Каскад с общим коллектором (ОК) – эмиттерный повторитель

Каскад с общим коллектором (ОК), более известный как эмиттерный повторитель, радикально отличается от схемы ОЭ по своим функциям и характеристикам. Здесь коллектор является общим электродом, входной сигнал подаётся на базу, а выходной снимается с эмиттера.

Принцип работы:
Основная идея эмиттерного повторителя заключается в глубокой отрицательной обратной связи по напряжению. При увеличении входного напряжения на базе, напряжение на эмиттере также увеличивается. Поскольку напряжение на эмиттере U_Э = U_Б — U_БЭ, и напряжение U_БЭ для кремниевых транзисторов остаётся почти постоянным (≈ 0.6-0.7 В) в активном режиме, выходное напряжение на эмиттере практически "повторяет" входное напряжение на базе, но со сдвигом на U_БЭ. Отсюда и название – "повторитель". Важно, что сигнал не инвертируется; фазы входного и выходного сигналов совпадают.

Характеристики:

• Коэффициент усиления по напряжению (K_u): Всегда меньше единицы, обычно в диапазоне 0.95-0.99. Это означает, что эмиттерный повторитель не усиливает напряжение, а наоборот, немного его ослабляет.
• Коэффициент усиления по току (K_i): Очень высокий. Ток в нагрузке (I_Э) больше тока источника сигнала (I_Б) примерно в (β + 1) раз. При типичных значениях β от 50 до 300, усиление тока может достигать 51-301 раза. Это означает значительное усиление мощности.
• Входное сопротивление (R_вх): Очень высокое (от нескольких кОм до МОм). Это ключевое свойство, позволяющее ему работать с высокоомными источниками сигнала, не шунтируя их.
• Выходное сопротивление (R_вых): Очень низкое (десятки-сотни Ом). Это основное назначение эмиттерного повторителя – согласование импедансов. Он преобразует высокое сопротивление источника в низкое сопротивление для нагрузки.

Основное назначение:
Согласование импедансов – подключение высокоомного источника сигнала к низкоомной нагрузке без потерь напряжения и без значительного нагружения источника. Например, эмиттерный повторитель идеально подходит для буферизации сигнала перед подачей его на длинный кабель или низкоомный вход другого устройства. Низкие нелинейные искажения сигнала, благодаря глубокой отрицательной обратной связи, также являются важным преимуществом.

Составной транзистор (схема Дарлингтона)

Когда требуется ещё более значительное усиление тока и/или более высокое входное сопротивление, на помощь приходит схема Дарлингтона, или составной транзистор. Это конфигурация, в которой два биполярных транзистора соединены таким образом, что эмиттер первого транзистора (Q₁) подключается к базе второго транзистора (Q₂), а их коллекторы соединены вместе.

Принцип работы:
Базовый ток второго транзистора (I_Б2) является эмиттерным током первого транзистора (I_Э1). В свою очередь, коллекторный ток первого транзистора (I_К1) также является базовым током для Q₂.
Эмиттерный ток первого транзистора усиливается в (β₁+1) раз, становясь базовым током для второго транзистора. Второй транзистор, в свою очередь, усиливает этот ток в (β₂+1) раз. В итоге, общий коэффициент усиления по току пары Дарлингтона приблизительно равен произведению коэффициентов усиления отдельных транзисторов:

βДарлингтона ≈ β1 ⋅ β2

Характеристики и преимущества:

• Чрезвычайно высокое усиление по току: Коэффициент усиления может достигать 750-1000 для мощных интегрированных пар и до 50 000 для маломощных транзисторов. Это позволяет управлять большими токами нагрузки с помощью очень малого входного тока.
• Очень высокое входное сопротивление: Пара Дарлингтона, включённая как эмиттерный повторитель, обеспечивает значительно большее входное сопротивление, чем одиночный транзистор. Это делает её идеальной для работы с высокоомными источниками сигнала.
• Очень низкое выходное сопротивление: Благодаря высокому усилению тока и глубокой ООС, выходное сопротивление схемы Дарлингтона в эмиттерном повторителе становится ещё ниже, чем у обычного эмиттерного повторителя.
• Недостатки: Несколько большее падение напряжения на переходе база-эмиттер (U_БЭ ≈ 2 ⋅ U_{БЭ_одиночного}, то есть около 1.2-1.4 В для кремниевых транзисторов), что увеличивает минимальное напряжение, необходимое для открытия. Также увеличивается время переключения, что ограничивает применение на очень высоких частотах.
• Напряжение пробоя: Напряжение пробоя перехода база-эмиттер для кремниевых транзисторов невелико (часто всего 6 В), что требует осторожности при проектировании.

Применение:
Схемы Дарлингтона широко используются в выходных каскадах усилителей мощности, схемах управления реле и двигателями, регуляторах напряжения и в любых приложениях, где требуется высокое усиление тока и/или буферизация высокоомных источников сигнала.

Схемы усилительных каскадов на полевых транзисторах

Полевые транзисторы (ПТ) представляют собой другой класс полупроводниковых устройств, которые, в отличие от биполярных, управляются не током, а электромагнитным полем. Это униполярные приборы, работающие за счёт движения основных носителей заряда (электронов или дырок) в канале, ширина которого регулируется напряжением на затворе. Они имеют три электрода: исток (аналог эмиттера), сток (аналог коллектора) и затвор (аналог базы). Три основные схемы включения ПТ – с общим истоком (ОИ), с общим затвором (ОЗ) и с общим стоком (ОС). Для нашего гибридного усилителя наибольший интерес представляют схемы ОИ и ОС.

Каскад с общим истоком (ОИ)

Каскад с общим истоком (ОИ) является прямым аналогом каскада с общим эмиттером на биполярных транзисторах и наиболее широко применяется для усиления напряжения. Здесь исток является общим электродом для входной (затвор-исток) и выходной (сток-исток) цепей, входной сигнал подаётся на затвор, а выходной снимается со стока.

Принцип работы:
Входное напряжение на затворе (U_ЗИ) управляет шириной канала между истоком и стоком, тем самым регулируя ток стока (I_С), протекающий от источника питания через канал транзистора и нагрузочный резистор в цепи стока. Малые изменения U_ЗИ приводят к значительным изменениям I_С. Эти изменения I_С, проходя через стоковый резистор R_С, создают большое падение напряжения, что и обусловливает усиление напряжения.
Как и в схеме ОЭ, каскад ОИ обеспечивает инверсию фазы входного сигнала: увеличение напряжения на затворе (делая его менее отрицательным для JFET или более положительным для n-канальных MOSFET) приводит к увеличению тока стока, увеличению падения напряжения на R_С и, соответственно, к уменьшению напряжения на стоке.

Характеристики:

• Очень высокое входное сопротивление: Это ключевое преимущество ПТ. Отсутствие тока затвора (или крайне малый ток) позволяет достигать входных импедансов порядка 10⁷-10¹² Ом (10 МОм — 1 ТОм) для JFET и даже 10¹²-10¹⁴ Ом (1 ТОм — 100 ТОм) для MOSFET. Это делает каскад ОИ идеальным для работы с высокоомными источниками сигналов, например, датчиками или микрофонами, не нагружая их.
• Высокое выходное сопротивление: Обычно десятки-сотни кОм.
• Коэффициент усиления по напряжению (K_U): K_U > 1 и обычно выражается формулой: K_U = -S ⋅ R_С, где S – крутизна передаточной характеристики транзистора (измеряется в мА/В), а R_С – сопротивление стоковой нагрузки. При крутизне S ≈ 1-10 мА/В, коэффициент усиления может быть значительным.
• Инверсия сигнала: Фаза выходного сигнала противоположна фазе входного.
• Термостабильность: Полевые транзисторы выгодно отличаются от биполярных по термоустойчивости работы. Благодаря существованию термостабильной точки, в которой ток стока практически не зависит от температуры, ПТ меньше подвержены температурному дрейфу и саморазогреву.

Методика расчёта статического режима:
Расчёт статического режима (режима по постоянному току) для ПТ аналогичен подходу для БТ: необходимо выбрать рабочую точку на статических характеристиках (в области насыщения, где характеристики пологие), чтобы обеспечить линейное усиление. Для ПТ чаще используются передаточные вольт-амперные характеристики (I_С = f(U_ЗИ)), поскольку очень высокое входное сопротивление затвора делает нецелесообразным использование входных ВАХ для определения параметров цепи управления. Нагрузочная прямая строится на стоковых характеристиках (I_С = f(U_СИ)) для заданного сопротивления стока R_С.
Для обеспечения стабильной рабочей точки часто используется резистор в цепи истока (R_И), шунтируемый конденсатором C_И по переменному току. Этот конденсатор не влияет на положение точки покоя, но обеспечивает низкое сопротивление для переменного тока, предотвращая отрицательную обратную связь, которая снизила бы усиление.

Сравнение с ОЭ на БТ:
Параметры усилителя ОИ (K_U, R_Вх, R_Вых) схожи с параметрами усилителя ОЭ на БТ в том, что оба обеспечивают усиление напряжения и инверсию фазы. Однако усилители ОИ кардинально отличаются по входному сопротивлению (МΩ — ТΩ для ОИ против кОм для ОЭ) и по температурной стабильности, что делает ПТ предпочтительными для входных каскадов, требующих работы с высокоомными источниками.

Каскад с общим стоком (ОС) – истоковый повторитель

Каскад с общим стоком (ОС), широко известный как истоковый повторитель, является аналогом эмиттерного повторителя на биполярном транзисторе. Здесь сток является общим электродом, входной сигнал подаётся на затвор, а выходной снимается с истока.

Принцип работы:
Как и в эмиттерном повторителе, истоковый повторитель характеризуется глубокой отрицательной обратной связью. Изменение входного напряжения на затворе приводит к почти такому же изменению напряжения на истоке. Напряжение на истоке U_И = U_З — U_ЗИ. Поскольку U_ЗИ в активном режиме изменяется незначительно, выходное напряжение на истоке практически "повторяет" входное напряжение на затворе. Важно, что сигнал не инвертируется от входа к выходу.

Характеристики:

• Очень высокое входное сопротивление: За счёт того, что входной сигнал подаётся на затвор ПТ, входное сопротивление истокового повторителя определяется в основном сопротивлением затвора (R_З) и может достигать МΩ до ГΩ. Это позволяет работать с очень высокоомными источниками сигнала, сохраняя их параметры.
• Низкое выходное сопротивление: Подобно эмиттерному повторителю, истоковый повторитель преобразует высокое входное сопротивление в низкое выходное. Типичное выходное сопротивление составляет порядка 1/g_m (где g_m – крутизна), что может быть от нескольких десятков до нескольких сотен Ом при токах стока в несколько миллиампер.
• Коэффициент усиления по напряжению (K_U): Всегда меньше единицы (обычно 0.95-0.99). Истоковый повторитель не усиливает напряжение, его основная функция – буферизация и согласование импедансов.
• Отсутствие инверсии сигнала: Фазы входного и выходного сигналов совпадают.
• Низкие нелинейные искажения: Благодаря глубокой отрицательной обратной связи, истоковый повторитель демонстрирует незначительные нелинейные искажения.
• Высокое усиление по мощности: Несмотря на то, что усиление по напряжению меньше единицы, истоковый повторитель может обеспечить значительное усиление мощности за счёт преобразования импедансов и высокого коэффициента усиления по току.

Основное назначение:
Как и эмиттерный повторитель, истоковый повторитель используется для согласования импедансов – подключения высокоомных источников сигнала к низкоомным нагрузкам. Его сверхвысокое входное сопротивление делает его незаменимым в измерительной технике, в качестве входного каскада для осциллографов, вольтметров и других приборов, где важно минимально влиять на измеряемую цепь.

Методология построения гибридного трёхкаскадного усилителя

В большинстве практических приложений одного усилительного каскада недостаточно для достижения требуемого усиления, полосы пропускания или других специфических параметров. Именно поэтому инженеры прибегают к многокаскадным усилителям. Проектирование такого усилителя – это итеративный процесс, начинающийся с общих требований и заканчивающийся детальным расчётом каждого элемента. Наша цель – создать гибридный трёхкаскадный усилитель переменного напряжения, который будет сочетать преимущества полевых и биполярных транзисторов.

Обоснование выбора каскадов для гибридной схемы

Выбор конкретных схем включения транзисторов для каждого каскада в многокаскадном усилителе определяется необходимостью оптимизации общих характеристик системы. Гибридная схема, использующая как полевые, так и биполярные транзисторы, позволяет максимально эффективно использовать их уникальные свойства.

Почему именно такая комбинация?

1. Входной каскад: Полевой транзистор (ПТ) с общим истоком (ОИ).
   • Преимущества: Высочайшее входное сопротивление (порядка МΩ до ТΩ), которое является визитной карточкой ПТ. Это критически важно для входного каскада, так как позволяет подключать усилитель к высокоомным источникам сигнала (например, датчикам, пьезоэлементам, гитарным звукоснимателям) без их существенного нагружения. Высокое входное сопротивление минимизирует потери сигнала и обеспечивает максимальную передачу напряжения от источника. Кроме того, каскад ОИ обеспечивает значительное усиление по напряжению и инверсию фазы, что может быть полезно для общей характеристики. ПТ также более термостабильны, что важно для первого каскада, наиболее чувствительного к шумам и дрейфу.
   • Роль в схеме: Принимает слабый входной сигнал, обеспечивает буферизацию и первое усиление напряжения, минимизируя влияние входных цепей на источник сигнала.
2. Промежуточный каскад: Биполярный транзистор (БТ) с общим эмиттером (ОЭ).
   • Преимущества: Каскад ОЭ известен своим высоким коэффициентом усиления по напряжению и току. После первого каскада, который уже обеспечил высокое входное сопротивление, промежуточный каскад может сосредоточиться на дальнейшем увеличении амплитуды сигнала. БТ в схеме ОЭ обеспечивают хорошее усиление при относительно простом расчёте и реализации. Их меньшее входное сопротивление по сравнению с ПТ не является проблемой, так как он подключается к уже усиленному сигналу с низким выходным сопротивлением предыдущего ПТ-каскада.
   • Роль в схеме: Обеспечивает основное усиление напряжения и, при необходимости, дополнительное усиление по току, доводя сигнал до уровня, достаточного для управления выходным каскадом.
3. Выходной каскад: Биполярный транзистор (БТ) по схеме эмиттерного повторителя (ОК).
   • Преимущества: Основное назначение эмиттерного повторителя – согласование импедансов и усиление по току. Он имеет очень высокое входное сопротивление (по отношению к предыдущему каскаду) и очень низкое выходное сопротивление. Это позволяет эффективно передавать мощность в низкоомную нагрузку (например, 4-8 Ом динамик или входной каскад другого устройства) без значительного падения напряжения. Коэффициент усиления по напряжению у него чуть меньше единицы, но усиление по току очень велико. Схема не инвертирует фазу, что упрощает общий фазовый анализ. В случае необходимости большого усиления по току и ещё более низкого выходного сопротивления, здесь можно использовать схему Дарлингтона.
   • Роль в схеме: Обеспечивает необходимый ток для работы с нагрузкой, буферизует предыдущие каскады от её влияния и согласовывает выходное сопротивление усилителя с нагрузкой.

Такая гибридная архитектура позволяет сочетать лучшее из обоих миров: уникально высокое входное сопротивление ПТ для деликатной работы со слабыми источниками и высокую эффективность усиления БТ, особенно в выходных каскадах.

Принципы соединения каскадов и типы межкаскадных связей

После выбора отдельных каскадов, следующий шаг – их правильное соединение. Межкаскадные связи определяют, как сигналы передаются от одного каскада к другому, а также влияют на частотные характеристики усилителя.

Существуют различные типы связей:

1. Гальваническая (непосредственная) связь:
   • Принцип: Каскады соединены напрямую, без разделительных конденсаторов.
   • Преимущества: Позволяет усиливать сигналы постоянного тока (вплоть до 0 Гц), отсутствие частотных искажений на НЧ, простота схемы.
   • Недостатки: Требует очень точной стабилизации режимов по постоянному току, так как дрейф рабочей точки одного каскада напрямую влияет на следующий. Сложность в согласовании постоянных потенциалов между каскадами.
   • Применение: Усилители постоянного тока, интегральные микросхемы.
2. Емкостная (RC-связь):
   • Принцип: Каскады соединяются через разделительные конденсаторы.
   • Преимущества: Наиболее распространённый тип связи для усилителей переменного напряжения (УНЧ). Конденсаторы блокируют постоянную составляющую напряжения, предотвращая взаимное влияние статических режимов каскадов, но пропускают переменный сигнал. Упрощает расчёт режимов.
   • Недостатки: Разделительные конденсаторы вносят частотные искажения на низких частотах, ограничивая полосу пропускания снизу. Их ёмкость должна быть достаточно большой для пропускания самых низких рабочих частот.
   • Выбор для нашего усилителя: Для усилителя переменного напряжения RC-связь является оптимальным выбором. Она позволяет независимо рассчитывать статические режимы каждого каскада и легко реализовать заданную полосу пропускания.
3. Трансформаторная связь:
   • Принцип: Каскады соединяются через трансформаторы.
   • Преимущества: Обеспечивает гальваническую развязку, позволяет легко согласовывать импедансы (повышая или понижая напряжение/ток), может давать максимальное усиление мощности при высоком КПД (например, в усилителях класса B с трансформаторной связью КПД может достигать 78%).
   • Недостатки: Трансформаторы громоздки, дороги, обладают ограниченной полосой пропускания и вносят свои искажения.
   • Применение: В основном в мощных выходных каскадах радиопередатчиков, иногда в аудиоусилителях высокого класса.
4. Оптронная связь:
   • Принцип: Передача сигнала осуществляется через свет (светодиод-фотоприёмник).
   • Преимущества: Идеальная гальваническая развязка, высокая помехозащищённость.
   • Недостатки: Ограниченная скорость передачи, нелинейность, дополнительные потери.
   • Применение: В специальных случаях, где требуется полная электрическая изоляция (например, в медицинском оборудовании).

Распределение усиления и параметров по каскадам

Проектирование многокаскадного усилителя – это не просто соединение отдельных каскадов, а системный подход к распределению общих требований между ними.

1. Общий коэффициент усиления: Общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов: K = K₁ ⋅ K₂ ⋅ … ⋅ K_n. Если коэффициенты усиления выражены в децибелах, то общий коэффициент усиления равен сумме коэффициентов усиления каскадов: K_дБ = K_1дБ + K_2дБ + … + K_nдБ. Этот принцип упрощает расчёты. На практике, усиление часто распределяют так, чтобы первые каскады (наиболее чувствительные к шумам) имели умеренное усиление, а последующие – обеспечивали основное "наращивание" амплитуды.
2. Полоса пропускания: Суммарный фазовый сдвиг, вносимый усилителем, равен сумме фазовых сдвигов каждого каскада. Однако полоса пропускания многокаскадного усилителя сужается по сравнению с полосой пропускания отдельных каскадов. Если все каскады идентичны и не взаимодействуют, то верхняя граничная частота многокаскадного усилителя ω_В,N = ω_В,1 / √N, а нижняя граничная частота ω_Н,N = ω_Н,1 ⋅ √N. Это означает, что каждый каскад должен иметь более широкую полосу пропускания, чем общая требуемая полоса усилителя.
3. Входное/выходное сопротивление: Если задано определённое значение входного сопротивления, то проектирование начинается с входного каскада. Если задана выходная мощность и выходное сопротивление, то сначала проектируется выходной каскад. В нашем случае, входное сопротивление обеспечивается ПТ, а выходное – эмиттерным повторителем.
4. Шумы: В многокаскадных усилителях происходит суммирование шумов, причём наибольшее значение имеют шумы входной цепи и первых каскадов. Это обосновывает использование малошумящего ПТ на входе.
5. Защита от перегрузок: Для защиты входных цепей от перегрузок могут использоваться диодные ограничители или другие защитные схемы, предотвращающие подачу слишком большого сигнала на чувствительный входной каскад.

Таким образом, методология включает в себя:

• Определение общих требуемых параметров (усиление, полоса пропускания, входное/выходное сопротивление, уровень искажений).
• Выбор структурной схемы и числа каскадов.
• Обоснование выбора конкретных транзисторов и схем включения для каждого каскада.
• Распределение усиления и полосы пропускания между каскадами.
• Выбор типа межкаскадной связи.
• Детальный расчёт статических режимов и частотных характеристик для каждого каскада и системы в целом.

Расчёт статического режима трёхкаскадного усилителя

Расчёт статического режима, или режима по постоянному току, является первым и одним из наиболее ответственных этапов проектирования любого усилителя. Он определяет положение рабочей точки каждого транзистора, от которой зависят коэффициент усиления, линейность и стабильность работы схемы. Для гибридного трёхкаскадного усилителя, где используются как полевые, так и биполярные транзисторы, этот процесс требует пошагового, методичного подхода. В данном разделе мы рассмотрим расчёт постоянных токов и напряжений для каждого из выбранных каскадов.

Расчёт входного каскада на полевом транзисторе с общим истоком

Входной каскад на полевом транзисторе (ПТ) с общим истоком (ОИ) выбран для обеспечения высокого входного сопротивления. Расчёт его статического режима включает определение напряжений смещения на затворе и истоке, тока стока и напряжения сток-исток.

Исходные данные для примера (гипотетические):

• Напряжение питания V_ПИТ = 12 В
• Тип ПТ: КП303А (JFET n-канала)
• Параметры транзистора (из справочника или datasheet):
  • Начальный ток стока I_С.НАЧ = 5 мА (ток при U_ЗИ = 0)
  • Напряжение отсечки U_ЗИ.ОТС = -3 В
  • Максимальный ток стока I_С.МАКС = 10 мА
  • Максимальная рассеиваемая мощность P_МАКС = 150 мВт

Цель: установить рабочую точку, обеспечивающую линейное усиление и стабильность. Для JFET часто выбирают точку, где I_С ≈ 0.3-0.5 I_С.НАЧ. Пусть I_С = 2.5 мА.

Пошаговый расчёт:

1. Определение напряжения смещения затвор-исток (U_ЗИ) для заданной рабочей точки:
   Для JFET передаточная характеристика часто аппроксимируется квадратичной зависимостью:
   IС = IС.НАЧ ⋅ (1 - UЗИ / UЗИ.ОТС)2
   Подставляем I_С = 2.5 мА, I_С.НАЧ = 5 мА, U_ЗИ.ОТС = -3 В:
   2.5 = 5 ⋅ (1 — U_ЗИ / (-3))²
   0.5 = (1 + U_ЗИ / 3)²
   √(0.5) = 1 + U_ЗИ / 3
   0.707 ≈ 1 + U_ЗИ / 3
   U_ЗИ / 3 = 0.707 — 1 = -0.293
   U_ЗИ = -0.293 ⋅ 3 ≈ -0.88 В
2. Расчёт резистора в цепи истока (R_И):
   Для самосмещения (на затвор подаётся 0 В через R_З, смещение создаётся падением напряжения на R_И):
   UЗИ = -IС ⋅ RИ
   -0.88 В = -2.5 мА ⋅ R_И
   R_И = 0.88 В / 2.5 мА = 352 Ом.
   Выбираем ближайший стандартный номинал, например, R_И = 360 Ом.
3. Расчёт резистора в цепи стока (R_С):
   Напряжение на стоке U_С должно быть примерно равно V_ПИТ / 2 для обеспечения максимального симметричного размаха выходного сигнала.
   Пусть U_С ≈ 0.5 ⋅ V_ПИТ = 0.5 ⋅ 12 В = 6 В.
   Напряжение на истоке U_И = I_С ⋅ R_И = 2.5 мА ⋅ 360 Ом = 0.9 В.
   Тогда напряжение сток-исток U_СИ = U_С — U_И = 6 В — 0.9 В = 5.1 В.
   Теперь найдём R_С:
   RС = (VПИТ - UС) / IС = (12 В - 6 В) / 2.5 мА = 6 В / 2.5 мА = 2.4 кОм.
   Выбираем ближайший стандартный номинал, например, R_С = 2.4 кОм.
4. Расчёт резистора в цепи затвора (R_З):
   Резистор R_З служит для обеспечения высокого входного сопротивления и для формирования постоянного потенциала затвора. Поскольку ток затвора у JFET практически равен нулю, падение напряжения на R_З также ничтожно. R_З выбирается большим, обычно в пределах 100 кОм — 1 МОм.
   Пусть R_З = 1 МОм.
5. Проверка режима работы:
   • U_СИ = 5.1 В (должно быть больше U_ЗИ.ОТС и меньше V_ПИТ).
   • Напряжение на стоке U_С = V_ПИТ — I_С ⋅ R_С = 12 В — 2.5 мА ⋅ 2.4 кОм = 12 В — 6 В = 6 В.
   • U_ЗИ = U_З — U_И = 0 В — 0.9 В = -0.9 В. Это значение находится между 0 В и U_ЗИ.ОТС = -3 В, что соответствует активному режиму.
   • Рассеиваемая мощность P_ДИС = I_С ⋅ U_СИ = 2.5 мА ⋅ 5.1 В = 12.75 мВт. Это значительно меньше P_МАКС = 150 мВт.
6. Выбор шунтирующего конденсатора C_И:
   Конденсатор C_И шунтирует R_И по переменному току. Его ёмкость должна быть достаточной, чтобы его реактивное сопротивление 1/(2πfC_И) было значительно меньше R_И на самой низкой рабочей частоте f_Н.
   Пусть f_Н = 20 Гц. Тогда X_CИ ≈ R_И / 10 = 360 Ом / 10 = 36 Ом.
   C_И = 1 / (2πf_НX_CИ) = 1 / (2π ⋅ 20 Гц ⋅ 36 Ом) ≈ 220 мкФ.

Расчёт промежуточного каскада на биполярном транзисторе с общим эмиттером

Промежуточный каскад на биполярном транзисторе (БТ) с общим эмиттером (ОЭ) обеспечивает основное усиление напряжения. Расчёт его статического режима должен учитывать температурную стабилизацию.

Исходные данные для примера (гипотетические):

• Напряжение питания V_ПИТ = 12 В
• Тип БТ: BC547 (n-p-n)
• Параметры транзистора (из справочника):
  • Коэффициент усиления по току β ≈ 200 (среднее значение для активного режима)
  • Напряжение база-эмиттер U_БЭ ≈ 0.7 В

Цель: установить рабочую точку так, чтобы U_КЭ ≈ V_ПИТ / 2 для максимального симметричного размаха, и обеспечить температурную стабилизацию. Пусть U_КЭ = 6 В.

Пошаговый расчёт:

1. Выбор тока коллектора (I_К):
   Выбираем ток коллектора, исходя из требуемого усиления и мощности. Для маломощных каскадов это обычно 1-10 мА. Пусть I_К = 2 мА.
2. Расчёт резистора в цепи эмиттера (R_Э) для стабилизации:
   Для хорошей температурной стабилизации напряжение на R_Э (U_Э) должно быть существенным, например, 1-2 В. Пусть U_Э = 1.5 В.
   RЭ = UЭ / IЭ ≈ UЭ / IК (поскольку I_Э ≈ I_К) = 1.5 В / 2 мА = 750 Ом.
   Выбираем ближайший стандартный номинал, например, R_Э = 750 Ом.
   Фактическое U_Э = 2 мА ⋅ 750 Ом = 1.5 В.
3. Расчёт резистора в цепи коллектора (R_К):
   U_КЭ = 6 В.
   U_К = U_КЭ + U_Э = 6 В + 1.5 В = 7.5 В.
   RК = (VПИТ - UК) / IК = (12 В - 7.5 В) / 2 мА = 4.5 В / 2 мА = 2.25 кОм.
   Выбираем ближайший стандартный номинал, например, R_К = 2.2 кОм.
   Фактическое U_К = 12 В — 2 мА ⋅ 2.2 кОм = 12 В — 4.4 В = 7.6 В.
   Фактическое U_КЭ = 7.6 В — 1.5 В = 6.1 В.
4. Расчёт делителя напряжения для смещения базы (R₁, R₂):
   Напряжение на базе U_Б = U_Э + U_БЭ = 1.5 В + 0.7 В = 2.2 В.
   Ток базы I_Б = I_К / β = 2 мА / 200 = 0.01 мА = 10 мкА.
   Ток через делитель R₁, R₂ должен быть значительно больше I_Б для стабильности (обычно в 5-10 раз). Пусть ток делителя I_ДЕЛ = 10 ⋅ I_Б = 10 ⋅ 10 мкА = 100 мкА.
   R2 = UБ / IДЕЛ = 2.2 В / 100 мкА = 22 кОм.
   Выбираем ближайший стандартный номинал, например, R₂ = 22 кОм.
   R1 = (VПИТ - UБ) / IДЕЛ = (12 В - 2.2 В) / 100 мкА = 9.8 В / 100 мкА = 98 кОм.
   Выбираем ближайший стандартный номинал, например, R₁ = 100 кОм.
   Проверка: фактическое U_Б = V_ПИТ ⋅ R₂ / (R₁ + R₂) = 12 В ⋅ 22 кОм / (100 кОм + 22 кОм) = 12 В ⋅ 22 / 122 ≈ 2.16 В. Это близко к расчётному 2.2 В.
5. Выбор шунтирующего конденсатора C_Э:
   Как и в ПТ-каскаде, C_Э шунтирует R_Э по переменному току. Пусть f_Н = 20 Гц. Тогда X_CЭ ≈ R_Э / 10 = 750 Ом / 10 = 75 Ом.
   CЭ = 1 / (2πfНXCЭ) = 1 / (2π ⋅ 20 Гц ⋅ 75 Ом) ≈ 106 мкФ.
   Выбираем стандартный номинал, например, C_Э = 100 мкФ.

Расчёт выходного каскада на биполярном транзисторе по схеме эмиттерного повторителя

Выходной каскад на эмиттерном повторителе (ОК) предназначен для согласования усилителя с низкоомной нагрузкой и обеспечения необходимого тока.

Исходные данные для примера (гипотетические):

• Напряжение питания V_ПИТ = 12 В
• Тип БТ: BC547 (n-p-n), β ≈ 200, U_БЭ ≈ 0.7 В
• Сопротивление нагрузки R_Н = 8 Ом
• Максимальный выходной ток (при работе с нагрузкой) может достигать 0.5-1 А, но для режима покоя требуется значительно меньший ток.

Цель: обеспечить низкое выходное сопротивление и достаточный ток для нагрузки, поддерживая транзистор в активном режиме при отсутствии сигнала. Рабочая точка должна быть установлена так, чтобы транзистор находился в классе АВ (для двухтактного повторителя) или в классе А (для однотактного, как в нашем примере, для упрощения). Для однотактного повторителя, в режиме покоя, напряжение на эмиттере должно быть около V_ПИТ / 2.

Пошаговый расчёт (для однотактного повторителя класса А):

1. Выбор тока коллектора (I_К) в режиме покоя:
   Ток покоя должен быть достаточным, чтобы обеспечить небольшой ток через нагрузку при отсутствии сигнала. Пусть I_К = 5 мА.
   Ток эмиттера I_Э ≈ I_К = 5 мА.
2. Расчёт резистора в цепи эмиттера (R_Э):
   Напряжение на эмиттере в режиме покоя U_Э должно быть около V_ПИТ / 2.
   U_Э = V_ПИТ / 2 = 12 В / 2 = 6 В.
   RЭ = UЭ / IЭ = 6 В / 5 мА = 1.2 кОм.
   Выбираем ближайший стандартный номинал, например, R_Э = 1.2 кОм.
3. Расчёт делителя напряжения для смещения базы (R₁, R₂):
   Напряжение на базе U_Б = U_Э + U_БЭ = 6 В + 0.7 В = 6.7 В.
   Ток базы I_Б = I_К / β = 5 мА / 200 = 0.025 мА = 25 мкА.
   Ток через делитель I_ДЕЛ должен быть значительно больше I_Б (в 5-10 раз). Пусть I_ДЕЛ = 10 ⋅ I_Б = 10 ⋅ 25 мкА = 250 мкА.
   R2 = UБ / IДЕЛ = 6.7 В / 250 мкА = 26.8 кОм.
   Выбираем ближайший стандартный номинал, например, R₂ = 27 кОм.
   R1 = (VПИТ - UБ) / IДЕЛ = (12 В - 6.7 В) / 250 мкА = 5.3 В / 250 мкА = 21.2 кОм.
   Выбираем ближайший стандартный номинал, например, R₁ = 22 кОм.
   Проверка: фактическое U_Б = V_ПИТ ⋅ R₂ / (R₁ + R₂) = 12 В ⋅ 27 кОм / (22 кОм + 27 кОм) = 12 В ⋅ 27 / 49 ≈ 6.6 В. Это близко к расчётному 6.7 В.
4. Проверка режима работы:
   • U_КЭ = V_ПИТ — U_Э = 12 В — 6 В = 6 В.
   • Рассеиваемая мощность P_ДИС = I_К ⋅ U_КЭ = 5 мА ⋅ 6 В = 30 мВт. Это значительно меньше максимальной мощности для BC547 (обычно 500 мВт).
   • Установка рабочей точки в середине диапазона обеспечивает максимальный размах выходного сигнала без срезов для однотактного повторителя класса А.

Межкаскадные конденсаторы:
Для соединения каскадов будут использоваться разделительные конденсаторы, которые блокируют постоянную составляющую напряжения, но пропускают переменный сигнал. Их ёмкость выбирается аналогично шунтирующим конденсаторам, исходя из нижней граничной частоты.
Например, для связи между первым и вторым каскадом, а также между вторым и третьим:
CРАЗД = 1 / (2πfНRВХ_СЛЕД), где R_{ВХ_СЛЕД} – входное сопротивление следующего каскада.
Пусть f_Н = 20 Гц.
Для связи ПТ (сток) с БТ ОЭ (база): входное сопротивление каскада ОЭ с R_Э ≈ (β ⋅ (r_Э + R_Э)) = 200 ⋅ (25 мВ/2мА + 750 Ом) ≈ 200 ⋅ 762.5 Ом ≈ 152.5 кОм.
CРАЗД1 = 1 / (2π ⋅ 20 Гц ⋅ 152.5 кОм) ≈ 52 нФ. Выбираем C_РАЗД1 = 0.1 мкФ.
Для связи БТ ОЭ (коллектор) с БТ ОК (база): входное сопротивление эмиттерного повторителя очень высокое, но с учётом делителя смещения R₁ || R₂ = 22 кОм || 27 кОм ≈ 12 кОм.
CРАЗД2 = 1 / (2π ⋅ 20 Гц ⋅ 12 кОм) ≈ 660 нФ. Выбираем C_РАЗД2 = 1 мкФ.

Эти расчёты обеспечивают стабильный режим по постоянному току для каждого каскада, что является фундаментом для дальнейшего анализа переменного сигнала и частотных характеристик.

Частотный анализ трёхкаскадного усилителя переменного напряжения

Частотный анализ является критически важным этапом в проектировании усилителей, поскольку он позволяет определить, как усилитель реагирует на сигналы разных частот. Идеальный усилитель должен равномерно усиливать все частоты в заданном диапазоне, не внося фазовых искажений. В реальности реактивные элементы схемы (конденсаторы, индуктивности, паразитные ёмкости) всегда влияют на частотную характеристику, вызывая спад усиления на низких и высоких частотах.

Анализ на средних частотах

Область средних частот является основной рабочей областью усилителя. Здесь предполагается, что:

• Разделительные и шунтирующие конденсаторы (такие как C_Р, C_Э, C_И) обладают настолько малым реактивным сопротивлением, что их можно считать коротким замыканием для переменного тока.
• Межэлектродные и паразитные ёмкости транзисторов, а также индуктивности монтажа, имеют настолько большое реактивное сопротивление, что их можно считать разомкнутой цепью.
• Коэффициент усиления считается постоянным и максимальным (K₀), а фазовый сдвиг – стабильным.

Таким образом, на средних частотах усилитель рассматривается как чисто резистивная схема. Все расчёты коэффициентов усиления по напряжению и току, входных и выходных сопротивлений выполняются без учёта реактивных элементов. Например, для каскада ОИ на ПТ, K_U = -S ⋅ R_С, где R_С – сопротивление стоковой нагрузки с учётом параллельного сопротивления входа следующего каскада. Это упрощение позволяет получить "идеальную" картину работы усилителя без частотных искажений.

Анализ на низких частотах

На низких частотах ситуация меняется. По мере уменьшения частоты, реактивное сопротивление разделительных и шунтирующих (блокирующих) конденсаторов начинает увеличиваться, что приводит к снижению коэффициента усиления и появлению фазовых сдвигов.

Влияние конденсаторов:

1. Разделительные конденсаторы (C_Р): Включённые между каскадами (например, C_РАЗД1, C_РАЗД2 в нашем гибридном усилителе), они формируют RC-цепочки с входными сопротивлениями последующих каскадов. На низких частотах их сопротивление (X_C = 1/(2πfC)) становится соизмеримым с этими сопротивлениями, что приводит к падению напряжения на конденсаторе и, следовательно, к уменьшению сигнала, поступающего на вход следующего каскада.
   • Постоянная времени разделительной цепи: τ_Р = C_Р ⋅ (R_{ВЫХ_ПРЕДЫД} + R_{ВХ_СЛЕД}), где R_{ВЫХ_ПРЕДЫД} – выходное сопротивление предыдущего каскада, R_{ВХ_СЛЕД} – входное сопротивление следующего.
   • Нижняя граничная частота для такой RC-цепочки: f_Н = 1 / (2πτ_Р).
2. Шунтирующие конденсаторы (C_Э, C_И): Эти конденсаторы (в цепи эмиттера/истока) предназначены для шунтирования резисторов R_Э/R_И по переменному току на средних и высоких частотах. На низких частотах их реактивное сопротивление увеличивается, и они перестают эффективно шунтировать резисторы. Это приводит к появлению отрицательной обратной связи по переменному току, которая снижает коэффициент усиления каскада.

Расчёт нижней граничной частоты (f_Н):
Для каждого RC-фильтра, образованного разделительным или шунтирующим конденсатором, можно рассчитать свою граничную частоту f_Нi. Общая нижняя граничная частота многокаскадного усилителя будет определяться в основном тем звеном, у которого f_Нi наибольшая, то есть, тем конденсатором, который раньше всего начинает "срабатывать".
Для многокаскадного усилителя, состоящего из N идентичных каскадов, общая нижняя граничная частота ω_Н,N = ω_Н,1 ⋅ √N. Это демонстрирует, что полоса пропускания многокаскадного усилителя сужается на низких частотах. Чтобы обеспечить заданную f_Н для всего усилителя, каждый отдельный каскад должен иметь более низкую f_Н.
Ёмкость разделительных конденсаторов (обычно 100 пФ – 10 мкФ) зависит от частотного диапазона: чем ниже частота, тем больше ёмкость. Например, для НЧ-усилителя с f_Н = 20 Гц, ёмкости могут достигать десятков или сотен микрофарад.

Анализ на высоких частотах

На высоких частотах, в отличие от низких, причиной спада усиления становятся межэлектродные и паразитные ёмкости транзисторов, а также индуктивности монтажа. Их реактивное сопротивление (X_C = 1/(2πfC)) становится настолько малым, что они начинают шунтировать сигнальные цепи.

Влияние ёмкостей:

1. Межэлектродные ёмкости транзисторов:
   • Биполярные транзисторы: Важное влияние оказывают ёмкость коллекторного перехода (C_КБ или C_сб) и ёмкость база-эмиттер (C_БЭ или C_бэ). Также учитывается объёмное сопротивление базы (r_б).
   • Полевые транзисторы: Ключевыми являются ёмкости затвор-исток (C_ЗИ), затвор-сток (C_ЗС) и сток-исток (C_СИ).
2. Эффект Миллера: Особенно сильно проявляется в каскадах с общим эмиттером (ОЭ) и общим истоком (ОИ). Ёмкость между входным и выходным электродами (C_КБ для БТ, C_ЗС для ПТ) эффективно умножается на коэффициент усиления каскада, создавая значительно большую эффективную входную ёмкость (C_{ВХ.Миллера}). Эта большая ёмкость шунтирует вход каскада, резко снижая усиление на высоких частотах.
3. Ёмкость нагрузки (C_Н): Любая нагрузка, включая входную ёмкость следующего каскада, вносит свой вклад в общее шунтирование выходной цепи.

Расчёт верхней граничной частоты (f_В):
Для каждого RC-фильтра, образованного паразитной ёмкостью и сопротивлением цепи, можно рассчитать свою граничную частоту f_Вi. Общая верхняя граничная частота многокаскадного усилителя будет определяться в основном тем звеном, у которого f_Вi наименьшая.
Для многокаскадного усилителя, состоящего из N идентичных каскадов, общая верхняя граничная частота ω_В,N = ω_В,1 / √N. Это означает, что полоса пропускания многокаскадного усилителя сужается также и на высоких частотах. Чтобы обеспечить заданную f_В для всего усилителя, каждый отдельный каскад должен иметь более высокую f_В.

Полоса пропускания многокаскадного усилителя

Как было показано выше, наличие нескольких каскадов с их собственными частотными ограничениями неизбежно приводит к сужению общей полосы пропускания усилителя. Каждая RC-цепочка (разделительные конденсаторы на НЧ, паразитные ёмкости на ВЧ) действует как фильтр низких или высоких частот.

• Нижняя граничная частота f_Н: определяется самым большим временем RC-цепи на входе или выходе каскадов, а также шунтирующими конденсаторами.
• Верхняя граничная частота f_В: определяется самыми малыми временами RC-цепей, связанными с паразитными ёмкостями и эффектом Миллера.

Полоса пропускания (Δf) усилителя определяется как диапазон частот от f_Н до f_В, в пределах которого коэффициент усиления K(f) остаётся в пределах 0.707 K₀ (или снижается не более чем на 3 дБ).
Формулы ω_В,N = ω_В,1 / √N и ω_Н,N = ω_Н,1 ⋅ √N чётко иллюстрируют этот эффект сужения. Чем больше каскадов, тем сильнее сужается полоса, что требует от разработчика проектировать отдельные каскады с значительно более широкой полосой, чем конечная требуемая.

Методы частотной коррекции

Для расширения полосы пропускания и улучшения формы частотной характеристики применяются различные методы частотной коррекции.

1. RC-цепи коррекции: Введение дополнительных резисторов и конденсаторов, которые формируют частотно-зависимые делители напряжения или цепи обратной связи.
   • На низких частотах: Увеличение ёмкости разделительных и шунтирующих конденсаторов. Иногда применяют цепи активной коррекции, создающие дополнительный подъём на НЧ.
   • На высоких частотах: Введение компенсирующих конденсаторов или шунтирующих индуктивностей.
2. Последовательная (индуктивная) коррекция: Включение небольшой индуктивности последовательно с нагрузочным резистором или между каскадами. Эта индуктивность на высоких частотах увеличивает полное сопротивление цепи, компенсируя падение усиления, вызванное шунтирующими ёмкостями.
3. Параллельная (индуктивная) коррекция: Включение индуктивности параллельно с нагрузочным резистором. На высоких частотах эта индуктивность образует резонансный контур с паразитными ёмкостями, что также помогает увеличить усиление вблизи верхней граничной частоты.
4. Отрицательная обратная связь (ООС): Глубокая отрицательная обратная связь – один из наиболее эффективных методов расширения АЧХ. Она не только стабилизирует коэффициент усиления, но и значительно расширяет полосу пропускания, уменьшает нелинейные искажения и снижает выходное сопротивление. Однако слишком большая ООС может привести к неустойчивости усилителя.
5. Схемотехнические приёмы для повторителей: Методы расширения диапазона рабочих частот истоковых и эмиттерных повторителей базируются на эффекте взаимной компенсации паразитных импедансов, а также на введении специальных цепей активной частотной коррекции. Эти приёмы позволяют добиться очень широкой полосы пропускания для повторителей, которые часто используются в качестве буферных каскадов.

Частотный анализ и коррекция являются итеративными процессами, требующими тщательного моделирования и настройки для достижения желаемых характеристик усилителя.

Шумовые характеристики многокаскадного усилителя

Шум – это нежелательные, случайные флуктуации напряжения или тока, которые неизбежно присутствуют в любой электронной схеме. В усилителях шум ограничивает минимальный уровень входного сигнала, который может быть усилен без существенного ухудшения отношения сигнал/шум. В многокаскадных системах понимание источников шума и их суммирования становится критически важным.

Источники шумов в транзисторах

В транзисторах, как и в любых полупроводниковых приборах, существует несколько основных источников внутреннего шума:

1. Тепловой шум (шум Джонсона-Найквиста):
   • Природа: Возникает из-за хаотичного теплового движения носителей заряда в проводниках (резисторах, полупроводниковых кристаллах). Он присутствует даже при отсутствии тока и при нулевом входном сигнале.
   • Характеристики: Широкополосный, имеет равномерный спектр (белый шум). Его мощность прямо пропорциональна абсолютной температуре и сопротивлению.
   • Влияние: Основной источник шума в резисторах и канале полевого транзистора.
2. Дробовый шум:
   • Природа: Возникает из-за дискретного характера переноса заряда – ток является суммой индивидуальных, случайных переходов электронов (или дырок) через потенциальные барьеры (например, p-n переходы в транзисторах).
   • Характеристики: Широкополосный, имеет равномерный спектр. Его мощность пропорциональна постоянному току, протекающему через переход.
   • Влияние: Основной источник шума в биполярных транзисторах (связан с токами базы и коллектора) и в обратных токах утечки в полевых транзисторах.
3. Фликкер-шум (1/f шум, розовый шум):
   • Природа: Его происхождение до конца не изучено, но связывают с поверхностными эффектами, ловушками для носителей заряда и дефектами в полупроводниковых кристаллах.
   • Характеристики: Мощность шума обратно пропорциональна частоте (1/f), поэтому он доминирует на низких частотах (менее нескольких кГц или МГц, в зависимости от прибора).
   • Влияние: Присутствует во всех активных устройствах и является основным ограничением для усиления очень слабых сигналов на низких частотах.
4. Пробойный шум:
   • Природа: Возникает при лавинном пробое p-n переходов при высоких обратных напряжениях.
   • Влияние: Обычно избегается, так как является признаком нештатного режима работы.

Анализ общего коэффициента шума по формуле Фрииса

В многокаскадных усилителях шумы, генерируемые каждым каскадом, суммируются. Однако вклад каждого каскада в общий шум неравнозначен. Этот принцип количественно описывается формулой Фрииса:

Fобщ = F1 + (F2 - 1) / G1 + (F3 - 1) / (G1 ⋅ G2) + ... + (FN - 1) / (G1 ⋅ G2 ⋅ ... ⋅ GN-1)

Где:

• F_общ – общий коэффициент шума многокаскадного усилителя.
• F_i – коэффициент шума i-го каскада (безразмерный, F = P_{шум.вых} / (K ⋅ P_шум.вх), где K – усиление).
• G_i – коэффициент усиления по мощности i-го каскада (безразмерный).

Интерпретация формулы Фрииса:

Из этой формулы следует ключевой вывод: основной вклад в общий уровень шума многокаскадного усилителя вносит первый каскад. Шумы последующих каскадов "ослабляются" коэффициентом усиления предыдущих каскадов. Чем выше коэффициент усиления первого каскада (G₁), тем меньшее влияние на общий шум будут оказывать шумы второго каскада, и тем более ничтожным будет вклад шумов третьего и последующих каскадов.

Обоснование выбора малошумящих элементов для входного каскада:

Именно поэтому при проектировании многокаскадных усилителей особое внимание уделяется выбору и оптимизации первого каскада с точки зрения шумовых характеристик. Для входного каскада следует использовать малошумящие усилительные элементы:

• Полевые транзисторы (ПТ): Часто имеют очень низкий коэффициент шума, особенно на средних и высоких частотах, поскольку они являются униполярными приборами и в них отсутствует дробовый шум, связанный с базовым током. Кроме того, их высокое входное сопротивление позволяет работать с высокоомными источниками, минимизируя тепловой шум источника.
• Биполярные транзисторы (БТ): Существуют специальные малошумящие БТ, способные иметь коэффициент шума 1,5-2 дБ. Однако их дробовый шум и 1/f шум могут быть более выражены, чем у ПТ, особенно при работе с высокоомными источниками.

В нашем гибридном усилителе выбор ПТ с общим истоком для первого каскада полностью оправдан с точки зрения шумовых характеристик. Его высокое входное сопротивление позволяет минимизировать шум, генерируемый источником сигнала, а относительно низкий собственный шум ПТ обеспечивает высокое отношение сигнал/шум на входе всей системы. Последующие каскады, даже если они имеют несколько более высокий коэффициент шума, будут вносить значительно меньший вклад в общий шум благодаря усилению первого каскада. Таким образом, тщательный анализ и минимизация шумов, особенно на ранних стадиях усиления, являются залогом высокой чувствительности и качественной работы всего усилителя.

Заключение

В рамках данной курсовой работы мы совершили глубокое погружение в мир аналоговой схемотехники, охватив все ключевые аспекты проектирования, расчёта и анализа гибридного трёхкаскадного усилителя переменного напряжения с использованием полевых и биполярных транзисторов.

Мы начали с фундаментальных принципов, определив понятие усилителя, его основные параметры и обширную классификацию. Было показано, что усиление – это элегантный процесс управления энергией источника питания посредством слабого входного сигнала, подчиняющийся строгому энергетическому балансу. Почему это важно? Потому что именно этот баланс позволяет нам понять, как усилитель преобразует энергию, не создавая её из ничего, а лишь перераспределяя.

Далее мы детально рассмотрели режимы работы транзисторов, классы усиления (А, В, АВ, С, D), подчеркнув их влияние на КПД и уровень искажений. Особое внимание было уделено проблеме температурного дрейфа и разнообразным методам термостабилизации, жизненно важным для обеспечения надёжности и стабильности усилительной аппаратуры. Мы выяснили, что ПТ обладают естественной термостабильной точкой, что выгодно отличает их от БТ.

Центральной частью работы стал анализ отдельных усилительных каскадов на биполярных и полевых транзисторах. Мы подробно изучили каскады с общим эмиттером и общим коллектором (эмиттерный повторитель) на БТ, а также каскады с общим истоком и общим стоком (истоковый повторитель) на ПТ, выявив их уникальные характеристики, такие как коэффициенты усиления, входные и выходные сопротивления, и особенности фазовой инверсии. Была рассмотрена схема Дарлингтона как мощное средство для увеличения токового усиления.

На основе полученных знаний была разработана методология построения гибридного трёхкаскадного усилителя. Обоснован выбор оптимальной комбинации каскадов: входной каскад на ПТ с общим истоком для обеспечения сверхвысокого входного сопротивления и низкого шума, промежуточный каскад на БТ с общим эмиттером для основного усиления напряжения, и выходной каскад в виде эмиттерного повторителя на БТ для согласования импедансов с низкоомной нагрузкой. Подробно рассмотрены принципы межкаскадных связей, с акцентом на RC-связь как наиболее подходящую для усилителей переменного напряжения, а также правила распределения усиления и параметров по каскадам.

Проведён расчёт статического режима для каждого из трёх каскадов, что обеспечило надёжное и стабильное положение рабочих точек.
Частотный анализ позволил нам понять, как усилитель ведёт себя на разных частотах, выявить причины спада усиления на низких и высоких частотах, обусловленные разделительными/шунтирующими конденсаторами и межэлектродными/паразитными ёмкостями транзисторов соответственно. Мы рассмотрели эффект Миллера и представили основные методы частотной коррекции для расширения полосы пропускания.

Наконец, мы проанализировали шумовые характеристики усилителя, описав основные источники шумов в транзисторах и, что особенно важно, применив формулу Фрииса для объяснения, почему именно первый каскад вносит наибольший вклад в общий уровень шума многокаскадной системы, тем самым обосновывая выбор малошумящего ПТ на входе.

Достигнутые цели и практическая значимость:
Данная курсовая работа успешно достигла поставленных целей, предоставив студенту исчерпывающий материал, необходимый для глубокого понимания принципов работы, расчёта и анализа многокаскадных усилителей. Приведённые методики и примеры расчётов могут служить практическим руководством при выполнении реальных инженерных задач. Понимание взаимодействия различных транзисторных каскадов и факторов, влияющих на общие характеристики усилителя, является краеугольным камнем для дальнейшего развития в области электроники и схемотехники.

Список использованной литературы

1. Войшвилло, Г. В. Усилительные устройства : Учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М. : Радио и связь, 1981. 264 с.
2. Степаненко, И. П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. 4-е изд., перераб. и доп. М. : Энергия, 1977. 672 с.
3. Грифилд, Дж. Транзисторы и и линейные ИС: Руководство по анализу и расчету. Пер. с англ. М. : Мир, 1992. 560 с.
4. Петухов, В. М. Маломощные транзисторы и их зарубежные аналоги. Справочник. М. : КУбкК-а, 1996. 672 с.
5. Андреев, Ю. Н. Резисторы (справочник) / Ю. Н. Андреев, Д. М. Антонин, Д. М. Иванов. М. : Энергоатомиздат, 1981. 352 с.
6. Федотов, Я. А. Основы физики полупроводниковых приборов. 2-е изд., испр. и доп. М. : Советское радио, 1970. 592 с.
7. Войшвилло, Г. В. Усилительные устройства: Учебник для вузов. М. : Связь, 1975. 384 с.
8. Коэффициент усиления. (2019-11-22)
9. Электронные усилители. Классификация усилителей. | Омский Государственный Университет Путей Сообщения (2015-04-10)
10. Усиление электрических сигналов.
11. Элементы теории ламповых усилительных устройств.
12. Многокаскадные усилители (2019-11-11)
13. Усилительные каскады. | Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева (2015-03-12)
14. Электронные усилители в промышленной электронике.
15. Режимы работы усилителей (классификация усилителей).
16. Электронные усилители. (Page 1. Электронные усилители).
17. Работа 2.1. Эмиттерный повторитель | Гусев, В. Г. Электроника и микропроцессорная техника; Быстров, Ю. А. Электронные цепи и микросхемотехника; Хоровиц, П. Искусство схемотехники; Довгун, В. П. Электротехника и электроника.
18. Схема с общим коллектором.
19. Принцип электронного усиления и классификация усилителей электрических сигналов (2015-02-09).
20. Основные параметры усилительных каскадов (2019-04-16).
21. Эмиттерный и истоковый повторители. (2022-05-01).
22. Эмиттерный повторитель. Предположим, что источник полезного сигнала.
23. Хоровиц, П., Хилл, У. Искусство схемотехники.
24. Схема включения транзистора с общим коллектором.
25. Усилители электрических сигналов.
26. УСИЛИТЕЛИ. КЛАССИФИКАЦИЯ УСИЛИТЕЛЕЙ. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ УСИЛИТЕЛЕЙ.docx | БГАТУ.
27. Режимы и классы работы выходных каскадов усилителей.
28. Усиление электрических сигналов (2016-03-13).
29. Многокаскадные усилители — Электронная лаборатория на IBM PC. Том 1. Моделирование элементов аналоговых систем.
30. Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером (оэ). (2019-09-27).
31. Усилительные каскады на основе биполярных транзисторов — Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого.
32. Санкт-Петербургский государственный Технический университет В.С.Усо.
33. Лекция 11. Многокаскадные усилители.docx | БГАТУ.
34. МОДУЛЬ 3 УСИЛИТЕЛЬНЫЕ — БГАТУ.
35. Для многокаскадного усилителя.
36. Метод расширения диапазона рабочих частот истоковых и эмиттерных повторителей напряжения — Инженерный вестник Дона.
37. Лекция 24. УСИЛИТЕЛИ НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ.
38. УСИЛИТЕЛИ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ.
39. Усилительный режим полевых транзисторов. (2019-08-01).
40. Эквивалентная схема полевого транзистора и его дифференциальные параметры (2015-03-17).
41. Частотные характеристики полевых транзисторов | Самарский Государственный Университет Путей Сообщения (2015-04-09).
42. Эквивалентная схема и частотные свойства полевых транзисторов.
43. Лабораторная работа №3 частотные характеристики усилителей на резисторах (2016-03-13).
44. Эквивалентная схема транзистора на высоких частотах (2025-04-01).
45. Статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом. | Тольяттинский государственный университет (2015-05-28).
46. Статические режимы работы транзисторов | Уральский государственный горный университет (2016-03-27).
47. Основные схемы каскадов на биполярных и полевых транзисторах.
48. 017 полевые-с общим истоком.
49. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТРАНЗИСТОРНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ — Электронный каталог DSpace ВлГУ.
50. Транзисторный усилитель низкой частоты (УНЧ).
51. Лабораторная работа № 2б. Исследование усилителя низкой частоты с резистивно-емкостной связью (2015-04-09).
52. Малосигнальный анализ усилителя на полевом транзисторе.
53. Исследование частотных свойств каскада и основных спо.