лекция. Лекции Полупроводниковые приборы
 Скачать 1.16 Mb.
|
|
Схемы включения [5] В зависимости от того, какой из электродов транзистора является общим для его входной и выходной цепи, различают три схемы включения (рис. 3.2)   (Рис. 3.2, стр. 55, Федотов) Рассмотрим особенности каждой схемы. На рис. 3.2а представлена схема с общей базой. В данной схеме входным током является ток эмиттера  , а выходным- ток коллектора  . Напряжение между эмиттером и базой является входным  , а напряжение между коллектором и базой- выходным  . Входным сопротивлением является сопротивление между эмиттером и базой  . Поскольку эмиттерный переход находится в открытом состоянии, входное сопротивление схемы с общей базой мало (единицы- десятки Омов).Рассмотрим усилительные свойства данной схемы. Коэффициент передачи тока (коэффициент усиления тока)   <1Следовательно, схема с общей базой не обладает усилением по току. Коэффициент усиления напряжения  Поскольку отношение  значительно больше входного сопротивления, схема с общей базой способна усиливать входное напряжение.Коэффициент усиления мощности определим как отношение мощностей  Из полученного выражения также следует, что схема с общей базой обладает некоторым усилением по мощности, так как  > . Отсутствие усиления тока, малый коэффициент усиления по мощности, а также небольшое входное сопротивление ограничивают применение данной схемы. Малое входное сопротивление не позволяет осуществлять каскадное включение, так как малое входное сопротивление последующего каскада оказывает шунтирующее действие на выход предыдущего каскада, в результате чего резко снижается усиление всего усилителя.На рис. 3.2,б представлена схема с общим эмиттером. В данной схеме входным током является базовый ток  , а выходным током- коллекторный  .Входное сопротивление примерно на два порядка больше, чем в схеме с общей базой, так как  .Увеличение входного сопротивления позволяет собирать многокаскадные усилители, у которых каждый каскад собран по схеме с общим эмиттером. Схема с общим эмиттером обладает усилением тока  β>1.Коэффициент усиления напряжения в схеме с общим эмиттером такой же, как и в схеме с общей базой:  Однако схема с общим эмиттером кроме усиления изменяет форму выходного напряжения на 180°. Поскольку схема обладает усилением по току и по напряжению, она имеет наибольший коэффициент усиления мощности:  Схема с общим коллектором представлена на рис. 3.2,в. В этой схеме входным является базовый ток  Выходным током служит ток эмиттера  . Схема с общим коллектором обладает наибольшим усилением по току: Входное сопротивление схемы с общим коллектором значительно превышает входное сопротивление рассмотренных выше схем:  Схема с общим коллектором не обладает усилением напряжения, так как  Схему с общим коллектором часто называют эмиттерным повторителем, так как нагрузка включена в цепь эмиттера. Коэффициент усиления напряжения равен примерно единице и выходное напряжение совпадает по фазе с входным. Эмиттерный повторитель используется как каскад согласования между отдельными каскадами или между выходом усилителя и его нагрузкой. Коэффициент усиления мощности в схеме с общим эмиттером примерно равен коэффициенту усиления тока:  .Из выше сказанного следует, что любая из схем включения обладает усилением мощности. Это подтверждает то, что транзистор является активным (усилительным) прибором. Статические вольт- амперные характеристики транзистора Вольт-амперные характеристики представляют собой графики зависимости токов от напряжений, действующих в цепях транзистора. Различают входные и выходные характеристики. Входные характеристики показывают зависимость входного тока от входного напряжений при неизменном напряжении на коллекторе. Выходные характеристики характеризуют зависимость выходного тока от напряжения на коллекторе при неизменной величине входного тока или напряжения. В соответствии с тремя схемами включения транзистора различают характеристики для схемой с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором. 6. Полупроводниковые усилители [2] Электронным усилителем называют устройство, в котором входной сигнал напряжения или тока используется для управления током (следовательно и мощностью), поступающим от источника питания в нагрузку. Источниками сигналов могут быть различные устройства, преобразующие неэлектрическую энергию в электрическую. Например: микрофоны, пьезоэлементы, датчики и т.д. Нагрузкой усилителей могут быть различные устройства, преобразующие электрическую энергию в неэлектрическую, например, громкоговорители, индикаторные устройства, осветительные, нагревательные и другие приборы. Классификация усилителей, основные характеристики Усилители можно разделить по многим признакам: виду используемых усилительных элементов, количеству усилительных каскадов, частотному диапазону усиливаемых сигналов, выходному сигналу, способам соединения усилителя с нагрузкой и др. по типу используемых элементов усилители делятся на ламповые, транзисторные и диодные. По количеству каскадов усилители могут быть однокаскадными, двухкаскадными и многокаскадными. По диапазону частот усилители принято делить на низкочастотные, высокочастотные, полосовые, постоянного тока (или напряжения). Связь усилителя с нагрузкой может быть выполнена непосредственно (гальваническая), через разделительный конденсатор (емкостная) и через трансформатор (трансформаторная). Все характеристики можно разделить на три группы: входные, выходные и передаточные. К входным относятся: допустимые значения входного и выходного напряжения или тока, входное сопротивление и входная емкость. Основной передаточной характеристикой усилителя является его коэффициент усиления. Так же к техническим показателям усилителей относятся ширина полосы пропускания  , чувствительность, выходная мощность  , искажения вносимые усилителем. Различают коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности. Коэффициент усиления в общем случае является комплексной величиной, т.е. он зависит от частоты входного сигнала и характеризуется не только изменением амплитуды выходного сигнала с изменением частоты, но и его задержкой во времени, т.е изменением его фазы. [5] Если в усилителе имеются несколько каскадов усиления с коэффициентами  то коэффициент усиления усилителя  в современных усилителях коэффициент усиления очень большой, поэтому его выражают в логарифмических единицах (в Дб):  ;  Частотная характеристика В реальном усилителе сигналы разных частот усиливаются по- разному. Зависимость коэффициента усиления от частоты сигнала называется частотной характеристикой. (см. рис. 4.1).  (рис. 4.1,) на этом графике  - максимальный коэффициент усиления,  -ширина полосы пропускания. Как видно из графика частотной характеристики, в пределах полосы пропускания коэффициент усиления почти не меняется. Уменьшение коэффициента усиления в пределах полосы, не превышающее 3 дБ (20-30%) ухо человека почти не замечает. Из- за неравномерного усиления составляющих сложного сигнала в полосе рабочих частот усилителя возникают частотные искажения. Действительно, усилитель с частотной характеристикой (см. рис. 5.4) сигналы с частотой ниже, чем  и выше чем  усиливает неодинаково по сравнению с сигналами какой- либо средней частоты  .Частотные искажения оцениваются коэффициентом частотных искажений М, который представляет собой отношение коэффициента усиления на средней частоте к коэффициенту усиления на определяемой частоте:  Коэффициент частотных искажений на верхней и нижней граничных частотах одинаков и равен   Если усилитель состоит из нескольких каскадов и известны частотные искажения в каждом, то коэффициент частотных искажений всего усилителя определяется из формул:  Чувствительностью усилителя называется тот минимальный сигнал, подаваемый на вход, при котором на выходе усилителя создается выходное номинальное напряжение (мощность). Выходное номинальное напряжение (мощность)- это наибольшее выходное напряжение (мощность), при котором искажения не превышают значений, оговоренных в технической документации. Амплитудная характеристика Зависимость выходного напряжения усилителя от его входного при неизменной частоте сигнала называется амплитудной характеристикой (рис. 4.2).  (рис. 4.2) На амплитудной характеристике имеется три участка. В нижней части она имеет изгиб, так как собственные шумы усилителя соизмеримы с амплитудой сигнала. В средней части амплитудная характеристика линейна. Это рабочий участок (АВ), при работе на нем не будет искажений формы сигнала, будут минимальными линейные искажения. В верхней части амплитудная характеристика транзистора имеет изгиб. Если амплитуда входного сигнала такова, что работа усилителя идет на изогнутых участках, то в выходном сигнале появляются нелинейные искажения. Чем больше нелинейность, тем сильнее искажается синусоидальное напряжение сигнала, т.е. на выходе усилителя появляются новые колебания (высшие гармоники), которых не было в сигнале. Степень нелинейных искажений оценивается величиной коэффициента нелинейных искажений:  где  - сумма электрических мощностей, выделяемая на нагрузке второй, третьей и т.д. гармониками, появившимися в результате нелинейности амплитудной характеристики. Для многокаскадного усилителя общая величина  .принцип работы усилителя низкой частоты на транзисторах Рассмотрим работу усилительного каскада, выполненного на транзисторе, включенного по схеме с общим эмиттером (рис. 5.1).  рис. 5.1 При отсутствии входного сигнала  усилитель находится в режиме покоя и  так же будет равно нулю. (этот режим называется статическим). При появлении сигнала  усилитель будет работать в динамическом режиме, т.е. входной сигнал будет усиливаться.В режиме покоя конденсаторы С1 и С2 отделяют вход усилителя и его выход от предыдущего и последующего каскадов. Если бы конденсаторов не было, то резисторы других каскадов были бы подключены параллельно к резисторам усилителя и поэтому режим усилителя по постоянному току был бы нарушен. Режим постоянного тока необходим для выбора рабочей точки А (рис. 5.2) так, чтобы не было нелинейных искажений сигнала. При выборе рабочей точки пользуются входными и выходными характеристиками транзистора. Рабочая область выходных характеристик ограничена линией NG-CD. При работе транзистора ток его коллектора не должен превышать максимально допустимый (  ). Линия NG соответствует этому режиму. рис. 5.2 Каждый транзистор способен рассеивать мощность на коллекторе не выше максимально допустимой (  ). Линия GC ограничивает область допустимых мощностей рассеяния на коллекторе. Транзистор работает при некотором вполне определенном напряжении между коллектором и эмиттером. При превышении этого напряжения транзистор выходит из строя. Линия CD определяет область допустимых напряжений  .Рабочую точку (А) на характеристиках следует выбирать так, чтобы она находилась на середине линейных участков входной и выходной характеристик, при этом нелинейные искажения будут минимальные. Рабочая точка характеризуется током коллектора  и напряжения  .Из схемы на рис. 5.1 можно определить  которое является уравнением динамической характеристики рассматриваемой схемы. Динамическая характеристика в координатах  представляет уравнение прямой линии, не проходящей через начало координат.Динамическую характеристику (линию нагрузки) легко построить, зная две точки. Определим точку пересечения нагрузочной линии с осью . Для этого приравняем  , тогда  (точка F).Вторую точку пересечения прямой с осью  найдем из того, что при пересечении нагрузочной прямой с осью напряжение  (точка К). Зная эти две точки, легко строим нагрузочную линию KF. Уравнение позволяет определить по двум известным величинам третью. Например, по известным напряжению источника питания и положению рабочей точки легко определить сопротивление нагрузи  .Рабочим участком нагрузки будет линия AB, т.к. на ней изменения тока базы от точки А в обе стороны вызывают одинаковые изменения тока коллектора. При неправильном выборе рабочей точки, т.е. если положительная и отрицательная амплитуды выходного сигнала неодинаковы, в усилителе возникают нелинейные искажения. Если режим усилительного каскада выбран правильно, то коэффициент нелинейных искажений не должен быть больше 5%. Для создания режима покоя нужно в усилителе обеспечить определенный ток смещения (ток базы), при котором рабочая точка А находилась бы в середине нагрузочной прямой. По входным характеристикам легко определить напряжение на базе транзистора. Для этого путем последовательного переноса точек выходной динамической характеристики строится входная динамическая характеристика, по которой и определяются пределы изменения тока базы под воздействием входного сигнала и соответствующие им точки коллектора. Для получения необходимого смещения пользуются различными схемами. Схема, приведенная на рис. 5.1, называется схемой фиксированным током базы  В этой схеме ток базы проходит через резистор  , который легко определить:  В последнем выражении величиной  можно пренебречь, так как  » . Резистор получается очень большим (сотни тысяч Ом). При смене транзистора положение рабочей точки изменится из-за разброса параметров транзистора и из-за влияния температуры окружающей среды. Поэтому эта схема не получила широкого распространения. рис. 5.3а, б Схема рис. 5.3а называется схемой с фиксированным напряжением смещения на базе. Напряжение смещения снимается с резистора, входящего в делитель напряжения  ,  . Ток делителя выбирается достаточно большим, значительно больше тока базы в режиме покоя. Это необходимо для того, чтобы температурные изменения токов эмиттера и коллектора незначительно влияли на ток базы. Резисторы делителя определяются из формул:   Схема рис. 5.3а менее экономична, чем схем. рис. 5.1, но стабильность режима работы ее повыше на. Из схемы рис. 5.9 видно, что ее резистор подключен параллельно входному сопротивлению транзистора  . Источник питания всегда имеет малое внутреннее сопротивление, поэтому, пренебрегая им, можно считать, что резисторы К1 и 1\ включены между собой параллельно. Поэтому делитель , должен иметь большое сопротивление (несколько кОм) и обеспечивать выполнение условия: » |