Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Комп’ютеризовані системи
Кафедра:
Автоматика і телемеханіка
Інформація про роботу
Рік:
2008
Тип роботи:
Конспект лекцій
Предмет:
Електроніка та мікросхемотехніка
Група:
ПІ
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
Міністерство освіти і науки України
Національний університет „Львівська політехніка”
Кафедра „Автоматика і телемеханіка”
КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ
з навчальної дисципліни „Електроніка та мікросхемотехніка”
(частина ІІ)
для студентів стаціонарної форми навчання освітніх напрямів: „Комп’ютеризовані системи, автоматика і управління” та
„Системна інженерія”
2008 – Львів
1. Підсилювачі
1.1. Класифікація підсилювачів, основні визначення
Підсилювачем називають пристрій, який призначений для підвищення потужності електричних коливань вхідного сигналу. Підвищення потужності вхідного сигналу досягається за рахунок енергії джерела живлення. Малопотужний вхідний сигнал лише керує передачею енергії джерела живлення в корисне навантаження.
Електричні коливання підсилюються за допомогою підсилювальних елементів (ПЕ). Підсилювальні елементи отримують електричну енергію від джерела живлення і перетворюють її в енергію підсилювальних сигналів, тобто вони мають керуючі властивості.
Керуюче джерело електричної енергії, від якого підсилюванні сигнали надходять на підсилювач, називається джерелом сигналу (ДС). Пристрій, який споживає підсилювальні сигнали, називається навантаженням (Н).
Джерело енергії, яка перетворюється підсилювачем в енергію підсилювальних сигналів, називається джерелом живлення (ДЖ) підсилювача.
Рис.1.1. Структурна схема підсилювача.
Підсилювачі широко застосовується: в радіозв’язку, в телебаченні, в звуковому кіно, в пристроях запису і відтворення звуку і зображення, в вимірювальній апаратурі, в автоматиці і телемеханіці, в електронних обчислювальних машинах, в космічних дослідженнях і.т.д.
Класифікація підсилювачів
Існують класифікації підсилювачів за різними ознаками, зокрема:
за характером підсилювальних сигналів;
за смугою підсилювальних сигналів;
за призначенням підсилювачів;
за видом застосованих підсилювальних елементів.
I. За характером підсилювальних сигналів підсилювачі поділяються на:
Підсилювачі гармонічних сигналів, це підсилювачі які призначені для підсилення гармонічних і квазігармонічних (майже гармонічних) сигналів різної форми і різного значення, тобто здійснюється підсилення гармонічних періодичних сигналів гармонічні складові яких змінюються значно повільніше від нестаціонарних процесів в колах підсилювача.
До підсилювачів гармонічних сигналів відносяться: мікрофонні, звукові, трансляційні, вимірювальні та інші.
2.Підсилювачі імпульсних сигналів призначені для підсилення імпульсних періодичних і неперіодичних сигналів різної форми і різного значення. Нестаціонарні процеси в колах таких підсилювачів повинні протікати настільки швидко, щоб форма підсилювальних сигналів не спотворювалася.
До підсилювачів імпульсних сигналів відносяться: імпульсні підсилювачі систем зв’язку, відеопідсилювачі телевізійних сигналів, імпульсні радіолокаційні підсилювачі, підсилювачі систем автоматичного регулювання.
За шириною смуги підсилювальних сигналів:
Підсилювачі змінного струму підсилюють тільки змінну складову корисного сигналу в смузі від нижньої частоти fн до вищої робочої частоти fв.
Підсилювачі високої частоти призначені для підсилення коливань модульованих високою частотою. Відношення верхньої частоти спектру fв до нижньої fн близьке до одиниці ( fв / fн < 1,1). Наприклад підсилення радіосигналів, які приймає антена радіоприймача або телевізора.
Підсилювачі проміжної частоти призначені для підсилення коливань модульованих проміжною частотою. Відношення верхньої частоти спектру fв до нижньої fн близьке до одиниці ( fв / fн < 1,1).
Підсилювачі низької частоти. До підсилювачів низької частоти відносяться підсилювачі звукових частот, які підсилюють електричні коливання в смузі частот, які сприймаються людським вухом ( (f = 20Гц ( 20кГц ). Підсилювачі низьких частот призначені переважно для підсилення і перетворення первинних коливань давачів.
Широкосмугові підсилювачі підсилюють дуже широку смугу частот і мають дуже велике відношення вищої робочої частоти до нижньої (вища частота ( одиниць МГц, а нижня ( від сотень герц до одиниць кГц).
Вибіркові або селективні підсилювачі підсилюють сигнали в дуже вузькій смузі частот, за межами цієї смуги підсилення різко зменшується. В свою чергу вибіркові підсилювачі розділяють на резонансні, частотна характеристика яких має вигляд резонансної кривої і смугові підсилювачі, підсилення яких стале в вузькій смузі частот і різко зменшується за її межами.
7. Підсилювачі постійного струму призначені для підсилення електричних коливань в смузі частот від fн=0 до вищої частоти fв . Ці підсилювачі підсилюють як змінну, так і постійну складову сигналу. Підсилювачі постійного струму застосовуються в стабілізаторах постійної напруги, в автоматиці і телемеханіці, в аналогових обчислювальних і моделюючих машинах.
III . За призначенням підсилювачі поділяються на:
магнітофонні;
телевізійні;
радіолокаційні;
вимірювальні;
трансляційні;
дальнього зв’язку. і.т.д.
IV. За видом застосованих підсилювальних елементів.
транзисторі ;
лампові;
магнітні;
діодні;
молекулярні;
електромашинні.
Підсилювачі на транзисторах і електронних лампах називають електронними оскільки принцип їх роботи оснований на електронних процесах, які відбуваються в напівпровідниках і вакуумі.
Лінійні електронні підсилювачі ( це підсилювачі, які призначені для підсилення електричних сигналів без зміни їх форми.
Основні дані підсилювача:
Вихідні дані підсилювача:
вихідна потужність ( Рн ;
вихідна напруга ( Uн ;
вихідний струм ( Iн ;
вихідний опір підсилювача ( Zвих ;
опір навантаження ( Zн .
Для випадку, коли опір навантаження активний (Rн , то:
Вхідні дані підсилювача:
вхідна напруга ( Uвх ;
вхідний струм ( Iвх ;
вхідна потужність ( Pвх ;
вхідний опір підсилювача ( Zвх .
Для випадку, коли вхідний опір активний ( Rвх :
1.2. Параметри і характеристики підсилювачів
Коефіцієнт підсилення
Коефіцієнт підсилення ( це один з основних параметрів підсилювача, він показує в скільки разів приріст підсиленої величини на виході підсилювача перевищує приріст відповідної величини на вході підсилювача.
Коефіцієнт підсилення за напругою ( це відношення встановленого значення напруги сигналу на виході підсилювача до напруги сигналу на його вході
Деколи використовують поняття наскрізний коефіцієнт підсилення за напругою
В підсилювальній техніці використовуються також поняття коефіцієнт підсилення за струмом і коефіцієнт підсилення за потужністю
Коефіцієнти є комплексними величинами та як вихідні величинами напруга і струм зсунуті за фазою відносно вхідних складових за рахунок реактивних складових опорів в колах підсилювача і на вантаження.
Оскільки органи сприйняття людини підлягають логарифмічному закону, то часто модуль коефіцієнта підсилення виражають в логарифмічних одиницях ( децибелах або неперах)
Перевід значень коефіцієнтів підсилення, які виражені в децибелах в відносні одиниці можна виконати використовуючи наступні вирази
Для багатокаскадного підсилювача сумарний коефіцієнт підсилення в залежності від того в яких одиницях він нормується визначається такими виразами
де n ( кількість каскадів підсилювача.
Коефіцієнт корисної дії підсилювача визначається як відношення потужності сигналу на навантаженні Рн до потужності споживаної від джерела живлення Р0
Коефіцієнт корисної дії потужних підсилювачів це відношення потужності, яка віддається в навантаження до сумарної потужності Р(, яка споживається від усіх джерел живлення
Власні шуми підсилювача
Напруга шумів обмежує чутливість підсилювача і не дозволяє підсилювати сигнали низького рівня. На вхід підсилювача можна підводити корисний сигнал значення якого є більше від рівня власних його шумів. Власні шуми підсилювача виникають з наступних причин:
наведення,
фон,
шуми мікрофонного ефекту;
теплові шуми;
шуми підсилювальних елементів.
Наведення – це напруга у вхідному колі підсилювача, яка виникає від дії на підсилювач сторонніх джерел сигналів і перешкод. Наведення виникає від діє на вхід підсилювача сусідніх підсилювачів, електродвигунів трансформаторів, генераторів і.т.п. Усувається шляхом екранування, введенням у спільні кола живлення розв’язуючих фільтрів.
Фон – це періодична напруга у вихідному підсилювача частота якої кратна частоті змінної напруги, яка живить підсилювач. Усувається шляхом введенням розв’язуючих фільтрів у спільні кола живлення.
Шуми від мікрофонного ефекту зумовлені механічними коливаннями, які діють на підсилювальний елемент і зумовлені: вібрацією, ударами, акустичними коливаннями, прискоренням і.т.п. Шуми від мікрофонного ефекту усуваються за рахунок використання інших видів підсилювальних елементів, а також застосування амортизації.
Напруга теплових або термічних шумів - це неперіодична хаотична напруга, яка виникає в провідниках і елементах на вході підсилювача і зумовлена тепловим рухом електронів. Ця напруга залежить від смуги частот, які пропускає підсилювач, опору вхідного кола підсилювача і температури.
.
де fв і fн – верхня і нижня гранична частоти робочого діапазону в кГц;
Т – абсолютна температура в оК;
Rдж – активна складова опору вхідного кола підсилювача в кОм;
Uтш – напруга теплових шумів в мкВ.
Напруга шуму підсилювального елемента визначається: фізичними процесами, які покладені в основу його роботи , його конструкцією, технологією виробництва і матеріалом з якого він виготовлений. Основна складова напруги шуму в електронних лампах і транзисторах є напруга дробового ефекту, яка зумовлена фізикою процесу проходження електричного струму через підсилювальний елемент. Рівень шуму транзисторів сильно залежить від типу транзистора, матеріалу з якого він виготовлений і режиму його роботи. В малопотужних транзисторах мінімальне значення напруги шуму буде при таких режимах:
Частотна і фазова характеристики підсилювача
При підсиленні сигналів підсилювач змінює їх форму. Відхилення форми вихідного сигналу від форми вхідного сигналу називають спотвореннями. Наявність в схемі підсилювача реактивних опорі, значення яких залежить від частоти і проводить до зміни форми складного гармонічного сигналу на виході лінійного підсилювача за двома основними причинами:
гармонічні складові складного вхідного сигналу підсилюються неоднаково, тобто це означає, що коефіцієнт підсилення підсилювача неоднаковий на різних частотах;
гармонічні складові складного вхідного сигналу при підсиленні зсуваються на різні відрізки часу, тобто фазові зсуви, які вносяться підсилювачем змінюють взаємне розташування гармонічних складових у вихідному сигналі.
Спотворення форми вихідного сигналу, яке викликане неоднаковим підсиленням різних частот, називають частотними спотвореннями, а спотворення форми вихідного сигналу, які викликані фазовими зсувами, які вносяться підсилювачем, називають фазовими спотвореннями.
Частотні і фазові спотворення деколи називають лінійними спотворенням, оскільки їх виникнення зв’язано з лінійними елементами електричного кола.
Частотні спотворення оцінюють за його частотною характеристикою, яка є залежністю модуля коефіцієнта підсилення від частоти. Частотну характеристику будують в прямокутній системі координат на вертикальній осі відкладають значення Кu в лінійному масштабі в відносних або логарифмічних одиницях, а на горизонтальній осі – частоту в герцах в лінійному або логарифмічному масштабі.
Діапазоном робочих частот підсилювача гармонічних сигналів називають смугу частот від нижньої до верхньої робочої частоти в межах якої модуль коефіцієнта підсилення, а іноді і фаза не повинні виходити за межі заданих допусків.
Рис.1.2. Частотна характеристика підсилювача
Частотні спотворення, які вносяться підсилювачем, оцінюються нерівномірністю його частотної характеристики в діапазоні робочих частот. Ідеальною частотною характеристикою, при якій підсилювач не вносить частотних спотворень, є пряма, яка проходить паралельно осі абсцис.
Частотні спотворення, які вносить підсилювач на певній частоті, оцінюються відносним підсиленням, який дорівнює відношенню коефіцієнта підсилення на заданій частоті до коефіцієнта підсилення на середній частоті
В розрахунках більш вигідно використовувати зворотну величину, яку називають коефіцієнтом частотних спотворень і позначають літерою М
Відносне підсилення і коефіцієнт частотних спотворень можуть бути відображені як у відносних, так і у логарифмічних одиницях. Для переведення їх з відносних значень в децибели і навпаки використовуються наступні вирази
Фазові спотворення, які вносяться підсилювачем, оцінюються за його фазовою характеристикою, яка є залежністю кута зсуву між вихідною і вхідною напругами підсилювача від частоти. Фазову характеристику будують окремо для області нижніх і окремо для області верхніх частот.
Рис.1.3. Фазова характеристика підсилювача
Умовою неспотвореного підсилення сигналу є пропорційність фазового зсуву, який вноситься підсилювачем, частоті підсиленого сигналу, тому ідеальною фазовою характеристикою підсилювача є пряма 2, яка проходить через початок координат.
Фазові спотворення підсилювача на верхніх частотах оцінюються як різниця ординат фазової характеристики і дотичної до неї, яка проходить через початок координат.
В області нижніх частот ідеальна фазова характеристика майже збігається з віссю абсцис і фазові спотворення практично дорівнюють куту фазового зсуву, який вноситься підсилювачем.
Амплітудна характеристика підсилювача – це залежність амплітуди вихідної напруги підсилювача від амплітуди його вхідної напруги на деякій сталій частоті.
Рис.1.4. Амплітудна характеристика підсилювача
Коли значення вхідної напруги малі, то амплітудна характеристика проходить не через початок координат, а визначається рівнем власних шумів підсилювача і завадами. Власні шуми підсилювача зумовлені в основному шумами його активних і пасивних елементів, а також неоднорідністю структури матеріалів елементів і нестабільністю електричних процесів у часі.
При великих значеннях вхідних напруг пропорційність між порушується за рахунок порушення пропорційності між вхідним і вихідним струмами.
Таким чином, властивість підсилювача підсилювати максимальне і мінімальне значення вхідної напруги відображає один з важливих показників підсилювача, який називається динамічним діапазоном.
де і – вхідні напруги, при яких спотворення підсиленого сигналу і його виділення на фоні шумів знаходяться в допустимих межах.
Динамічний діапазон часто нормують в логарифмічних одиницях, в децибелах
Нелінійні спотворення зумовлені також нелінійністю вхідної характеристики транзистора, оскільки вхідний і вихідний струми несинусоїдальні при чисто синусоїдальній вхідній напрузі.
Нелінійні спотворення підсилювача оцінюються коефіцієнтом нелінійних спотворень (коефіцієнтом гармонік або клірінг фактором), який дорівнює кореню квадратному з відношення потужності, яка виділяється на навантажені вищими гармонічними складовими сигналу, які викликають спотворення, до потужності, яка визначається основною корисною гармонікою
Деколи визначають нелінійних спотворень для певної гармоніки вихідного сигналу
; ;…………….. .
В цьому випадку сумарний коефіцієнт гармонік визначається таким виразом
.
Перехідна характеристика підсилювача це залежність миттєвого значення вихідної напруги при стрибкоподібній зміні вхідної напруги. Ця характеристика використовується для оцінювання лінійних спотворень, які вносяться підсилювачем при підсиленні імпульсних сигналів. Причиною виникнення перехідних спотворень є наявність реактивних елементів підсилювача, а також зміна енергії в електричних і магнітних полях, які не можуть відбуватися миттєво. Таким чином, перехідні спотворення є наслідком перехідних процесів, які відбуваються в підсилювачі при швидких змінах вхідного сигналу.
Рис.1.5. Перехідна характеристика підсилювача
Рис.1.6. Перехідна характеристика підсилювача в області малих часів
Основні параметри перехідної характеристики в області малих часів – це час встановлення і відносний викид імпульсу .
Розклад стрибка напруги на вході підсилювача в ряд Фур’є дає нескінченну кількість гармонічних складових, тому підсилювач, який забезпечує рівномірне підсилення широкого спектру частот, є якісним імпульсним підсилювачем, оскільки лінійні спотворення зумовлені зменшенням підсилення на границях смуги пропускання.
Для забезпечення передачі фронту вхідного імпульсу з малими спотвореннями (область малих часів) необхідно розширяти смугу пропускання підсилювача в області високих частот, яка може досягати одиниць мегагерц.
Для неспотвореної передачі вершини імпульсу (область великих часів) смуга пропускання підсилювача повинна бути такою, як в підсилювача постійного струму в області низьких частот. В області великих часів перехідна характеристика (рис.1.7.) нормується відносним спадом вершини .
Рис.1.7. Перехідна характеристика підсилювача в області великих часів
Таким чином, перехідна характеристика дозволяє мати думку про можливість підсилення сигналів різної тривалості. Спотворення імпульсу вважається допустимим, якщо час встановлення перехідної характеристики зв’язаний з тривалістю імпульсу наступним співвідношенням .
1.3. Зворотні зв'язки в підсилювачах
Крім кола прямої передачі енергії сигналу підсилювальний каскад може мати електричні кола по яких частина енергії корисного сигналу передається з виходу каскаду на його вхід або на вхід одного з попередніх каскадів. Це явище називається зворотним зв’язком. Зворотний зв'язок може бути загальним (рис.1.8.), який охоплює весь підсилювач і місцевим (рис.1.9.), який охоплює окремі каскади підсилювача. Замкнутий контур, який охоплює основне коло і коло зворотного зв’язку, яке охоплює підсилювач, називається петлею зворотного зв’язку.
Рис.1.8. Загальний зворотний зв'язок в підсилювачі
Рис.1.9. Місцевий зворотний зв'язок в підсилювачі
В залежності від того, якій величині пропорційна напруга зворотного зв’язку , розрізняють зворотний зв'язок за напругою і за струмом. Якщо напруга зворотного зв’язку пропорційна вихідній напрузі на навантаженні , то такий зворотний зв'язок називається зворотним зв’язком за напругою (рис.1.10).
Рис.1.10. Зворотний зв'язок за напругою
Якщо напруга зворотного зв’язку пропорційна струму в навантаженні , то це буде зворотний зв'язок за струмом (рис.1.11.).
Рис.1.11. Зворотний зв'язок за струмом
Якщо напруга зворотного зв’язку пропорційна як напрузі, так і струму в навантаженні , то такий зворотний зв'язок називається комбінованим (рис.1.12.).
Рис.1.12. Комбінований зворотний зв’язок за напругою і за струмом
За способом введення сигналу у вхідне коло підсилювача розрізняють паралельний і послідовний зв'язок. При послідовному зворотному зв’язку (рис.1.13) напруга зворотного зв’язку вводиться у вхідне коло послідовно з вхідною напругою і напруга сигналу на вході підсилювача буде складати .
Рис.1.13. Послідовний зворотний зв’язок у підсилювачах
Якщо напруга зворотного зв’язку подається паралельно до вхідної напруги підсилювача (рис.1.14), то такий зворотний зв'язок називають паралельним зворотним зв’язком. У цьому випадку струм на вході підсилювача буде складати .
Рис.1.14. Паралельний зворотний зв’язок у підсилювачах
У підсилювачах із змішаним зворотним зв’язком у вхідному колі підсилювача послідовно вмикаються: сигнал зворотного зв’язку пропорційний вихідній напрузі і паралельно сигнал зворотного зв’язку пропорційний вихідному струму.
Основними характеристиками зворотного зв’язку є коефіцієнт зворотного зв’язку
, .
При схемній реалізації підсилювача і кола зворотного зв’язку можливий варіант, коли зворотний зв'язок здійснюється тільки для повільно змінної складової вихідного сигналу. У цьому випадку зворотний зв’язок здійснюється за постійним струмом. Коли сигнал зворотного струму пропорційний змінній складовій сигналу на виході підсилювача, то в цьому випадку зворотний зв'язок здійснюється за змінним струмом. Коли сигнал зворотного зв’язку пропорційний усьому вихідному сигналі, то в цьому випадку зворотний зв'язок буде за змінним і за постійним струмами.
Зворотний зв'язок має великий вплив практично на всі основні характеристики і параметри підсилювача і проявляється в зміні значення вхідного сигналу підсилювача.
φк і φβ – фазові зсуви напруги сигналу підсилювача і ланки зворотного зв’язку відповідно
При φк+φβ =π добуток буде складати , а вираз для коефіцієнта підсилення за напругою буде складати
В цьому випадку напруга зворотного зв’язку надходить на вхід підсилювача в протилежній фазі з напругою вхідного сигналу і коефіцієнт підсилення зменшується в (1+βзз К) разів. Такий режим носить назву від’ємного зворотного зв’язку. Зменшення коефіцієнта підсилення супроводжується покращенням цілого ряду параметрів. Для отримання значення нестабільності коефіцієнта підсилення підсилювача охопленого від’ємним зворотним зв’язком Кзз диференціюємо основне рівняння по К і отримуємо
Перегруповуємо цей вираз і поділимо його на Кзз
Відносна зміна коефіцієнта підсилення з від’ємним зворотним зв’язком зменшується в разів.
При глибокому від’ємному зворотному коли коефіцієнт підсилення самого підсилювача практично не залежить від коефіцієнта підсилення підсилювача неохопленого зворотним зв’язком
Визначаємо вплив від’ємного послідовного зв’язку на вхідний опір підсилювача. Вхідний опір підсилювача охопленого послідовним зворотним буде визначатися таким виразом
,
де – вхідний струм підсилювача охопленого послідовним зворотним зв’язком, а Rвх – вхідний опір підсилювача без зворотного зв’язку.
Вхідна напруга підсилювача може бути описана таким виразом
.
Підставляємо і у вираз для вхідного опору і отримуємо
Останній вираз показує, що послідовний від’ємний зв'язок збільшує вхідний опір підсилювача в разів.
Досліджуємо вплив паралельного зворотного зв’язку на вхідний опір підсилювача
де – вхідний струм підсилювача охопленого паралельним зворотним зв’язком, – напруга сигналу на вході підсилювача. Оскільки , то можна записати
де Rвх – вхідний опір підсилювача без зворотного зв’язку.
Використовуючи вирази для і для і отримуємо остаточно
.
Останній вираз показує, що паралельний від’ємний зв'язок зменшує вхідний опір в разів.
Аналогічно можна показати, що від’ємний зворотний зв’язок за напругою зменшує вихідний опір підсилювача в разів
Rвих – вихідний опір підсилювача без зворотного зв’язку.
Вихідний опір підсилювача, який охоплений від’ємним зворотним зв’язком за струмом збільшується в разів
Введення від’ємного зворотного зв’язку дозволяє покращити ряд параметрів підсилювача. Зокрема від’ємний зворотний зв’язок зменшує в разів частотні, фазові і нелінійні спотворення, зменшує напруги шумів і завад.
Коли фаза вхідної напруги підсилювача і напруги зворотного зв’язку збігаються, зворотний зв’язок називається додатним. У цьому випадку , а і коефіцієнт підсилення за напругою буде описуватися наступним виразом
.
При додатному зворотному зв’язку підсилювач зберігає працездатність якщо , в цьому випадку . У випадку, коли , то , то підсилювач втрачає стійкість (або самозбуджується) і перетворюється в генератор електричних коливань широкого спектру. Такий режим роботи підсилювача недопустимий.
1.4. Вибір режиму підсилювального каскаду на транзисторі
Підсилювальні властивості транзистора можуть бути реалізовані тільки у випадку вмиканні в його колекторне або емітерне кола зовнішніх резисторів, з яких будуть зніматися коливання підсиленого сигналу. У цьому випадку статичні характеристики транзистора не відображають залежностей між миттєвими значеннями напруг і струмів у колах підсилювального елемента. Цю функцію виконують динамічні характеристики підсилювального каскаду. Розглянемо побудову динамічних характеристик для підсилювального каскаду на транзисторі в схемі з спільним емітером (рис.1.15).
Рис.1.15. Електрична принципова схема підсилювального каскаду
У вхідне коло транзистора ввімкнене джерело вхідного сигналу Ег і джерело зміщення Езм. Навантаженням для постійного струму є резистор Rк., а навантаженням для змінного струму є еквівалентний опір навантаження колекторного кола . Вважаємо, що опір розділювального конденсатора і опір джерела живлення для складової вихідного колекторного струму незначні в порівнянні з опорами Rк і Rн. Робоча точка в режимі спокою буде знаходитися на навантажувальній прямій dc (рис.1.16) для постійного струму в точці її перетину Р з вихідною статичною характеристикою транзистора при , який визначається напругою джерела зміщення Езм.
При відсутності на вході підсилювального каскаду змінної напруги можна записати вираз для вихідного кола каскаду
або .
Цей вираз є рівнянням прямої лінії, яка будується на сімействі вихідних статичних характеристик транзистора за двома точками: c – (Ік=0, Uке=Eк) ; d – (Uке=0, Iк.макс = Eк /Rк). Перед побудовою навантажувальної прямої, яка є динамічною характеристикою для постійного струму, необхідно визначити робочу область на сімействі статичних вихідних характеристик транзистора. Ця область не може включати область відсічки і область насичення, а також обмежена :
граничним значенням напруги між колектором і емітером транзистора – Uке.доп;
граничним значенням колекторного струму транзистора – Ік.доп;
максимальною потужністю, яка виділяється на колекторі транзистора – Рк.доп.
Рис.1.16. Динамічні навантажувальні характеристики каскаду
для постійного ( dc ) і змінного (ab ) струмів
Робоча точка в режимі спокою вибирається в залежності від заданих амплітудних значень вихідної напруги Uвих.m і зв’язаного з нею амплітудного значення вихідного струму Iвих.m.
де – Uкm і Ікm амплітудні значення колекторної напруги і колекторного струму відповідно.
Для лінійних підсилювачів ці нерівності повинні виконуватися із запасом, щоб параметри транзистора можна було б вважати сталими навіть при максимальному сигналі. При цьому застосований транзистор повинен задовольняти наступні параметри:
Положення робочої точки в режимі спокою визначається призначенням підсилювача, режимом роботи, к.к.д., заданим коефіцієнтом підсилення, нелінійними спотвореннями і т.п. Якщо, вхідний сигнал симетричний, то робочу точку в режимі спокою вибирають на середині навантажувальної прямої для постійного струму.
Вхідна динамічна характеристика для змінного струму є графіком залежності вхідного струму від вхідної напруги при наявності у вихідному колі опора навантаження. Отримати її можна перенесенням точок перетину вихідної динамічної характеристики для змінного струму із статичними на сімействі вхідних характеристик . Вхідна динамічна характеристика дозволяє визначити напругу, струм і потужність вхідного сигналу. На практиці переважно в якості вхідної динамічної характеристики використовують вхідну статичну характеристику (рис.1.17), яка знята при сталій напрузі між колектором і емітером, переважно при напрузі рівній Uке =5 В.
Рис.1.17. Вхідна динамічна характеристика каскаду
1.5. Класи роботи підсилювального каскаду на транзисторі
Ступінь нелінійних спотворень підсилюваних сигналів і к.к.д. підсилювального каскаду визначається вибором його робочого режиму (класу) роботи. В залежності від того, протягом якого часу, за час періоду вхідного сигналу, протікає струм у колекторному колі транзистора, розрізняють чотири основні режими (класи) роботи транзистора: А, АВ, В, С.
Для оцінки режиму роботи транзистора вводять параметри, який називають кутом відсічки. Кутом відсічки називають половину тієї частини періоду сигналу протягом якої протікає струм через транзистор. Кут відсічки позначають літерою θ і виражають у кутових одиницях.
В режимі класу А робоча точка не виходить за границі лінійної ділянки динамічної характеристики, а точка спокою переважно знаходиться на середині навантажувальної прямої для постійного струму. Це забезпечує мінімальні нелінійні спотворення підсилювача. Напруга зміщення в цьому режимі за абсолютним значенням завжди більша амплітудного значення вхідної напруги, а вхідний струм спокою завжди більший амплітудного значення змінної складової вхідного струму (рис.1.18). Отже в класі А струм у вихідному колі транзистора протікає протягом всього періоду напруги підсилюваного сигналу. Кут відсічки в класі А складає θ=180о =π. Цей клас роботи застосовується переважно в каскадах попереднього підсилення, а також в каскадах потужного підсилення незначної потужності. Основна перевага режиму А – мале значення коефіцієнту гармонік, а основний недолік – низьке значення к.к.д. каскаду, яке переважно не перевищує (20-30)%.
Рис.1.18. Вибір робочої точки на вхідній характеристиці
транзистора в класі А
У випадку низького рівня сигналу, коли вибір робочої точки некритичний з огляду на максимально допустимі параметри транзистора, необхідно враховувати залежність параметрів від режиму роботи транзистора. Значення напруги і струму транзистора в режимі спокою необхідно вибирати в залежності від конкретного застосування підсилювального каскаду. При різних режимах каскаду за постійним струмом змінюються значення параметрів транзистора, зокрема:
коефіцієнти підсилення за струмом – (α або β);
ємність колекторного переходу – Ск;
гранична частота підсилення транзистора за струмом – ( fα або fβ);
коефіцієнт шуму транзистора – F.
В багатьох випадках необхідно орієнтуватися на типовий режим транзистора, який рекомендується довідковою літературою, але в ряді випадків відхід від рекомендованого режиму не тільки допустимий, але й необхідний.
В режимі класу В напруга зміщення вибирають таким чином, щоб точка спокою Р знаходилася на самому початку динамічної характеристики для постійного струму. При наявності вхідного сигналу стум у вихідному колі існує протягом половини періоду вхідного сигналу. В транзисторних підсилювальних каскадах транзистор відкритий тільки протягом половини періоду вхідного сигналу (рис.1.19), тому в класі В кут відсічки складає , а робоча точка в режимі спокою вибирається при малих значеннях колекторного струму близьких до Ік0.
Рис.1.19. Вибір робочої точки на вхідній характеристиці
транзистора в класі В
Основна перевага класу В – це мале споживання енергії від джерела живлення і високий, у порівнянні з класом А, к.к.д., який досягає (60-70)%. Недолік такого класу – великий рівень нелінійних спотворень і переважно застосовується в двотактних схемах підсилення потужності.
Клас АВ – займає проміжне положення між класами А і В. Струм в колі колектора транзистора протікає протягом часу більшого за половину періоду. Кут відсічки в класі АВ знаходиться в межах . Цей клас роботи більш економічний ніж клас А і має менші нелінійні спотворення ніж в класі В. Застосовується в двотактних підсилювачах потужності, коли необхідно поєднати низький рівень нелінійних спотворень з високим значенням к.к.д.
Рис.1.20. Вибір робочої точки на вхідній характеристиці
транзистора в класі АВ
При роботі підсилювального каскаду в режимі класу С напруга зміщення вибирають такого значення, при якому точка спокою знаходиться лівіше початку вхідної динамічної характеристики транзистора (рис.1.21). В цьому випадку струм спокою вхідного кола транзистора дорівнює нулю.
В цьому режимі струм у вихідному колі підсилювального елемента протікає протягом часу меншого за половину періоду вхідного сигналу. Кут відсічки в класі С знаходиться в межах . В класі С точка спокою знаходиться в режимі відсічки.
Рис.1.21. Вибір робочої точки на вхідній характеристиці
транзистора в класі С
Цей режим більш економічний ніж в класі В, к.к.д. досягає 85% і застосовується в потужних резонансних підсилювачах потужності де навантаженням є резонансний -контур, який налагоджений на частоту вхідного сигналу. Такий характер навантаження дозволяє значно зменшити рівень нелінійних спотворень вихідного сигналу, який в цьому випадку більший ніж в класі В.
1.6. Подача зміщення у вхідні кола транзисторів і стабілізація точки спокою
Підсилювальний каскад зберігає працездатність і забезпечує необхідні вимоги, якщо струм в колі колектора при відсутності сигналу (струм спокою колектора) не виходить за певні межі при зміні температури, старінні елементів підсилювача та їх заміні. Зменшення струму спокою викликає зменшення струму, напруги і потужності сигналу на виході каскаду, зменшенню коефіцієнта підсилення, збільшенню нелінійних спотворень. Збільшення струму спокою збільшує споживану потужність, зменшує к.к.д. каскаду, викликає перегрів підсилювальних елементів та інших деталей, а деколи приводить до виходу їх з ладу. Збільшення струму спокою відносно мінімального значення в режимі А переважно допускають в (1,2 ÷ 1,3) разів в каскадах потужного підсилення і не більш як (1,3 ÷ 1,5) разів в малопотужних каскадах попереднього підсилення.
Основними причинами зміни струму спокою каскаду при заміні біполярного транзистора або змінні температури є:
зміна коефіцієнта підсилення струму транзистора при зміні температури - ;
зміна некерованого струму колектора транзистора для кремнієвих транзисторів і для германієвих транзисторів;
температурне зміщення вхідної характеристики транзистора .
Для встановлення необхідного положення робочої точки (необхідного значення струму спокою колектора) у вхідне коло транзистора необхідно подати напругу зміщення, полярність і значення якої залежить від типу провідності транзистора і положення його робочої точки.
Найпростіший спосіб подачі зміщення на біполярний транзистор є :
зміщення фіксованим струмом бази;
фіксованою напругою бази;
фіксованим струмом емітера.
При зміщені фіксованим струмом бази (рис.1.22) напруга зміщення між базою і емітером створюється струмом зміщення бази, який проходить через опір переходу база-емітер, такий спосіб зміщення придатний лише для каскадів, які працюють в режимі А. Оскільки опір резистора в колі бази набагато більший за опір переходу база-емітер транзистора для постійного струму, то значення струму бази транзистора в стані спокою визначається напругою колекторного живлення і опором базового резистора і залишається практично незмінним при зміні температури, старінні та заміні транзистора, тому такий спосіб подачі зміщення і називають зміщенням фіксованим струмом бази. Опір резистора в колі бази буде дорівнювати
де Ек - напруга колекторного живлення каскаду;
- напруга зміщення база-емітер, яка визначається положенням робочої точки в режимі спокою на вхідній характеристиці транзистора;
- статичний коефіцієнт підсилення транзистора в схемі з спільною базою;
Ік0 - некерований початковий струм колектора транзистора;
І0к, І0е - струми спокою колектора і емітера відповідно.
Рис.1.22. Схема зміщення фіксованим струмом бази
Зміщення фіксованим струмом бази деколи застосовується в схемах, які працюють в лабораторних умовах, коли зміна температури оточуючого середовища знаходиться в межах , і допускається підбір значення резистора . Така схема зміщення не застосовується в підсилювальній апаратурі, яка призначена для серійного виробництва.
Схема подання зміщення фіксованою напругою бази зображена на рис.1.23 і використовується для каскадів, які працюють в режимі А і В, але вона менш економічна, оскільки додатково виділяється потужність на резисторах базового подільника напруги. Резистори подільника напруги повинні мати менший опір для постійного струму від ділянки база-емітер транзистора, в цьому випадку напруга зміщення буде залишатися практично незмінною при зміні напруги і старінні транзистора. Значення опорів подільника напруги розраховуються за такими виразами
де – струм спокою бази транзистора;
ІП – струм базового подільника напруги, який в залежності від значення струму спокою бази складає .
Рис.1.23. Схема зміщення транзистора фіксованою напругою база-емітер
При зміщенні фіксованою напругою база-емітер заміна транзистора і зміна температури набагато менше змінюють струм спокою колектора транзистора.
Схема з фіксованою напругою бази задовільно підтримує стабільність положення робочої точки в діапазоні температур оточуючого середовища , а також мало критична при заміні транзистора особливо при низькоомному подільнику напруги, оскільки в цьому випадку відносно великі зміни базового струму будуть викликати незначні зміни напруги на базі транзистора.
Рис.1.24. Схема зміщення транзистора фіксованим струмом емітера
1.7. Стабілізація струму спокою підсилювального каскаду на транзисторі
Основні методи стабілізації положення робочої точки транзисторного:
1.Термостатування схеми каскаду або окремих його елементів.
2.Термостабілізація за рахунок введення від’ємного зворотного зв’язку.
3.Термостабілізація за рахунок застосування нелінійних термозалежних елементів.
Ефективність термостабілізації оцінюють коефіцієнтом температурної нестабільності колекторного струму
де – повна зміна струму спокою колектора в схемі з термостабілізацією;
– приріст струму спокою колектора за рахунок дестабілізуючих факторів у схемі з ідеальною термостабілізацією, коли .
Для забезпечення працездатності підсилювальних каскадів, які працюють в класі А, при зміні температури, старінні і зміні параметрів транзисторів і радіоелементів застосовується стабілізація робочої точки за рахунок введення від’ємного зворотного зв’язку за струмом. В каскадах на біполярних транзисторах найбільш розповсюдженою і ефективною є схема емітерної стабілізації, варіант якої зображений на рис.4.
Рис.1.25. Схема емітерної стабілізації каскаду в схемі з спільним емітером
Така схема може забезпечити працездатність каскаду при зміні температури на , в ній стабілізація здійснюється напругою від’ємного зворотного зв’язку за постійною напругою, яка знімається з емітерного резистора . При зростанні струму спокою колектора збільшується спад напруги на резисторі , що викликає зменшення напруги зміщення між базою і емітером і зменшення струму колектора транзистора. В результаті зростання колекторного струму транзистора значно зменшується. стабілізуюча дія емітерної стабілізації підсилюється зі збільшенням значення опору емітерного резистора і зменшення опору базового подільника напруги . Спад напруги на емітерному резисторі для потужних каскадів підсилення переважно вибирають з умови , а для каскадів попереднього підсилення . Струм базового подільника для потужних каскадів підсилення переважно вибирають з умови , а для каскадів попереднього підсилення – . Для запобігання зменшення коефіцієнта підсилення за рахунок введення його шунтують конденсатором Се, який має велику ємність і усуває від’ємний зворотний зв’язок для частот корисного сигналу і дії тільки для постійного струму. Значення опорів базового подільника розраховують з умови
Коефіцієнт температурної нестабільності каскаду з емітерною стабілізацією
Емітерна стабілізація ефективно діє як при великих, так і при малих значеннях опору навантаження каскаду для постійного струму і тому вона придатна для будь якої схеми підсилювального каскаду.
Застосовується також колекторна стабілізація робочої точки транзисторних каскадів, варіант такої схеми наведений на рис.1.26.
Рис.1.26. Схема колекторної стабілізації каскаду в схемі з спільним емітером
Стабілізація режиму каскаду здійснюється за рахунок від’ємного зворотного зв’язку за напругою, яка знімається з колектора транзистора. Якщо струм спокою транзистора зростає, то збільшується спад напруги на резисторі і зменшується напруга на резисторі , що викликає зменшення зростання колекторного струму. При зменшенні струму спокою колектора описаний процес автоматичного регулювання струму через транзистор відбувається зворотним чином. Значення базового резистора визначається наступним виразом
.
Коефіцієнт температурної нестабільності каскаду з колекторною стабілізацією
Колекторна стабілізація простіша і більш економічна ніж емітерна, але зберігає працездатність каскаду лише при великому спаді напруги живлення на колекторному резисторі . Спад напруги на колекторному резисторі повинен задовольняти наступну умову , що можливо тільки в резистивних каскадах. Така схема може забезпечити прац...
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора