Конспект лекций (3,4 семестр) для студентов 1 курса
 Скачать 0.72 Mb.
|
Как видно из рисунка, уменьшение коэффициента усиления по напряжению усилителя с ООС сопровождается расширением полосы пропускания, т.е. уменьшением линейных (амплитудно-частных) искажений, что является достоинством.Самовозбуждение усилителей с ОС Чтобы усилитель самовозбудился, т.е. перешел в режим генерирования, должны одновременно выполняться 2 условия: 1. Баланс фаз – фазовый сдвиг, вносимый усилителем, должен быть кратен , т.е.: , где n – целое число. В этом случае ОС становится положительной, т.к. напряжение обратной связи совпадает по фазе с входным напряжением. 2. Баланс амплитуд – ОС должна быть достаточно глубокой – такой, чтобы энергия цепи ОС компенсировала бы потери в схеме. Связь будет достаточно глубокой, если коэффициент усиления усилителя с положительной ОС будет стремиться к бесконечности ( ∞). Если учесть, что (3), где – коэффициент усиления усилителя без ОС; – коэффициент передачи цепи ОС, то выражение (3) будет стремиться к бесконечности, если , т.е. . Таким образом, для того, чтобы ОС была достаточно глубокой, необходимо, чтобы петлевое усиление стремилось к единице. При выполнении обоих условий усилитель превращается в источник незатухающих колебаний – генератор (наступает явление самовозбуждения, и усилитель теряет устойчивость). Специально в усилитель ПОС не вводят, но как паразитная она может возникнуть (через общий источник питания, электро-магнитные поля, паразитные емкости и т.д.). 10.5 Питание усилителей по постоянному току Прямое напряжение на эмиттерный переход (напряжение смещения) может быть подано двумя способами: Смещение фиксированным током базы Назначение элементов: - усилительный элемент; - источник энергии для получения усиленных колебаний на выходе; - сопротивление коллекторной нагрузки (на нем выделяется усиленный сигнал); - гасящее сопротивление (на нем гасится избыточное напряжение источника питания); - разделительный конденсатор (не пропускает на вход усилителя постоянную составляющую тока); - разделительный конденсатор (не пропускает на выход усилителя постоянную составляющую тока). 2-й закон Кирхгофа для входной цепи: (*) (Индекс «А» означает, что ток и напряжение определены в рабочей точке А, т.е. являются постоянными.) Т.к. напряжение смещения - прямое напряжение, подаваемое на ЭП (<1В), а напряжение источника питания велико (например, 12В), то чтобы получить малое напряжение смещения, необходимо избыточное напряжение источника питания где-то “погасить”. В данном случае избыточное напряжение источника питания гасится на резисторе - отсюда и название резистора – “гасящий”. Т.к. ток базы мал, то чтобы погасить достаточно большое напряжение, гасящий резистор должен быть высокоомным (может достигать Мом). Почему схема называется “смещение фиксированным током базы”? Рассмотрим выражение (*). Т.к. (мало), а падение напряжения на гасящем сопротивлении велико ( ), то выражение (*) можно переписать: Анализируем последнее выражение: , т.е. имеет фиксированное значение, отсюда и название схемы. Смещение фиксированным напряжением Назначение элементов: - см. предыдущую схему; - низкоомный резистор, с помощью которого подается прямое напряжение на ЭП транзистора (напряжение смещения ); - гасящее сопротивление (на нем гасится избыточное напряжение источника питания). 2-й закон Кирхгофа для входной цепи: (**) - ток делителя Чтобы , выбирают (***). Почему схема называется “смещение фиксированным напряжением”? С учетом неравенства (***) в выражении (**) можно пренебречь током базы ( ), т.е. или Анализируем последнее выражение: , т.е. имеет фиксированное значение – отсюда и название схемы. 10.6 Стабилизация режима работы усилителя Причины нестабильной работы: Нестабильность напряжения источника питания (ИП). Разброс параметров транзистора (при смене транзистора трудно подобрать два одинаковых по своим параметрам транзистора). Старение элементов. Главная причина – изменение температуры окружающей среды. Эмиттерная стабилизация Стабилизирующим элементом в этой схеме является резистор . Принцип работы: С ростом температуры все токи транзистора увеличиваются, рабочая точка (РТ) смещается вверх по нагрузочной прямой – режим работы усилителя нарушается. Но с ростом тока эмиттера растет падение напряжения UЭ на резисторе ( ), что приводит к уменьшению напряжения смещения . 2 -й закон Кирхгофа для участка цепи: сonst (слабо зависит от температуры) Уменьшение напряжения смещения сопровождается закрыванием транзистора, в результате чего все токи его уменьшаются, т.е. РТ возвращается в исходное состояние – режим стабилизируется. В схеме действует ООС по току за счет наличия резистора , который относится и к входной и к выходной цепям одновременно, в результате чего часть мощности выходного сигнала поступает на вход схемы. Причем, через этот резистор протекает как постоянный, так и переменный токи, т.е. действует ООС как по постоянному, так и по переменному токам. ООС по постоянному току желательна, т.к. за счет нее происходит стабилизация рабочего режима. ООС по переменному току нежелательна, т.к. происходит потеря на резисторе переменного (полезного) напряжения, что ведет к уменьшению коэффициента усиления по напряжению . Для уменьшения ООС по переменному току параллельно подключают конденсатор большой емкости. Чтобы переменный ток не протекал через , необходимо выполнение условия: . Если это неравенство выполняется, то тогда переменный ток будет протекать через конденсатор , т.е. нежелательные потери полезного сигнала будут минимальны. Таким образом, роль блокировочного конденсатора - исключить (уменьшить) ООС по переменному току. Другими словами: блокировочный конденсатор обеспечивает нулевой потенциал эмиттера для переменного тока. Коллекторная стабилизация Стабилизирующими элементами в данной схеме являются резисторы . Принцип работы: С ростом температуры все токи транзистора увеличиваются, рабочая точка (РТ) смещается вверх по нагрузочной прямой – режим работы усилителя нарушается. Но рост токов и сопровождается ростом падения напряжения на резисторе , что приводит к уменьшению выходного напряжения . 2-й закон Кирхгофа для выходной цепи: const В схеме присутствует ООС (за счет наличия ). Т.к. выходное напряжение уменьшилось, то уменьшится и напряжение обратной связи , поскольку оно является частью выходного напряжения, что, в свою очередь, приведет к уменьшению тока : ( ; ) Если один из токов транзистора уменьшается, то автоматически уменьшаются и два других тока (в данном случае ): ; Таким образом, РТ возвращается в исходное положение – режим работы усилителя стабилизируется. 10.7 Резонансные усилители Основой резонансных усилителей является схема ШПУ, где вместо сопротивления коллекторной нагрузки ( K) включается колебательный контур. Резонансный усилитель напряжения (РУН) В приемниках РУН выступает в роли усилителя высоких частот (УВЧ). Э , Э – элементы эмиттерной стабилизации. Ф , Ф – обеспечивают развязку каскадов по питанию. В этой схеме коллекторная стабилизация отсутствует, а, следовательно, отсутствует ООС по переменному току, т.е. нет снижения U. В данной схеме электролитов нет, все конденсаторы керамические (емкости этих конденсаторов 10ки нФ). Принцип усиления: Если частота входного сигнала совпадет с частотой свободных колебаний контура, наступит резонанс токов, входное сопротивление колебательного контура станет чисто активным и достаточно большим ( ое десятки кОм), а, следовательно, и падение напряжения на нем также будет большим. Если же частота входного сигнала будет отличаться от частоты свободных колебаний контура, резонанса токов не будет, сопротивление контура будет реактивным и малым по величине, следовательно, и падение напряжения на этом сопротивлении будет мало. Таким образом, АЧХ резонансного усилителя будет выглядеть: U 0 - резонансная частота контура . 0 Добротность такого контура: , где – активное сопротивление потерь; - волновое сопротивление: . Недостаток схемы: Малое выходное сопротивление транзистора (ОЭ) и малое входное сопротивление следующего каскада шунтируют контур, в результате чего в контур вносятся дополнительные потери, что снижает его добротность и расширяет ПП усилителя, т.е. ухудшает избирательность. Добротность контура с учетом шунтирующего влияния УЭ (усилительного элемента) и (сопротивлением нагрузки): потери, вносимые усилительным элементом (УЭ) потери, вносимые сопротивлением нагрузки Для устранения данного недостатка используют слабую связь контура с УЭ и (контур 2го вида). Автотрансформаторное включение контура Добротность для данной схемы определяется следующим образом: (*), где - коэффициент подключения контура к УЭ ; - коэффициент подключения контура к . Т.к. , , то знаменатель выражения (*) уменьшается, следовательно, приведенная добротность увеличивается, т.е. избирательность повышается. Многоконтурный РУН Недостаток усилителя с одиночным контуром – невозможность получения требуемой избирательности при заданной ПП (получая заданную ПП, мы проигрываем в избирательности). Выход: использование многоконтурных резонансных систем, у которых ПП зависит не только от добротности колебательных контуров, но и от степени связи между контурами. Многоконтурные резонансные системы широко используются в усилителях промежуточной частоты (УПЧ). УПЧ с полосовым фильтром М М- коэффициент взаимоиндукции Полосовой фильтр (ПФ) – система из нескольких контуров, связанных между собой индуктивной или емкостной связью. Контуры слегка расстроены относительно резонансной частоты . Обычно применяют частичное включение контуров, что снижает коэффициент усиления, но повышает добротность и избирательность. АЧХ такого усилителя: КU КUO 0,707КUО fПР f ПП Число горбов равно числу контуров Применение связанных колебательных контуров повышает избирательность (АЧХ стремится к «П»-образной форме), но уменьшает КU (т.к. происходит потеря энергии при передаче ее из одного контура в другой). Введем понятие «коэффициент прямоугольности». Коэффициент прямоугольности – это отношение полосы пропускания на уровне 0,1 к полосе пропускания на уровне 0,7: > 1 . Чем ближе КП к 1, тем ближе резонансная характеристика к идеальной, которая выглядит: КU fПР f Связь между контурами считается оптимальной, если провал характеристики достигает уровня 0,707 от максимального значения KUO. В этом случае и КП 1 и KU имеет достаточно большое значение. 10.8 Оконечные каскады (усилители мощности) Оконечные каскады работают на низкоомную нагрузку: . Усилители мощности бывают: трансформаторные и бестрансформаторные. Однотактный трансформаторный усилитель мощности (УМ) Трансформатор служит для согласования выходного сопротивления транзистора с низкоомной нагрузкой. Эмиттерная стабилизация в оконечных каскадах не используется. (Эти каскады работают с большими амплитудами, и на элементах эмиттерной стабилизации будет происходить большая потеря полезного сигнала, что недопустимо). В данной схеме используется параметрическая стабилизация, элементом которой является прямо смещенный диод . Принцип работы параметрической стабилизации: Пусть температура повысилась, все токи транзистора увеличиваются, рабочая точка смещается вверх по нагрузочной прямой – режим работы усилителя нарушается. Но с ростом температуры сопротивление диода уменьшается (интенсивно идет процесс термогенерации, т.е. увеличивается количество носителей заряда, что приводит к росту проводимости диода, а значит к уменьшению его сопротивления). Уменьшение сопротивления диода, в свою очередь, приводит к уменьшению падение напряжения на нем (по закону Ома). Это падение напряжения является напряжением смещения , уменьшение которого приводит к тому, что транзистор начнет закрываться, и все токи его будут уменьшаться, т.е. рабочая точка возвращается в исходное положение – режим работы усилителя стабилизируется. Кроме стабилизации, диод совместно с резистором обеспечивает необходимое смещение на базе транзистора. Бестрансформаторные УМ Трансформатор – источник линейных и нелинейных искажений, интегральное исполнение его затруднено, поэтому широкое распространение получили двухтактные бестрансформаторные схемы оконечных каскадов. Для согласования с низкоомной нагрузкой бестрансформаторные усилители мощности собираются на транзисторах ОК (эмиттерных повторителях), обладающих малым выходным сопротивлением. Изображены два каскада. Оконечный каскад собран на транзисторах (эмиттерные повторители). Эти транзисторы являются комплементарной парой – обладают одинаковыми параметрами, но разной проводимостью. Диоды (до 5шт.) совместно с резистором обеспечивают необходимое смещение на базах . Один диод обеспечить нужное смещение не может, т.к. падение напряжения на одном диоде , а чтобы открыть транзистор, необходимо . Диоды открыты всегда ( подается через резистор на аноды диодов). Сопротивления открытых диодов малы, поэтому можно считать, что базы транзисторов непосредственно соединены с коллектором . Еще одна функция диодов – осуществление параметрической стабилизации оконечного каскада. Низкоомные резисторы устраняют асимметрию схемы, вызванную разбросом параметров по (выравнивают токи ). Эти резисторы выбирают низкоомными, иначе будет слишком большая потеря полезного напряжения на них, что недопустимо. Другая функция этих резисторов – обеспечение эмиттерной стабилизации оконечного каскада. Т.к. схема ОК не дает усиления по напряжению, предоконечный каскад, собранный на транзисторе (ОЭ), является усилителем напряжения. Несмотря на то, что предоконечный каскад работает в режиме больших амплитуд, эмиттерная стабилизация в нем допустима, т.к. резистор - низкоомный (ед.÷десятки Ом) и потери полезного сигнала на нем будут незначительны. Делитель задает необходимое смещение на базу . Кроме того, этот делитель осуществляет общую ООС (сигнал с выхода оконечного каскада через делитель поступает на вход предоконечного). Эта ООС по переменному току уменьшает линейные и нелинейные искажения, а также уменьшает выходное сопротивление усилителя, что является достоинством. Принцип работы: При положительной полуволне на коллекторе транзистор (p-n-p) закрыт, а (n-p-n) открыт, и через него, а, следовательно, через нагрузку течет ток . При отрицательной полуволне на коллекторе транзистор закрыт, открыт, и через него и нагрузку течет ток в обратном направлении. Таким образом, через нагрузку протекает разностный ток , что характерно для двухтактных схем. Литература 1 Аксенов А.И., Нефедов А.В. Отечественные полупроводниковые приборы. Справочное пособие.- М.: Салон-пресс, 2016. – 525с. 2 Берикашвили В.Ш., Черепанов А.К. Электронная техника. – М.: Академия, 2015. – 336с. 3 Гальперин М.В. Электронная техника. – М.:ИД «ФОРУМ» - Инфра-М, 2017.- 351с. 4 Полищук В.И. Задачник по электронике. М.: Академия, 2015. – 156с. 5 Сиренький И.В., Рябинин В.В., Голощапов С.Н. Электронная техника. Из-во Питер, 2015. – 416с. 6 В.И.Галкин, Е.В.Пелевин Промышленная электроника и микроэлектроника, М.: Высшая школа, 2016-350с. 7 studentbank.ru/view.php?id=42336 8 review3d.ru/elektronika-kurs-lekci 9 fanknig.org/book.php?id=24206316 10 padabum.com › Электроника |