1. Основные характеристики аэу. 6Тема Основные характеристики аэу 1 Классификация аэу

• Название: 6Тема Основные характеристики аэу 1 Классификация аэу
• Дата: 29.03.2019
• Размер: 1.22 Mb.
• Имя файла: 1. Основные характеристики аэу.doc
• Тип: Документы; #71982
• страница: 2 из 8

Тема 3. Обеспечение режима работы усилителя

3.1 Способы обеспечения смещения рабочей точки усилителя
Режим работы транзистора характеризуется начальным положением рабочей точки (р.т.) на линии нагрузки или на сквозной динамической характеристике (СДХ) в режиме покоя, т.е. при отсутствии входного сигнала.

Начальное положение рабочей точки задается величиной тока во входной цепи или напряжением смещения.

Наибольшее распространение имеют независимое смещение и от коллекторного питания Е_п. Независимое смещение (рис.3.1) от Е_см через R_б используется в усилителях мощности, в импульсных схемах.



Рисунок 3.1 – Схема усилителя с независимым смещением

Достоинством схемы является независимость от смены транзистора, недостатком – при изменении температуры меняется режим работы.

3.1.1 Фиксированное смещение делителем напряжения

Потенциал базы жестко фиксируется делителем напряжения R₁, R₂ (рис.3.2). Ток течет от E_к через делитель напряжения.



Рисунок 3.2 – Схема усилителя со смещением от делителя напряжения

Падение напряжения на R₂ создает смещение на базу Е_см = U_бэ. Чтобы ток делителя напряжения не зависел от тока базы покоя должно выполняться условие

I_дел = (2 - 5)I_бп.

Для выполнения этого условия надо уменьшать R₁, R₂, но при этом растет потребление энергии от E_к, падает кпд и падает входное сопротивление усилителя, а оно итак мало.

Поэтому выбирается



при этом



Резисторы R₁, R₂ по постоянному току соединены последовательно, по переменной составляющей – параллельно R₁₂ >>R_вх.
Достоинством схемы является независимость от смены транзистора, недостатком – при изменении температуры меняется режим работы.

3.1.2 Смещение рабочей точки током базы покоя
В схеме (рис.3.3) смещение создается током базы покоя, протекающим от E_к через R_б, бэ, ; – E_к.





Рисунок 3.3 – Схема усилителя со смещением током базы

Отсюда можно определить R_б, которое необходимо поставить в схему для обеспечения нужного смещения



Недостатком схемы является изменение смещения при смене транзистора и изменении температуры окружающей среды.
3.2 Стабилизация режима в усилительном каскаде

3.2.1 Зависимость параметров транзистора от температуры
При увеличении температуры происходит:

а) увеличение теплового тока коллектора I_к0



где =0.08 (1/С) – температурный коэффициент, Δt   приращение температуры;

б) смещение входных характеристик влево (рис.3.4).

Температурный коэффициент напряжения ТКН = –2,5 В/С, а смещение

ΔU_бэ = Δt , где  = (2,2…2,5)10  ³.

в) увеличение коэффициента передачи по току β.

В результате смещается рабочая точка и изменяется режим усиления.



Рисунок 3.4 – Входная характеристика усилителя

Для уменьшения влияния температуры, т.е. для стабилизации режима работы вводится цепь термостабилизации параметров или термокомпенсации.
3.2.2 Эмиттерная термостабилизация рабочей точки
Схема обеспечивает высокую стабильность точки покоя. Используется последовательная отрицательная обратная связь (ООС) по току (рис.3.5), которая снимается с R_э. Смещение создается делителем напряжения R₁, R₂ и снимается с R₂. Конденсатор С_э ставится для предотвращения ОС по переменной составляющей в рабочей полосе частот, закорачивая R_э для частот

1/(ωС_э)<< R_э. Должно выполняться условие Х_c = 0,1R_э.



Рисунок 3.5 – Схема эмиттерной термокомпесации

При увеличении температуры окружающей среды увеличивается тепловой ток I_к0 коллекторного перехода, следовательно, увеличивается ток I_к коллектора (I_к = I_к0+βI_б). Это ведет к увеличению тока I_э эмиттера (I_э = I_к+ I_б) и падения напряжения U_Rэ на R_э (U_Rэ= I_э R_э). Тогда смещение на базе U_бэ уменьшается, т.к. U_бэ= U_R2 – U_Rэ. Уменьшение U_бэ подавляет возрастание коллекторного тока, стабилизируя его значение.

3.2.3 Коллекторная термостабилизация
Используется параллельная отрицательная обратная связь (ООС) по напряжению (рис.3.6) через R_б.



Рисунок 3.6 – Схема коллекторной термостадилизации

При увеличении температуры окружающей среды увеличивается тепловой ток I_к0 коллекторного перехода, следовательно, увеличивается ток I_к коллектора. Увеличивается падение напряжения на R_к, что ведет к уменьшению U_кэ и тока базы I_бп

I_бп = U_кэ / R_б.

С уменьшением тока базы уменьшается и ток коллектора, то есть возвращается к прежнему значению.

Достоинством схемы является то, что не нужна специальная цепь смещения, так как смещение на базу подается от E_к через R_к и R_б. Но недостатком является то, что наличие ООС по переменной составляющей уменьшает коэффициент усиления и входное сопротивление.

Одной из распространенных конфигураций интегральных схем усилительных каскадов является схема (рис. 3.5), только без конденсаторов, т.е. схема эмиттерной термостабилизации. Также часто используется схема с эмиттерным повторителем на выходе (рис. 3.7).

Здесь R₅ – сопротивление ОС. Через R₅ осуществляется параллельная ООС (U_вх и U_выхос соединены в одной и той же точке, параллельны между собой) по напряжению (U_вых и U_вхос соединены в одной и той же точке).



Рисунок 3.7 – Схема двухкаскадного усилителя с эмиттерным повторителем

Обратная связь отрицательная, т.к. U_выхос в противофазе с U_вх. Первый каскад на VT₁ (c ОЭ) поворачивает фазу на π, второй – на VT₂ (с ОК) фазу не меняет, т.е. суммарный фазовый сдвиг равен π.

Дополнительно R₃ создает местную последовательную ООС по току.

3.2.4 Термокомпенсация рабочей точки
Для получения большей стабильности и уменьшения рассеиваемой мощности можно применять нелинейные термочувствительные сопротивления: термисторы, диоды и другие нелинейные элементы с заметным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС).

На (рис.3.8) применена термокомпенсация режима. Сопротивление термистора R_t в цепи делителя напряжения зависит от температуры – с увеличением температуры сопротивление термистора уменьшается.



Рисунок 3.8 – Схема усилителя с термистором в цепи ДН

С повышением температуры увеличивается тепловой ток I_к0 коллекторного перехода, следовательно, увеличивается ток I_к коллектора, одновременно уменьшается сопротивление R_t, уменьшается смещение U_б и уменьшается ток коллектора I_к.

Тема 4. Усилители с ОЭ и ОБ

4.1 Эквивалентная схема усилителя с ОЭ
Для анализа и расчета усилителей используются эквивалентные схемы. Представим схему усилителя с ОЭ (рис.4.1).



Рисунок 4.1 – Схема усилителя с ОЭ

Обычно источник питания E_к выбирается так, чтобы падение напряжения на нем от переменной составляющей было намного меньше, чем падение напряжения на остальных элементах усилителя. Тогда внутренним сопротивлением E_к можно пренебречь. Сопротивление делителя напряжения равно



Транзистор можно представить в виде его эквивалентной схемы. В схеме транзистора пренебрегаем:

а) диффузионной емкостью эмиттерного перехода С_бэ, т. к. его емкостное сопротивление намного больше, чем r_э – дифференциальное сопротивление ЭП



б) R_э, С_э – сопротивлением и емкостью в эмиттерной цепи.

Барьерная емкость коллекторного перехода увеличивается, а дифференциальное сопротивление уменьшается по сравнению со схемой с ОБ



Учитывая вышесказанное и, что , получаем эквивалентную схему усилителя (рис. 4.2) для всего диапазона частот.


Рисунок 4.2 – Эквивалентная схема усилителя с ОЭ для всего диапазона частот
4.1.1 Эквивалентная схема усилителя с ОЭ для средних частот
На средних частотах коэффициент усиления усилителя К₀ имеет максимальное значение и фазовый сдвиг  = 0, так как на них емкости схемы не влияют. Действительно, разделительная емкость С_р1 большая, ее емкостное сопротивление Х_ср1 << R₁₂, r_вх, включенное последовательно с R₁₂, r_вх, мало для средних частот, аналогично для С_р2 Х_ср1 << R_Н, R_k. Пренебрегаем С_р1 и С_р2. Барьерная емкость С_кэ мала, ее емкостное сопротивление велико и включено параллельно выходу. Поэтому С_кэ тоже можно пренебречь. Из схемы (рис.4.2) получим схему для средних частот, в которой будут отсутствовать все емкости (рис.4.3).



Рисунок 4.3 – Эквивалентная схема усилителя с ОЭ для средних частот

Определим основные параметры усилителя R_вх, R_вых, K_I, K_U, K_p. Входное сопротивление усилителя Rвх = R₁₂II r_вх. Так как R₁₂ >>r_вх, то .

Выходное сопротивление R_вых = r_кэII R_k. Так как r_кэ>>R_k, то R_вых ≈ R_k.

Коэффициент усиления по напряжению



Учитывая, что R_н >>R_k, r_кэ>>R_k и R₁₂>>R_вх и, пренебрегая R_н, r_кэ и R₁₂, получим:

- коэффициент усиления по напряжению



- коэффициент усиления по току



- коэффициент усиления по мощности



4.1.2 Эквивалентная схема усилителя с ОЭ для низких частот
На низких частотах коэффициент усиления уменьшается, т.к. сказывается влияние С_р1 и С_р2.



Рисунок 4.4 – Эквивалентная схема УНЧ с ОЭ для низких частот

Емкостное сопротивление Хс_р1и Хс_р2 увеличивается с уменьшением частоты и становится соизмеримым с R_вх и R_г. Хс_кэ также растет, но оно включено параллельно выходу и его влияние еще меньше, чем на средних частотах. На эквивалентной схеме (рис.4.2) для НЧ будет отсутствовать только С_кэ (рис.4.4).

Дополнительные частотные искажения на НЧ вносит цепь термостабилизации при неправильном выборе Сэ.



где К_о – коэффициент усиления на средних частотах; М_н   коэффициент частотных искажений М_н = М_н1 ∙ М_н2 ∙.. М_нi.



где τ_н – постоянная времени перезаряда емкости.

Для конденсаторов С_р1, С_р2 и С_э постоянные времени соответственно равны:



4.1.3 Эквивалентная схема усилителя с ОЭ для высоких частот
В области высоких частот все емкостные сопротивления уменьшаются, емкостные сопротивления разделительных конденсаторов Хс_р1 и Хс_р2, соединенные последовательно, не влияют, а Хс_кэ, соединенное параллельно, уменьшается и шунтирует R_н. Следовательно, уменьшается коэффициент усиления каскада. На эквивалентной схеме (рис.4.2) для ВЧ будут отсутствовать С_р1 и С_р2 (рис.4.5).



Рисунок 4.5 – Эквивалентная схема УНЧ с ОЭ для высоких частот

Коэффициент усиления на верхних частотах



где из-за зависимости коэффициента передачи тока β от частоты ω.

В общем виде коэффициент усиления



Таким образом, усилительный каскад с ОЭ:

– имеет большой коэффициент усиления по напряжению и по току;

– r_вх < r_вых, r_вх - единицы кОм; r_вых - десятки кОм;

– полоса пропускания уже, чем в схеме с ОБ, так как барьерная емкость в схеме с ОЭ больше, чем в схеме с ОБ;

– фазовый сдвиг φ = π в диапазоне низких частот.

Применяется в схемах, где недопустимы нелинейные искажения, например, в каскадах предварительного усиления.
4.2 Усилитель с ОБ
Усилитель с общей базой работает в классе А (рис.4.6). E_э и R_э служат для задания тока эмиттера I_э в режиме покоя, R_к – для снятия выходного сигнала; С_р1 и С_р2   разделительные емкости.

Основные параметры:

коэффициент усиления по напряжению



коэффициент усиления по току



коэффициент усиления по мощности



входное сопротивление



выходное сопротивление R_вых = r_k II R_k II R_н ≈ R_k , фазовый сдвиг =0.



Рисунок 4.6 – Схема усилителя с ОБ

Особенности схемы:

а) коэффициент усиления по току К_I << К_U;

б) мало R_вх (сотни Ом) и большое R_вых (сотни кОм);

в) шире частотный диапазон;

г) малы нелинейные искажения;

Схема применяется:

а) в стабилизаторах тока;

б) при необходимости большего частотного диапазона, т.к. частотный диапазон усиления шире, чем с ОЭ;

в) для усиления импульсных сигналов и др.
Тема 5. Типовые усилительные каскады

5.1 Эмиттерный повторитель
Эмиттерный повторитель (ЭП) – это схема с ОК (рис.5.1). Отсутствие R_к приводит к схеме с ОК и 100% последовательной ООС по напряжению. Нагрузка R_э, служащая для снятия выходного сигнала, включена в цепь эмиттера. Резисторы R₁ и R₂ служат для создания смещения на базу.



Рисунок 5.1 – Схема ЭП

Все выходное напряжение введено последовательно во входную цепь и вычитается из входного сигнала U_бэ = U_вх - U_вых, т.е. имеет место 100% последовательной отрицательная обратная связь по напряжению.

Увеличение положительной полуволны переменного U_вх приводит к увеличению I_э и, следовательно, к увеличению U_вых, что говорит о совпадении фаз. Таким образом, ЭП входной сигнал не инвертирует.

Основные параметры схемы:

а) коэффициент усиления по напряжению



б) коэффициент усиления по току K_I = I_вых/I_вх = 1 + β – сотни единиц;

в) коэффициент усиления по мощности K_p = K_U K_I – сотни единиц;

г) входное сопротивление – сотни кОм;

д) выходное сопротивление – единицы сотен Ом;

е) фазовый сдвиг =0.

Особенности схемы:

а) коэффициент усиления по току К_I >>1 и по мощности К_р >1;

б) нет усиления по напряжению К_U 1, выходное напряжение повторяет входное и по величине и по фазе;

в) большое R_вх (сотни кОм) и мало R_вых (сотни Ом) ;

г) шире динамический диапазон усиливаемых сигналов, так как уменьшаются нелинейные искажения;

д) меньше коэффициент частотных искажений, т.е. шире полоса пропускания.

Эмиттерный повторитель используется для:

- согласования схем с высоким выходным сопротивлением со схемами с низким входным сопротивлением;

- увеличения входного сопротивления последующей схемы;

- усиления тока и мощности.

5.2 Схема сдвига уровня напряжения
Для предотвращения передачи высокого напряжения коллекторного питания Е_к на вход следующего каскада ставятся схемы сдвига уровня напряжения (рис.5.2).



где U* = 0,7 В – падение напряжения на эмиттерном переходе и на диоде;

n – количество диодов; U₁ – уровень постоянного напряжения предыдущего каскада; U₂ – постоянное напряжение на выходе схемы сдвига..



Рисунок 5.2 – Схема сдвига уровня напряжения

5.3 Фазоинверсный каскад
Фазоинверсный или каскад с разделенной нагрузкой (рис.5.3) имеет две нагрузки R_н1 и R_н2. Резистор R_к служит для снятия выходного сигнала U_вых1 (транзистор по этому выходу включен по схеме с ОЭ), R_э   для снятия выходного сигнала U_вых2 (транзистор включен по схеме с ОК).



Рисунок 5.3 – Схема каскада с разделенной нагрузкой

Коэффициент усиления U_вых1



Коэффициент усиления U_вых2



Обычно снимаются одинаковые сигналы по амплитуде, но противоположные по фазе.

Для равенства U_вых1 = U_вых2 необходимо выполнение условия R_k = R_э.
5.4 Выходные каскады усилителей
Выходные каскады – это усилители мощности. Они служат для получения максимальной мощности в нагрузке при максимально возможном КПД и минимальных нелинейных искажениях.

В микроэлектронике класс А обычно используется редко из-за низкого КПД. Более популярны двухтактные усилители класса В и АВ.

5.4.1 Простейшая двухтактная схема
Рассмотрим простейшую двухтактную схему усилителя класса В на комплементарных транзисторах (рис.5.4).



Рисунок 5.4 – Схема 2-х тактного усилителя класса В

Транзистор VT₁ – n-p-n, VT₂ – p-n-p –типа.

Нагрузка R_н включена в эмиттерной цепи, т.е. транзистор включен по схеме с ОК, следовательно, этот ЭП дает большое усиление по мощности, обусловленное высоким коэффициентом усиления тока.

В режиме покоя оба транзистора закрыты, т.к. U_бэ = 0 (класс В).

При подаче положительной полуволны переменного напряжения VT₁ – открывается, VT₂ – закрывается. Течет ток от +Е₁   кэ₁   R_н   – Е₁.

При подаче отрицательной полуволны переменного напряжения VT₁ – закрывается, VT₂ – открывается. Течет ток от +Е₂   R_н   эк₂   – Е₂.

Таким образом, схема работает в два такта: в первом такте открыт VT₁, во втором   VT₂, т.е. на выходе усилителя образуется биполярный сигнал. Коэффициент усиления по мощности K_p = Iэ/I_б = β + 1.

Но недостаток схемы в том, что она имеет высокий коэффициент нелинейных искажений К_н. На (рис.5.5) приведена совмещенная передаточная характеристика I_э = f (U_б).



Рисунок 5.5 – Совмещенная переходная характеристика усилителя

Длительность положительной и отрицательной полуволн на выходе меньше полупериода сигнала (часть синусоиды не усиливается). Выходной ток I_э носит импульсный характер, т.е. имеет большое число высших гармоник в своем спектре. Это особенно существенно при малых U_вх, соизмеримых с U*.

5.4.2 Усилитель мощности с раздельным начальным смещением
Для устранения нелинейных искажений вводится раздельное смещение на базы транзисторов (рис.5.6,а). На диодах VD₁ и VD₂ создается падение напряжения U*, которое смещает рабочую точку транзистора VТ₁ влево и VT₂ – вправо от начала координат (рис.5.6,б). Характеристика передачи будет представлять прямую линию. Следовательно, уменьшатся нелинейные искажения. Эти диоды всегда открыты, так как суммарное напряжение источников питания Е₁ + Е₂ всегда больше, чем входной сигнал.



Рисунок 5.6 – Усилитель мощности с раздельным смешением

Рассмотрим разновидность бестрансформаторного усилителя мощности с делителем напряжения в базовой цепи (рис.5.7).



Рисунок 5.7 – Схема усилителя мощности с ДН в базовой цепи

Такая схема еще называется схемой с дополнительной симметрией. Здесь R₁, R₂, R₃   делитель напряжения для создания смещения в классе В.

Должно выполняться условие R₁ = R₃ >> R₂.

Очевидно, что средняя точка R₂ имеет нулевой потенциал. Базы обоих транзисторов можно считать закороченными по переменному току и подавать входное напряжение на одну из баз. Так как сигнал подается в одной фазе на оба транзистора, то они работают поочередно. Вместо R₂ обычно ставят диоды. На каждом диоде падает U*= 0,7В, которое создает смещение, обеспечивающее режим класса В.

Схема включения транзисторов – с общим коллектором.