Основы схемотехники

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекции по основам схемотехники

Власова Г.Л., Демаков Ю.П.

Ижевск 2010

УДК 621.396.002.3(075)

Д30

Рецензенты:

Кафедра "Материалы и элементы радиоэлектронной аппаратуры" Воронежского государственного технического университета (зав. кафедрой доктор техн. наук проф. Ю.С. Балашов), доктор техн. наук, проф. Г.И. Щербаков (Казанский государственный технический университет (КАИ))

Власова Г.Л., Демаков Ю. П.

Д30 Лекции по основам схемотехники: Учебное пособие для вузов.- Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2010. - 323 с.: ил.

ISBN - В книге рассматриваются электронные усилители звуковых и видеочастот, предназначенные для усиления как гармонических, так и импульсных сигналов. Выполненные по дискретной и интегральной технологии.

Книга служит учебным пособием для студентов, обучающихся по направлениям "Инфокоммуникационные технологии и системы связи" и "Радиотехника". Она может быть полезна студентам других радиотехнических и приборостроительных специальностей, а также преподавателям, ведущим занятия по соответствующим дисциплинам.

Власова Г.Л., Демаков Ю. П. , 2010

Издательство ИжГТУ, 2010

Содержание

сигнал аналоговый электронный транзистор

Предисловие

1. Принципы усиления сигналов и построения усилителей

1.1 Частотные характеристики усилителей

2. Классификация усилителей

3. Основные технические показатели и характеристики аналоговых электронных устройств

4. Обеспечение режима усилительного каскада в статическом режиме

4.1 Обеспечение режима работы транзистора при включении по схеме с ОЭ

4.2 Обеспечение режима работы транзистора при включении по схеме с ОБ

4.3 Обеспечение режима работы транзистора при включении по схеме с ОК

4.3 Методы температурной стабилизации рабочей точки биполярного транзистора

4.4 Режим работы усилителя по переменному току

4.5 Режимы классов работы усилителя



Предисловие

В большинстве радиотехнических устройств необходимо обеспечить усиление электрических сигналов. Для этого используются устройства, называемые усилителями. Абсолютное большинство усилительных узлов выполняется на элементной базе электронной техники, где в качестве усилительных элементов используются полупроводниковые и электровакуумные приборы (электронные усилители).

Требования государственного стандарта к обязательному минимуму содержания основной образовательной программы по дисциплине «Основы схемотехники» (ОПД.Ф.02.03) для направления подготовки "Инфокоммуникационные технологии и системы связи" включают следующие дидактические элементы дисциплины:

основные технические показатели и характеристики аналоговых электронных устройств;

принципы усиления сигналов и построения усилителей; апериодические усилительные каскады в режиме малого сигнала;

обратная связь в усилителях;

многокаскадные усилители; каскады предварительного усиления; оконечные усилительные каскады; широкополосные и импульсные усилители;

функциональные устройства на ОУ; устройства перемножения и деления сигналов; активные RC-фильтры; RC-генераторы гармонических колебаний;

схемотехника аналого-цифровых устройств;

компьютерный анализ и проектирование аналоговых устройств.

При этом общее количество часов, выделенных для изучения дисциплины, составляет 102 часа.

В данном курсе будем рассматривать электронные усилители звуковых и видеочастот, предназначенные для усиления как гармонических, так и импульсных сигналов, выполненные по дискретной и интегральной технологии.

При разработке курса лекций по дисциплине «Основы схемотехники» автор руководствовался требованиями образовательной программы по направлению подготовки «Инфокоммуникационные технологии и системы связи». В основу этой книги положен конспект семестрового курса лекций, прочитанных для студентов третьего курса. Лекции представляют обзор литературы [1-8], а также сведений, почерпнутых из поисковых систем Интернета, и отражают позицию автора в подборе и в необходимости создания некоторой «избыточности» изучаемого материала. Изучение материалов, представленных в курсе лекций, позволит читателю более детально ознакомиться с современным уровнем развития схемотехники. Естественно, что книга адресована, в первую очередь, студентам, изучающим данную дисциплину. Книга состоит из шести глав. В первой и второй главах излагаются общие сведения об усилителях и принципах обратной связи в усилителях. На основе этих представлений базируется изложение дальнейшего содержания книги. В последующих главах рассматриваются вопросы анализа эквивалентных схем апериодических усилителей, построения основных элементов схем усилительных каскадов. Особое внимание уделено усилителям постоянного тока. В заключительной, шестой главе рассмотрены функциональные устройства на ОУ; устройства перемножения и деления сигналов; активные RC-фильтры; RC-генераторы гармонических колебаний; В подзаголовки глав включены основные дидактические элементы, представленные в образовательной программе по дисциплине «Основы схемотехники» для направления подготовки «Телекоммуникации». Для более глубокого усвоения изучаемого учебного материала каждая глава дополнена перечнем контрольных вопросов и упражнений, которые предлагается выполнить изучающим курс.

Отзывы и предложения по улучшению книги следует направлять по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7, Издательство ИжГТУ.

1. Принципы усиления сигналов и построения усилителей

В настоящее время практически вся информация передаётся при помощи электрических сигналов. Обычно интенсивность этих сигналов очень мала. Например, вследствие их ослабления при передаче на большие расстояния. В этом случае возникает необходимость усиления слабых электрических сигналов.

Электрические усилители - это устройства, которые предназначены для усиления слабых электрических сигналов. Электрические усилители используются в самых разнообразных областях науки и техники - в аппаратуре радиосвязи, в радиовещании, телевидении, радиолокации, измерительной аппаратуре, вычислительной технике, медицине и пр.

Принципы усиления. Функциональную схему электрического усилителя можно изобразить в виде, представленном на рис. 1.1.

На этой схеме используются следующие обозначения.

1 - источник электрических сигналов с малой мощностью;

2 - управляемый элемент (УЭ), выполняющий функции преобразователя энергии источника питания;

3 - нагрузка, на которой выделяется энергия усиленного сигнала;

4 - источник питания;

5 - усилительное устройство, включающее в себя УЭ и источник питания; 1-1 - входная цепь; 2-2 - выходная цепь.



Управляемый элемент 2 совместно с источником питания 4 образует усилительное устройство 5. Усилитель имеет входную цепь 1-1 с входным сопротивлением Rвх и выходную цепь 2-2 с Rвых.

К входным зажимам 1-1 подключён источник электрических сигналов Uг с внутренним сопротивлением генератора Rг. Это может быть антенна, детектор, выход предыдущего усилительного устройства и т. д.

К выходным зажимам 2-2 подключена нагрузка Rн. В качестве нагрузки могут быть использованы: вход последующего усилительного каскада, или различные устройства (ЭЛТ, громкоговоритель и т.д.)

Процесс усиления происходит следующим образом. Входной сигнал небольшой мощности Рвх от независимого источника изменяет сопротивление управляемого элемента (УЭ). Тем самым изменяется выходной ток, потребляемый от источника питания. Мощность источника питания составляет величину

Рпит=Р0= IпотUпот, (1.1)

где Uпот и Iпот - развиваемые источником напряжение и ток.

Эту мощность УЭ преобразует в мощность полезного электрического сигнала Pвых, которая выделяется в нагрузке Rн. Можно записать следующие соотношения для мощности, выделяемой во входной и выходной цепях УЭ:

, (1.2)

где Iвх и Iвых - входной и выходной токи.

Поскольку Iвх<<Iвых, то, соответственно, Pвх<<Pвых.

Таким образом, эффект усиления тем больше, чем сильнее неравенство Pвых>>Pвх.



1.1 Частотные характеристики усилителей

Эффект усиления зависит от частоты щ усиливаемого сигнала и характеризуется коэффициентом усиления, обозначаемым символом К. Зависимость К=ц(щ) называется амплитудно-частотной характеристикой усилителя (АЧХ). Диапазон частот усиления характеризуется нижней щн и верхней щв частотами усиления усилителя. Это граничные частоты, на которых коэффициент усиления усилителя уменьшается в раз, или на 3 дБ. Следовательно, на граничных частотах коэффициент усиления составляет величину К=0,707К0, где К0 коэффициент усиления на средних частотах, внутри диапазона частот усиления. Разность Дщ=щв-щн называют полосой пропускания усилителя.

Общий вид графика АЧХ представлен на рис.1.2.

На этом графике: щн и щв - нижняя и верхняя частоты усиления, рад/с;

щн гр и щв гр - нижняя и верхняя граничные частоты усиления, определяющие область средних частот усиления, на которых K=К0=сonst.

В общем случае входной, Авх, и выходной, Авых, сигналы, действующие на входе и выходе УЭ, могут быть представлены в виде комплексных величин:

; (1.3)

, (1.3а)

где и - модули (абсолютные величины) входного и выходного сигнало; и - фазовые углы входного и выходного сигналов (фазы); щ=2рf - частота, рад/c; - мнимая единица; е=2,731… - основание натурального логарифма.

Комплексный коэффициент усиления усилителя определяется из выражения

,

или , (1.4)

где - модуль коэффициента усиления; ц(щ) - фаза, определяющая фазовый сдвиг между фазами выходного и входного сигнала.

Зависимость К=f(щ,ц) называется амплитудно-фазовой характеристикой.



2. Классификация усилителей

Осуществляется по следующим признакам:

- полоса пропускания и абсолютные значения усиливаемых частот;

- вид входного сигнала (гармонический или импульсный);

- назначение усилителя;

- вид используемых активных радиокомпонентов.

1. По полосе пропускания усилители подразделяются на следующие подгруппы.

Усилители постоянного тока (УПТ), которые предназначены для усиления медленно изменяющихся сигналов.

Такие усилители усиливают не только переменную составляющую входного сигнала, но и его постоянную составляющую. Для неискажённого воспроизведения и передачи сигнала полоса пропускания таких усилителей характеризуется нижней частотой fн=0, и верхней частотой fв?100 кГц. График АЧХ для УПТ приведен на рис. 1.3.

Усилители переменного тока (УНЧ), которые подразделяются на две подгруппы:



а) апериодические, или широкополосные, для которых fн>0, fв?10 кГц…100 МГц, имеющие АЧХ, изображённую на рис. 1.4, а. Для широкополосных усилителей характерно большое отношение (fв/fн)?102…105.

б) частотно-избирательные (узкополосные). Для узкополосных усилителей характерны следующие параметры: (fв/fн)?1,1…1,5; fв-fн<<f0. Их АЧХ имеет вид, изображённый на рис.1.4, б.

2. По виду входного сигнала усилители подразделяются на две подгруппы:

а) усилители аналоговых (непрерывных сигналов в диапазоне от звуковых до очень высоких частот;

б) усилители импульсных сигналов.

3. По назначению усилители подразделяются на следующие подгруппы:

а) усилители напряжения;

б) усилители тока;

в) усилители мощности.

4. По виду используемых активных радиокомпонентов выделяют усилители:

а) на биполярных или полевых транзисторах;

б) интегральные усилители (на ИС);

в) усилители на магнитных элементах;

г) усилители на туннельных диодах и т.д.



3. Основные технические показатели и характеристики аналоговых электронных устройств

К техническим показателям (параметрам) усилителей относят следующие.

1. Коэффициент усиления. В зависимости от назначения усилителя различают следующие разновидности коэффициентов усиления:

Коэффициент усиления по напряжению .

Коэффициент усиления по току .

Коэффициент усиления по мощности .

Если усилитель содержит n каскадов, то общий коэффициент усиления определятся из выражения

. (1.5)

Величину коэффициента усиления часто выражают в децибелах:

К, дБ=20 lg K. (1.5а)

Для n-каскадного усилителя коэффициент усиления в дБ записывается в виде

К(дБ)= К1(дБ)+ К2(дБ)+…+ Кn(дБ).

Значение комплексного коэффициента усиления каскада аппроксимируется с помощью выражения



, (1.6)

где К0 - коэффициент усиления усилителя в области средних частот, в пределах которых коэффициент усиления не зависит от частоты, и при этом все коэффициенты усиления (по напряжению, по току, по мощности) являются действительными величинами;

- постоянная времени усилителя в области нижней частоты усиления щн;

- постоянная времени усилителя в области верхней частоты усиления щв.

Постоянные времени фн и фв характеризуют времена задержки передаваемого сигнала.

Появление задержки сигнала связано с наличием реактивных элементов (ёмкостей С, индуктивностей L) и активных сопротивлений R в цепях реальных усилителей, а также с наличием инерционности активных элементов усилителя (транзисторов и диодов).

Наличие времён фн и фв обуславливает искажения величины К0, приводящее к его уменьшению в области нижних и верхних частот.

В идеальном усилителе в области средних частот выполняется условие

. (1.7)

Из этого выражения можно определить значение частоты щ=щ0 при которой К=К0, а искажения минимальны:

,

откуда следует, что

. (1.8)

По формуле для алгебраической записи комплексного числа можно определить модуль и фазу коэффициент усиления .

Модуль определяет АЧХ усилителя:

. (1.9)

Модуль ФЧХ определяет фазу усиливаемого сигнала:

. (1.9а)

Из выражения для ФЧХ следует, что в диапазоне средних частот фаза сигнала ц(щ0)=-arctg 0=0.

2. Входное сопротивления усилителя, Rвх. Это сопротивление входной цепи усилителя. Схемы замещения входной цепи можно представить в виде, представленном на рис. 1.5, а, б.

На работу усилителя большое внимание оказывает сопротивление источника сигнала (иначе, - сопротивление генератора) Rг. Здесь можно рассмотреть два крайних случая.

Если Rвх>>Rг, то источник сигнала по отношению ко входу является источником напряжения Uг (рис. 1.5, а).

При этом потери напряжения на внутреннем сопротивлении источника входного сигнала Rг будут незначительны. В этом случае входное напряжение Uвх рассчитывается из соотношения

. (1.10)

Говорят, что в данном случае управление идёт от источника напряжения.

В случае, если Rвх<<Rг, то источник сигнала по отношению ко входу является источником тока Iг (рис.1.5, б). В этом случае почти весь ток источника входного сигнала ответвляется во входное сопротивление усилителя, и выполняется условие

. (1.11)

Говорят, что в данном случае управление идёт от источника тока.

3. Выходное сопротивление Rвых. Это сопротивление выходной цепи усилителя. По соотношению величин Rвых и сопротивления нагрузки Rн можно рассмотреть два предельных случая.

Rвых<<Rн - в этом случае усилитель работает в режиме усиления по напряжению, на нагрузке получается максимум усиления по напряжению.

Rвых>>Rн - усилитель работает в режиме усиления по току, на нагрузке получается максимальное усиление по току.

Для получения максимального усиления по мощности, нужно, чтобы Rвх?Rг и Rвых?Rн. Обычно значение Rвх и Rвых составляет величины порядка 10 Ом…100 кОм.

4. Коэффициент полезного действия (КПД) усилителя. Различают два вида КПД.

Выходной КПД рассчитывается по формуле

, (1.12)

где Рн - полезная мощность, отдаваемая в нагрузку усилителя; Р0 - мощность, потребляемая от источника питания.

Полный КПД рассчитывается по формуле

, (1.13)

где РУ -мощность, потребляемая всеми цепями усилителя..

Важными характеристиками электронных усилителей являются их характеристики, определяющие качество работы усилителя. К ним относятся следующие.

5. Фазо-частотная характеристика (ФЧХ) отражает зависимость угла сдвига фазы между входным и выходным сигналами и выражается соотношением

. (1.14)

Фазовый сдвиг обусловлен наличием элементов с реактивным сопротивлением в цепи усилителя. К таким элементам относятся различные ёмкости и индуктивности.

График ФЧХ имеет вид, представленный на рис. 1.6. На этом рисунке цн - фазовый сдвиг для нижних частот щн усиливаемого сигнала; цв - фазовый сдвиг для верхних частот щв. Положительное значение угла цн>0 соответствует опрежению выходного сигнала относительно входного. Отрицательное значение цв<0 характеризует отставание выходного сигнала относительно входного.

Частоты щн гр и щв гр (рис. 1.6) ограничивают частотный диапазон, в котором коэффициент усиления К0=const. В этом диапазоне, как следует из формулы для ФЧХ, фазовый сдвиг ц0=0.

Идеальная ФЧХ характеризуется линейным фазовым сдвигом ц=щt, характерным для идеального усилителя. Если фазовый угол ц пропорционален частоте щ, то это означает, что любая гармоника сложного сигнала получает один и тот же временной сдвиг ф. График идеальной фазовой характеристики является прямой линией. Хотя сигнал при прохождении через усилитель сдвигается во времени, однако его форма остаётся неизменной.

По виду ФЧХ оценивают вносимые усилителем фазовые искажения, отражающие изменение формы выходного сигнала. Эти искажения являются линейными.

6. Амплитудная характеристика и динамический диапазон усилителя. Амплитудная характеристика (АХ) - это зависимость выходного сигнала от входного, Uвых =f(Uвх).

Для идеального усилителя коэффициент усиления К0 является постоянной величиной и определяется из выражения

.

График зависимости Uвых =f(Uвх) аппроксимируется прямой линией (рис. 1.7).

В реальном усилителе АХ имеет изгиб при очень малых входных напряжениях ниже точки А (рис. 1.7.). Этот изгиб связан с наличием в усилителе собственных помех с напряжением Uп.

Эти помехи усиливаются и действуют на выходе даже при отсутствии сигнала на входе. Появление таких помех связано, в частности, с собственными шумами усилителя.

Для нормальной работы усилителя необходимо, чтобы Uвх>Uвх min. Иными словами, на входе напряжение должно превышать напряжение помехи. Более слабые входные напряжения будут загушаться напряжением собственных шумов усилителя.

При слишком больших входных напряжениях Uвх АХ искривляется из-за перегрузки усилителя и возникают нелинейные искажения.

Количественным параметром, характеризующим АХ служит динамический диапазон, выражаемый соотношением

, (1.15)

где Uвх max и Uвх min - максимальное и минимальное значения входного напряжения, при которых АХ линейна.

Величину динамического диапазона часто выражают в децибелах:

D, дБ=20 lg D. (1.15а)

Динамический диапазон электронных усилителей обычно достигает значения 40…50 дБ.

7. Частотные искажения. Появление частотных искажений связано с тем обстоятельством, что модуль коэффициента усиления К(щ) на разных частотах имеет разные значения, Поэтому гармонические составляющие сложного входного сигнала усиливаются неодинаково. Поэтому форма выходного сигнала отличается от формы входного сигнала

Одной из двух причин появления частотных искажений является наличие реактивных элементов в усилителе (ёмкостей и индуктивностей). Их реактивные сопротивления зависят от частоты.

Другой причиной является частотная зависимость физических парметров полупроводниковых приборов - транзисторов и диодов, входящих в состав схемы усилителя.

Количественно частотные искажения в усилителях характеризуются коэффициентом частотных искажений.

Различают коэффициенты частотных искажений для нижних (Мн) и верхних (Мв) частот передаваемого сигнала.

Коэффициент частотных искажений для нижних частот определяется из выражения

,

где К(щн) - коэффициент усиления на нижних частотах.

Для диапазона нижних частот

.

Поэтому значение коэффициента усиления для нижних частот равно

. (1.16)

Следовательно, величина коэффициента частотных искажений для нижних частот может быть рассчитана по формуле

. (1.17)

Коэффициент частотных искажений для верхних частот определяется из выражения

,

где К(щв) - коэффициент усиления на верхних частотах.

Для верхних частот

.

Поэтому значение коэффициента усиления для верхних частот равно

. (1.18)

Следовательно, величина коэффициента частотных искажений для верхних частот может быть рассчитана по формуле

. (1.19)

В идеальном случае, при отсутствии искажений, значение Мн=Мв=1.

8. Нелинейные искажения. Другой вид искажений, вносимых усилителем в передаваемый сигнал - это нелинейные искажения. Их появление обусловлено нелинейностью характеристик транзисторов и диодов, являющимися активными элементами, обеспечивающими усиление электрических сигналов. Действительно, прямые ветви ВАХ p-n переходов, образующих структуру транзисторов аппроксимируются экспоненциальным выражением:

, (1.20)

где ?т = 26 мВ - тепловой потенциал.

В качестве примера на рис. 1.8 приведён пример графического построения входного тока базы Iб=f(Uбэ) транзистора, включённого по схеме с ОЭ, при периодическом изменении напряжения Uбэ.

Из графического построения на рис.1.8 следует, что ток Iб УЭ отличается от симметричного синусоидального. Значит, в нём содержатся гармоники основной частоты входного сигнала и высшие гармоники. Причем, искажения зависят от амплитуды входного сигнала (чем она меньше, тем меньше искажения).

Величина искажений зависит от выбора рабочей точки А на входной характеристике транзистора - на линейном или нелинейном участке ВАХ она выбрана.

Оценка величины нелинейных искажений производится с помощью коэффициента нелинейных искажений Кн (коэффициента гармоник кг), который рассчитывается по формуле

?0,01…0,1, (1.21)

где в числителе - сумма всех гармоник Iim, начиная со второй; I1m - первая гармоника. Расчёт коэффициента гармоник проводится двумя методами: графический метод (метод 5 координат);

аналитический метод с помощью ЭВМ.

4. Обеспечение режима усилительного каскада в статическом режиме

Обеспечение режима работы по постоянному току в усилительном каскаде на одном транзисторе, являющимся управляемым элементом, - это задание необходимого напряжения смещения на выводы транзистора через соответствующий источник питания с напряжением Uп.

Основные требования для обеспечения режима работы транзистора по постоянному току следующие.

1. все цепи по постоянному току должны быть замкнуты, то есть должна быть замкнута цепь базы, коллектора и эмиттера.

2. в качестве коллекторной нагрузки должна использоваться активная или индуктивная нагрузка. Возможно применение параллельно включённых RC - или LC цепей.

3. биполярный транзистор должен быть включён по схеме с ОЭ, ОБ или ОК; полевой транзистор включается по схеме с ОС или ОИ. Выбор схемы включения определяется её частотными свойствами.

4. Усилитель может работать в режимах следующих классов работы:

режим класса А - транзистор в активнм режиме;

режим класса B -транзистор в режиме отсечки;

режим класса АB -промежуточный режим;

режим класса С - «усиленный» класс В;

режим класса D - транзистор в ключевом режиме.

Для выбора статического режима работы транзистора широко применяется графоаналитический метод построения нагрузочных прямых, в котором используется семейство статических входных и входных характеристик.



4.1 Обеспечение режима работы транзистора при включении по схеме с ОЭ

Схема простейшего каскада усиления на транзисторе, включённом по схеме с ОЭ, представлена на рис. 1.9.

Режим работы транзистора по выходной цепи (ток «покоя» коллектора IКр и напряжение UКЭ р) задаётся с помощью резистора Rк, включённого в цепь коллектора. Ток базы Iбр и потенциал базы UБЭ р задаётся с помощью резистора RБ , включённого в цепь базы.

Расчёт режима работы выполняется в следующей последовательности.

1. Из справочников находятся графики выходных статических характеристик Iк=f(Uкэ). Графики представлены на рис. 1.10.

2. Определение рабочей области режима транзистора. Она ограничивается предельными значениями напряжения UК max и тока коллектора IК max, которые связаны следующей зависимостью

, (1.22)

где РК max - максимально допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора, является справочной величиной.

График функции IК max= f (UКЭ) является гиперболой и строится на графике выходной характеристики, как показано на рис.1.10. Область ниже этой кривой является рабочей областью.

3. На графике статической характеристики (рис. 1.10) выбирается рабочая точка А, соответствующая активному режиму работы транзистора. Этой точке соответствуют:

UКЭ р - рабочее напряжение на коллекторном переходе;

IК р - рабочий ток коллектора.

4. Записывается уравнение нагрузочной прямой

, (1.23)

где Uп - напряжение питания, В; UКЭ - текущее напряжение между коллектором и эмиттером транзистора; IК - ток коллектора; RК - сопротивление нагрузки в цепи коллектора.

Подставляя в эту формулу значения UКЭ р и IК р получим:

. (1.24)

Из этого выражения можно рассчитать величину сопротивления нагрузки RК в цепи коллектора по формуле:

. (1.25)

Аналогично выбирается режим работы входной цепи. Для этого используется уравнение входной характеристики IБ=f(UБЭ), показанный на рис.1.11.

1. В соответствии с рис. 1.11 на этом графике выбирается рабочая точка B, соответствующая рабочему току базы IБ р рабочему напряжению UБ р.

2. Через эту точку проводится график нагрузочной прямой для входной цепи. Записывается уравнение нагрузочной прямой

, (1.26)

где Uп - напряжение питания, В; UБЭ - текущее напряжение между базой и эмиттером транзистора; IБ - ток базы; RБ - сопротивление нагрузки в цепи базы.

Подставляя в эту формулу значения UБЭ р и IБ р получим:

. (1.27)



Из этого выражения можно рассчитать величину сопротивления нагрузки RБ в цепи коллектора по формуле:

. (1.28)

Рассмотрим далее методы расчёта обеспечения режимов работы биполярного транзистора, включённого по схеме с ОЭ.

Метод с фиксированным током базы. Схема включения транзистора была представлена выше на рис. 1.9. При построении нагрузочной прямой используется два условия.

1. Транзистор открыт и насыщен, оба перехода открыты. Напряжение UКЭ н транзистора, находящегося в состоянии насыщения, рассчитывается по формуле

, (1.29)

где цт ?0,026 В - тепловой потенциал; в?100 - коэффициент усиления тока базы; вI ?0,05 - коэффициент усиления при инверсном включении транзистора; ?1,50…3 - степень насыщения транзистора. С учётом объёмного сопротивления коллекторной области транзистора, значение UКЭ нас?0,1…0,2 В. Значение максимального тока коллектора рассчитывается по формуле

. (1.30)

2. Транзистор закрыт и находится в режиме отсечки. Оба перехода закрыты. В это случае IКmin?0; UКЭ?Uп.

Все возможные рабочие точки транзистора теперь лежат на получившейся нагрузочной прямой. Наклон этой прямой определяется значением сопротивления в цепи коллектора RК и равен (рис. 1.12). Для обеспечения минимальных нелинейных искажений рабочую точку А выбирают посередине нагрузочной прямой на линейном участке выходной характеристики. Задавшись значениями IБ р, IК р, UКЭ р, UБЭ р по формулам (1.25) и (1.28) рассчитывают значения сопротивлений RК и RБ.

Схема с фиксированным током базы несовершенна. Она работает в небольшом диапазоне изменения температур ДT=10… 200С. Ток базы зависит лишь от Uп и RБ, то есть он фиксирован.

Он не зависит от параметров транзистора, которые зависят от температуры. При этом изменение рабочего тока коллектора составят 10…20% его величины, то есть ДIК?(0,1…0,2)IК р.

Метод обеспечения режима работы транзистора с фиксированным потенциалом базы.

В этой схеме (рис 1.13) зафиксирован потенциал базы UБр=const. UБр= UБэр. Потенциал базы определяется из выражения

. (1.31)

Рассчитать сопротивления R1 и R2 можно, используя следующие условия.

1. Через R1 протекает сумма токов

I= Iдел+IБр, (1.32)

Iдел=(5…10)IБр. (1.33)

2. Задавшись значением IБр, определим сумму R1+R2 по формуле

. (1.34)

Сопротивление R1 можно оценить из условия

Uп=(Iдел+IБр)R1+ UБр, (1.35)

Откуда следует

. (1.36)

В данном случае для расчётов удобно использовать схему замещения входной цепи по Тевенину.

В этой схеме (рис. 1.14)

. (1.37)

Поскольку

UБр=UБэр+IБRБ,

следовательно,

. (1.38)

Поэтому напряжение источника, задающего режим работы базы, равно

. (1.39)

4.2 Обеспечение режима работы транзистора при включении по схеме с ОБ

Схема простейшего каскада усиления на транзисторе с фиксированным током эмиттера, включённом по схеме с ОЭ, представлена на рис. 1.15.

Режим работы транзистора по выходной цепи (ток «покоя» коллектора IКр и напряжение UКБ р) задаётся с помощью резистора RК, включённого в цепь коллектора. Ток эмиттера IЭр и потенциал эмиттера UЭБ р задаётся с помощью резистора RЭ , включённого в цепь эмиттера.

Расчёт режима работы выполняется в следующей последовательности.

1. Из справочников находятся графики выходных статических характеристик IК=f(UЭБ). Графики представлены на рис. 1.16.

2. Определение рабочей области режима транзистора. Она ограничивается предельными значениями напряжения UК max и тока коллектора IК max, которые связаны следующей зависимостью

, (1.40)

где РК max - максимально допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора, является справочной величиной.

График функции IК max= f (UКБ) является гиперболой и строится на графике выходной характеристики, как показано на рис.1.16. Область ниже этой кривой является рабочей областью.

3. На графике статической характеристики (рис. 1.16) выбирается рабочая точка А, соответствующая активному режиму работы транзистора. Этой точке соответствуют:

UКБ р - рабочее напряжение на коллекторном переходе;

IК р - рабочий ток коллектора.

4. Записывается уравнение нагрузочной прямой

, (1.41)

где Uп - напряжение питания, В; UКБ - текущее напряжение между коллектором и базой транзистора; IК - ток коллектора; RК - сопротивление нагрузки в цепи коллектора.

Подставляя в эту формулу значения UКБ р и IК р получим:

. (1.42)

Из этого выражения можно рассчитать величину сопротивления нагрузки RК в цепи коллектора по формуле:

. (1.43)



Аналогично выбирается режим работы входной цепи. Для этого используется уравнение входной характеристики IЭ=f(UЭБ), показанный на рис.1.17.

1. В соответствии с рис. 1.17 на этом графике выбирается рабочая точка B, соответствующая рабочему току эмиттера IЭ р и рабочему напряжению UЭр.

2. Через эту точку проводится график нагрузочной прямой для входной цепи. Записывается уравнение нагрузочной прямой

, (1.44)

где UЭ - напряжение питания, В; UЭБ - текущее напряжение между базой и эмиттером транзистора; IЭ - ток базы; RЭ - сопротивление нагрузки в цепи базы.

Подставляя в эту формулу значения UЭБ р и IЭ р получим:

. (1.45)

Из этого выражения можно рассчитать величину сопротивления нагрузки RЭ в цепи коллектора по формуле:

. (1.46)

Рассмотрим методы расчёта обеспечения режимов работы биполярного транзистора, включённого по схеме с ОБ.

Метод с фиксированным током эмиттера. Используется схема включения согласно рис. 1.15. Расчёт схемных элементов производится по соответствующим формулам.

Метод с фиксированным потенциалом эмиттера. Схема включения представлена на рис. 1.18. В данной схеме потенциал эмиттера регулируется методом фиксации потенциала базы с помощью делителя на резисторах R1 и R2. Значение потенциала базы рассчитывается из соотношения

. (1.47)

Величину сопротивления резистора R1 рассчитываем по формуле

.(1.48)



4.2 Обеспечение режима работы транзистора при включении по схеме с ОК

Схема простейшего каскада усиления на транзисторе, включённом по схеме с ОК, представлена на рис. 1.19.

Режим работы транзистора по выходной цепи (ток «покоя» коллектора IКр и напряжение UКЭ р) задаётся с помощью резистора RЭ, включённого в цепь эмиттера. Ток базы Iбр и потенциал базы UБЭ р задаётся с помощью резистора RБ , включённого в цепь базы.

Расчёт режима работы усилительного каскада с ОК выполняется в последовательности изложенной в п.1.4.1.

Методы и схемы обеспечения режимов работы биполярного транзистора, включённого по схеме с ОК.

Метод с фиксированным током базы. Используется схема включения согласно рис. 1.19. В данной схеме уравнение нагрузочной прямой записывается в виде

. (1.49)

Из этого выражения можно рассчитать величину сопротивления нагрузки RЭ в цепи эмиттера по формуле:

. (1.50)

Величину сопротивления RБ в цепи базы рассчитываем из условий:

(1.51)

Из этих выражений следует, что величина RБ рассчитывается по формуле:

. (1.52)

Метод обеспечения режима работы транзистора с фиксированным потенциалом базы (схема Ши).

В этой схеме (рис 1.20) зафиксирован потенциал базы UБр=const. Напряжение база-эмиттер будет определяться разностью потенциалов базы и эмиттера: UБЭ= UБр-UЭр. Потенциал базы определяется из выражения

. (1.53)

Потенциал эмиттера равен UЭр=IЭRЭ. Следовательно,

.(1.54)

Рассчитать сопротивления R1 и R2 можно, используя следующие условия.

1. Через R1 протекает сумма токов

I= Iдел+IБр.

2. Iдел=(5…10)IБр.

Поэтому, задавшись значением IБр, определим сумму R1+R2 по формуле

. (1.55)

Сопротивление R1 можно оценить из условия

Uп=(Iдел+IБр)R1+ UБр, (1.56)

Откуда следует

. (1.57)



4.3 Методы температурной стабилизации рабочей точки биполярного транзистора

Наиболее чувствительным к изменению температуры является коллекторный ток биполярного транзистора. Выполним анализ причин, приводящих к температурной нестабильности коллекторного тока.

Для всех схем включения биполярного транзистора справедливо следующее выражение для коллекторного тока транзистора:

. (1.58)

Поскольку IК=f(IБ, IК0), то полное приращение коллекторного тока может быть представлено выражением

. (1.59)

В этом выражении производная , поскольку значение тока базы, и не зависит от температуры. Следовательно

, (1.60)

где - абсолютный коэффициент влияния.

Очевидно, значение .

Рассмотрим условие работоспособности схемы. Обычно, допускаемое отклонение величины коллекторного тока ДIК доп определяется соотношением



ДIК доп?(0,1…0,2) IК р, (1.61)

где IК р - рабочий ток коллектора.

Схема является работоспособной, если выполняется условие

ДIК расч< ДIК доп, (1.62)

где ДIК расч - расчётное отклонение коллекторного тока.

Схема является неработоспособной, если выполняется условие

ДIК расч> ДIК доп. (1.63)

При реализации схемы коллекторной стабилизации для стабилизации рабочей точки используют внутрикаскадную отрицательную обратную связь (ООС) по постоянному току.

В общем случае различают три вида и, соответственно, способа температурной стабилизации режима работы транзистора:

параллельная ООС по напряжению (коллекторная стабилизация);

последовательная ООС по току (эмиттерная стабилизация);

комбинированная температурная стабилизация.

Способ коллекторной стабилизации.



Рассмотрим это вид стабилизации на примере схемы с фиксированным током базы, изображённой на рис. 1.21. В этой схеме ток базы задаётся через резистор RБ, подключённый непосредственно к коллекторному выводу транзистора. Значение тока IБр, протекающего через этот резистор, определяется соотношением

. (1.64)

Второй закон Кирхгофа для выходной цепи имеет вид

. (1.65)

Рассмотрим влияние температуры на потенциал базы UБр.

1. При возрастании температуры Т увеличивается ток коллектора IК. Следовательно, возрастает падение напряжения на коллекторном резисторе RК.

2. Как следствие, уменьшается падение напряжения UКЭ р.

3. По этой причине уменьшается ток базы IБ и транзистор начинает «призакрываться».

4. Этот процесс препятствует возрастанию коллекторного тока IК и, в результате, результирующее приращение коллекторного тока ДIК будет меньше, чем в схеме без ООС.



Недостатком рассмотренной схемы является уменьшение коэффициента усиления каскада по переменной составляющей сигнала.

Практическая схема коллекторной стабилизации с помощью параллельной ООС по напряжению приведена на рис. 1.22. В этой схеме базовый резистор RБ разделяется на два, и средняя точка между ними подключается к общему проводу с помощью блокирующего конденсатора Cф. Конденсатор Сф совместно с резисторами RБ' и RБ" образует цепь фильтра нижних частот, через которую отфильтровывается переменная составляющая сигнала в цепи обратной связи.

Далее, рассчитаем величину коэффициента влияния АK0 для схемы с коллекторной стабилизацией базового тока. С этой целью преобразуем выражение для коллекторного тока к виду, удобному для анализа. Найдём выражение для тока базы IБ, используя соотношения, вытекающие из схемы рис.1.21:

(1.66)

Производя подстановку UКЭ=IБRБ в первое из этих выражений, получим:

IБRБ=Uп -IК RК -IБRК. (1.67)

После группировки для тока базы IБ получаем следующее выражение:

. (1.68)

Подставляя в выражение для IК, получаем:

. (1.69)

Раскрывая скобки, получаем

IКRБ+ IКRК =вUп - вIКRК+(1+в)(RБ +RК)IК0.

Группируем:

IК (RБ+ RК+ вRК) =вUп +(1+в)(RБ +RК)IК0.

В результате получаем выражение для коллекторного тока в виде, удобном для дифференцирования:

. (1.70)

По этой формуле рассчитаем абсолютный коэффициент влияния:

.

Производя последующие преобразования, получим окончательно:

. (1.71)

Итак, величина коэффициента влияния в случае коллекторной стабилизации в десятки раз меньше, чем для простой схемы с фиксированным током базы, что и обуславливает более высокую стабильность коллекторного тока транзистора.

Способ эмиттерной стабилизации.

Рассмотрим это вид стабилизации на примере схемы с фиксированным потенциалом базы, изображённой на рис. 1.23.

В этой схеме в цепь эмиттера дополнительно включено сопротивление RЭ.

Как и в ранее рассмотренных схемах здесь стабилизируется напряжение UБр, которое рассчитывается по формуле:

. (1.72)

В этой формуле потенциал базы UБр не зависит от температуры:

. (1.73)

Наоборот, значение потенциала эмиттера UЭр от температуры зависит и рассчитывается по формулам UЭр= IЭрRЭ ? IКрRЭ, где IЭр и IКр - рабочие токи эмиттера и коллектора.



Первое выражение для анализа запишем в виде:

. (1.74)

1. При росте температуры увеличиваются ток коллектора IК и ток эмиттера IЭ. Это приводит к увеличению падения на эмиттерном резисторе RЭ.

2. Поскольку потенциал базы UБр=const, то управляющее напряжение UБЭ уменьшается и в результате этого транзистор «призакрывается».

3. В результате снижается величина коллекторного тока IК и его величина становится меньше.

Наличие последовательной ООС по току уменьшает коэффициент усиления транзистора по переменному току. Поэтому резистор RЭ шунтируется ёмкостью CЭ,. Величина этой ёмкости должна быть такова, чтобы её реактивное сопротивление .

Включение термокомпенсирующего диода. В этой схеме фиксированный потенциал базы задаётся с помощью термокомпенсирующего диода, включённого в цепь делителя напряжения, как это показано на схеме рис. 1.24, а.

Этот метод основан на снижении сопротивления p-n перехода с ростом температуры. При росте температуры (T2> T2) дифференциальное сопротивление rдиф диода снижается (рис. 1.24, б). Вследствие этого на нём уменьшается падение напряжения, то есть

В результате стабилизируется ток базы, то есть IБр=const.

Способ комбинированной стабилизации. Объединяет в себе способы коллекторной и эмиттерной стабилизации и различные виды ООС. Обычно этот метод используется в схемах с фиксировнным потенциалом базы. В схеме рис. 1.25 используется одновременно коллекторная и эмиттерная стабилизация. Это осуществляется за счёт введения резисторов Rф и RЭ.

Потенциал базы UБр может быть рассчитан по формуле

, (1.75)

где U ' - потенциал точки между резисторами Rф и Rк (рис.1.25).

Потенциал U ' рассчитывается по формуле: U '=Uп - IКрRф.

Подставляя в предыдущую формулу, получим, что

. (1.76)

Потенциал эмиттера (рис. 1.25) равен: UЭр=IЭрRЭ.

Тогда для потенциала UБЭр (рис.1.25) получаем выражение:

vUБЭр= vUБр - ^UЭр. (1.77)

Проведём анализ последнего выражения.

С ростом температуры увеличивается коллекторный ток IКр. Поэтому потенциал базы UБр уменьшается. Соответственно, увеличивается эмиттерный ток IЭ=IК/б. Cледовательно, увеличивается и потенциал эмиттера UЭр. Поэтому, изменение напряжения UБЭр будет минимальным. Для устранения влияния переменного сигнала на входе резистор RЭ обязательно шунтируется ёмкостью СЭ. Величина реактивного сопротивления этой ёмкости ХСэ<<RЭ.

В противном случае переменная составляющая эмиттерного ока iЭ создаёт на резисторе RЭ падение напряжения

. (1.78)

Это напряжение будет уменьшать UБЭ, а коэффициент усиления будет уменьшаться, что является следствием появления ООС.

Для устранения ООС по напряжению, которая появляется при дополнительно введении резистора Rф, в схему вводят большую ёмкость Сф, такую, что ХСф<<Rф. Тогда она шунтирует резистор Rф.

4.4 Режим работы усилителя по переменному току

Рассмотрим изменения в работе усилителя, если к транзистору подключить сопротивление нагрузки Rн и подать на вход напряжение от генератора Uвх, создающего переменное напряжение (рис. 1.26).

Для переменного тока на выходе величина реактивного ёмкостного сопротивления . Поэтому падение напряжения на ёмкости Cр будет мало и им можно пренебречь. Используя метод суперпозиции (источники заземляются), сопротивление нагрузки для переменной составляющей выходного тока уменьшается по сравнению с RК:

. (1.79)

Таким образом, сопротивление нагрузки по переменному току < Rк.

Поэтому при расчётах статических режимов работы транзистора следует строить две нагрузочные прямые: для постоянного тока и для переменного тока (рис.1.27).

Для постоянного тока уравнение нагрузочной прямой имеет вид:

. (1.80)

Точки пересечения нагрузочной прямой с осями выходной характеристик: по оси ординат , по оси абсцисс .

Для переменного тока

. (1.81)

Максимальную амплитуду переменного выходного напряжения, которое будет передаваться без искажений, определяет произведение

. (1.82)

Если изменения входного напряжения Uвх, тока базы iб и тока коллектора iк укладываются в линейные участки входной и выходной характеристик, то форма выходного напряжения Uвых будет соответствовать форме входного напряжения.



Рассмотрим временные диаграммы токов и напряжений усилителя по схеме с ОЭ, работающего в динамическом режиме, схема которого изображёна на рис.1.28.

Эти диаграммы показаны на рис.1.29 и показывают эпюры напряжений и токов на различных выводах транзистора при подаче на вход усилителя гармонического напряжения, график которого показан на рис. 1.29, а.

Напряжение UБЭ на переходе база-эмиттер (рис. 1.29, б) изменяется в такт со входным напряжением. Это напряжение модулирует рабочий потенциал перехода UБЭр.

Соответственно, ток в базе транзистора IБ (рис. 1.29, в) при соответствующем выборе рабочего режима входной цепи изменяется пропорционально входному напряжению Uвх, достигая своего максимального IБ max и минимального значений.

Ток в коллекторе транзистора IК (рис. 1.29, г) при правильном выборе рабочего режима выходной цепи (активный режим) изменяется пропорционально входному току IБ, достигая своего максимального IК max и минимального значений.

На рис. 1.29, д представлено изменение разности потенциалов UКЭ на переходе коллектор- эмиттер усилительного транзистора. В данном случае увеличение тока коллектора IК ведет к возрастанию падения напряжения на резисторах RК и RЭ, включённых последовательно в цепь коллектор-эмиттер транзистора. Значение потенциала UКЭ рассчитывается по формуле

. (1.83)

Следовательно, в усилителе, включённом по схеме с ОЭ, напряжение UКЭ изменяется в противофазе с коллекторным током IК, и, следовательно, с входным напряжением Uвх. Это обстоятельство является важной особенностью усилителя с транзистором, включённым по схеме с ОЭ.

Выходное напряжение усилителя Uвых после отфильтровывания постоянной составляюшей на разделительной ёмкости Ср2 (рис.1.29, е) составит величину

Uвых =iК (RК||Rн), (1.84)

где iК - значение переменной составляющей тока коллектора.



4.5 Классы работы усилителя

Как уже отмечалось, усилители могут работать в режимах следующих классов работы: режим класса А , B, АB, С и D.

Наиболее распространёнными режимами работы являются режимы классов А и Б. Отличительными особенностями режимов работы является выбор рабочей точки на выходной характеристике УЭ. Он определяет и режим работы входной цепи транзистора.

Режим класса А. Рабочая точка А выбирается в середине активного участка выходной характеристики транзистора, IК=f(UКЭ). Следовательно,, при работе в этом режиме рабочая точка находится на середине линии нагрузочной прямой.

На рис 1.30 приведены эпюры напряжений и токов для схемы режима класса А,

Характеристикой режима класса А является угол отсечки И - это половина части периода (в градусах или радианах), в течение которого ток коллектора IК?0. Режим класса А обычно используется в усилителях напряжения небольшой мощности.

Мощность, подводимая от источника питания Uп, равна площади прямоугольника P0:

P0=IКрUКЭр. (1.85)

В этом режиме амплитуда переменной составляющей коллекторного тока IКm ?IКр, где IКр - ток покоя.

Площади треугольников А'О'А и АО"А" отражают мощность переменного тока на выходе усилителя Рвых=0,5 IКmUКm..

Выражение для КПД усилителя с учётом мощности одной полуволны имеет вид:

. (1.86)

Поскольку IКm ?IКр и UКm ?UКр, следовательно Рвых<P0.

Предельное значение КПД можно рассчитать из условий: IКm =IКр, UКm =UКр. Следовательно, з=0,5. Реальный КПД равен 30..50%.

Режим класса В. Рабочая точка В выбирается в нижнем участке нагрузочной прямой IК=f(UКЭ) (рис. 1.31). На рис 1.31 приведены эпюры напряжений и токов для схемы режима класса В,

В режиме класса В рабочая точка устанавливается в области режима отсечки работы транзистора. При этом ток базы минимален, а ток коллектора IКр равен обратному току коллектора IК0, то есть IКр =- IК0.

Следовательно, при наличии гармонического входного сигнала ток коллектора имеет вид полуволн синусоиды (рис.1.31).

Выражение для КПД усилителя с учётом мощности одной полуволны для режима класса В имеет вид (рис. 1.31.):

, (1.87)

где обычно , кроме того, UКm?2UКср.

Тогда

. (1.88)

Следовательно, максимально достижимый КПД усилителя, работающего в режиме класса В составляет

. (1.89)

Угол отсечки усилителя составляет И=р/2 . Усилители, работающие в режиме класса В, используются обычно в двухтактных усилителях мощности выходных каскадов.

Контрольные вопросы

1. Структура электронных усилителей и их классификация.

2. Основные технические показатели электронных усилителей.

3. Частотные искажения в усилителях.

4. Временные диаграммы токов и напряжений усилительного каскада на транзисторе, включенном по схеме с ОЭ.

5. Почему усилительный каскад на транзисторе, включённом по схеме с общим эмиттером, инвертирует входной сигнал ?

6. Какие методы задания режима работы транзистора по постоянному току Вам известны ?

7. Построить нагрузочные характеристики для входной и выходной цепи исследуемого усилительного каскада (использовать паспортные данные применённого транзистора).

8. С какой целью включены конденсаторы в схеме на рис.1.28; какие требования предъявляются к значению их ёмкостей ?

9. Построение нагрузочных прямых для транзисторов, включенных по схеме с ОЭ и ОБ.

10. Методы обеспечения режимов работы БП транзистора, включенного по схеме с ОЭ.

11. Методы обеспечения режимов работы БП транзистора, включенного по схеме с ОБ.

12. Методы обеспечения режимов работы БП транзистора, включенного по схеме с ОК

13. Методы температурной стабилизации рабочей точки биполярного транзистора.

14. Общий метод расчета температурного коэффициента нестабильности коллекторного тока транзистора.

15. Расчет температурного коэффициента нестабильности коллекторного тока транзистора с коллекторной стабилизацией тока базы.

16. Динамический режим работы усилительного каскада.

17. Классы усиления электронных усилителей, их характеристики.

Размещено на Allbest.ru

...