Микроэлектроники
 Скачать 1.83 Mb.
|
|
1.11. Рекомендации по применению полупроводниковых приборов Полупроводниковые устройства работают надежно, если выполняются определенные условия. Рекомендации по применению полупроводниковых приборов можно разбить на несколько групп. 1. Тепловые рекомендации а) обеспечивать хороший отвод тепла б) устанавливать приборы вдали от сильно нагревающихся элементов в) применять преимущественно кремниевые приборы, особенно при высокой температуре окружающей среды г) припайке приборов применять теплоотвод между местом пайки и корпусом прибора. 2. Рекомендации потоку а) ограничивать токи короткого замыкания, применять быстродействующую защиту б) при работе выпрямителя на емкостной фильтр применять диоды с большим запасом потоку по возможности избегать такие режимы вне применять слишком больших запасов потоку токи должны быть существенно выше, чем токи утечки. 3. Рекомендации по напряжению а) нив коем случае не превышать допустимое напряжение, применять запас 1,5…2; б) не подавать на коллектор транзистора напряжение обратного знака вне допускать разрыва цепи базы транзистора во избежание накопления заряда и самооткрывания транзистора г) припайке полевых транзисторов применять низковольтные паяльники защищать от электростатических полей. 4. Общие рекомендации по проектированию а) учитывать возможный разброс параметров приборов, а не рассчитывать на фиксированные значения б) по возможности применять ключевые режимы. Приведенные краткие советы не претендуют на полное освещение вопроса, но дают полезные начальные сведения. 59 Глава 2. ЭЛЕКТРОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ И АНАЛОГОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ 2.1. Классификация электронных усилителей Устройства, усиливающие мощность входного сигнала за счет энергии источника питания называются электронными усилителями. В электронном усилителе имеется два канала информационный канал (ИК) и энергетический канал (ЭК) (рис. 2.1). По первому от входа к выходу передается информация за счет энергии, поступающей по второму каналу от источника питания (ИП). Все усилители делятся на усилители мгновенных значений сигнала и усилители действующих или средних значений сигнала. В усилителях мгновенных значений выходной сигнал соответствует входному (рис. 2.2). В усилителях средних значений выходной сигнал пропорционален входному, но может по форме существенно отличаться. Далее мы будем рассматривать только усилители мгновенных значений. Усилители мгновенных значений делятся по ряду признаков. 1. По назначению на а) усилители напряжения (УН), обеспечивающие существенное увеличение напряжения при малых уровнях тока б) усилители тока (УТ), обеспечивающие существенное увеличение тока в) усилители мощности УМ, обеспечивающие сущест- Рис. 2.1. Структурная схема электронного усилителя Рис. 2.2. Входной и выходной сигналы 60 венное увеличение мощности при, по возможности, высоком коэффициенте полезного действия (КПД. 2. По числу каскадов на а) однокаскадные усилители б) многокаскадные усилители. Усилительный каскад − это один или несколько транзисторов сна- весными элементами (резисторами и конденсаторами, выполняющие законченную функцию. Например, двухкаскадный усилитель может содержать УН на входе и УМ на выходе. 3. По межкаскадным связям на а) усилители с емкостной связью, в которых между каскадами включен конденсатор б) усилители с трансформаторной связью, в которых между каскадами включен трансформатор в) усилители с резонансной связью, в которых между каскадами включен резонансный контур г) усилители с гальванической (непосредственной) связью, в которых каскады связаны непосредственно. 4. По рабочему диапазону частот на усилители а) низкой частоты (НЧ, которые работают в области звуковых частот (20 Гц кГц б) высокой частоты (ВЧ, которые работают в области частот выше 100 кГц в) постоянного тока (ПТ), усиливающие, как постоянный, таки переменный ток вплоть до высоких частот. 5. По ширине диапазона частот на усилители а) апериодические (или широкополосные, которые усиливают переменный ток в широком диапазоне частот (например, от 20 Гц до 20 кГц, когда высшая частота диапазона во много раз больше низшей б) избирательные (узкополосные, которые усиливают переменный ток в узком диапазоне частот (например, от 1000 кГц до 1020 кГц, когда высшая частота диапазона близка к низшей. Контрольные вопросы Какие каналы есть в электронном усилителе Чем отличаются усилители мгновенных и средних значений 61 2.2. Характеристики и параметры усилителей Свойства усилителей определяются их характеристиками и параметрами, которые ниже рассматриваются по группам, связанным между собой. Коэффициент усиления (коэффициент передачи) усилителя – это отношение выходного и входного сигналов ВХ ВЫХ A A k & & & = , (2.1) где ВХ A& и ВЫХ A& сигналы на входе и на выходе усилителя (в общем случае комплексные величины. ВХ j ВХ ВХ e A А ϕ ⋅ = & ;. ВЫХ j ВЫХ ВЫХ e A А ϕ ⋅ = & ; ......(2.2) ϕ j ke k = & ; ВХ ВЫХ А A k = ; ВХ ВЫХ ϕ ϕ ϕ − = , (2.3) где k модуль коэффициента усиления, а ϕ его фаза. Бывают коэффициенты усиления по напряжению, току, мощности последний коэффициент – скалярная величина) i k & , u k & , р k Коэффициент усиления последовательного ряда каскадов равен произведению их коэффициентов усиления K & & & ⋅ ⋅ = 2 1 k k k (2.4) Коэффициент усиления часто измеряется в логарифмических единицах децибелах. Коэффициенты усиления по мощности и напряжению в децибелах р ) р( lg 10 k k дб ⋅ = , u дб u k k lg 20 ) ( ⋅ = (2.5) 2. Линейные искажения. Линейные (частотные) искажения являются важнейшим показателем качества усилителей. Это такие искажения, при которых сохраняется форма синусоидального входного сигнала, но коэффициент усиления изменяется при изменении частоты. При этом, если входной сигнал несинусоидален, то выходной сигнал будет отличаться и по форме. 62 Линейные искажения определяются по амплитудно - частотной характе- ристике (АЧХ) k=f( ω ) риса. Снижение коэффициента усиления в определенной области частот называется завалом АЧХ. По коэффициентам усиления при средней, низкой и высокой частотам диапазона k 0, н, в можно определить соответствующие коэффици- енты частотных искажений : н o н k k M = ; в o в k k М = (2.6) Коэффициенты частотных искажений в децибелах н дб н M M lg 20 ) ( ⋅ = ; в дб в M M lg 20 ) ( ⋅ = (2.7) Диапазон частот, в котором коэффициент частотных искажений не превышает заданного, называется полосой пропускания см. риса. Зависимость ) ( ω ϕ F = называется фазочастотной характеристикой и характеризует изменение сдвига по фазе между выходными входным сигналами при изменении частоты (см. рис. 2.3, б. Частотные искажения характеризует и переходная характеристика Переходная характеристика − это выходной сигнал при единичном скачке входного сигнала (рис. 2.4). Вид переходной характеристики за- Рис. 2.3. Амплитудная (аи фазочастотная (б) характеристики а) б) 63 висит от вида АЧХ. Приза- вале АЧХ в области высоких частот плохо воспроизводится передний фронт входного сигнала кривая 1), при завале АЧХ в области низких частот плохо воспроизводится вершина (кривая 2), а при появлении на АЧХ резонансных подъемов (см. риса при частоте р) появляются колебания (кривая 3). 3. Нелинейные искажения. Нелинейные искажения определяются амплитудной характеристикой (АХ) ) ( . . m вх m вых U f U = (риса. Нелинейные искажения возникают, когда усилитель начинает работать на нелинейных участках АХ и форма выходного сигнала начинает отличаться от формы входного синусоидального сигнала (см. рис. 2.5, б. Когда сигнал на входе имеет произвольную форму, то пользуются понятием передаточная характеристика (ПХ) ) ( вх вых U f U = Рис. 2.4. Переходная характеристика. 1, 2, 3 – выходные сигналы при разных АЧХ Рис. 2.5. Амплитудная характеристика (аи входной и выходной сигналы при наличии нелинейных искажений баб Для количественной оценки нелинейных искажений вводится понятие коэффициент нелинейных искажений K. % 100 1 2 3 2 2 ⋅ = + + I K I I K (2.8) Он определяет процентное содержание высших гармоник в выходном сигнале, отнесенное к первой гармонике, при подаче на вход синусоидального сигнала. 4. Уровень шума (ш. Это выходной сигнал при отсутствии входного (см. риса. Его источники пульсации напряжения источников питания, собственные шумы элементов и т.д. Уровень шума, приведенный ко входу u ш вх ш k U U = (2.9) 5. Динамический диапазон D= min max m вх U m вх U , (2.10) где max .m вх U − максимальная амплитуда входного сигнала, определяемая линейным участком АХ min .m вх U − минимальная амплитуда входного сигнала, определяемая уровнем шума. вх ш U m вх U ) 10 Чем больше динамический диапазон, тем усилитель лучше. Описанные параметры и характеристики относятся к информационному каналу. Следующие относятся к энергетическому. 6. Выходная мощность н ’ m вых вых z U P ϕ cos . ⋅ = 2 2 , (2.11) где н, н параметры нагрузки. 7. Коэффициент полезного действия . .п и вых P P = η , (2.12) где P и.п. мощность, потребляемая от источника питания. 65 Контрольные вопросы Что такое коэффициент усиления (коэффициент передачи Что можно определить по АЧХ? Что можно определить по амплитудной или передаточной характеристике Какие параметры и характеристики относятся к информационному, а какие к энергетическому каналу Обратные связи в усилителях Обратная связь ОС) − это передача части мощности с выхода или промежуточного звена на вход (рис. 2.6). Усилитель с коэффициентом усиления k & охватывается цепью обратной связи с коэффициентом передачи Классификация обратных связей. Обратные связи делятся 1. По способу получения сигнала обратной связи а) по напряжению б) потоку. в) комбинированная. 2. По способу подачи сигнала обратной связи по отношению к входному сигналу а) последовательная б) параллельная. 3. По соответствию знаков входного и выходного сигнала а) положительная (если знаки соответствуют б) отрицательная (если знаки противоположны. 4. По происхождению а) полезные б) паразитные (которые мешают нормальной работе усилителя. Рис. 2.6. Структурная схема усилителя с ОС Рис. 2.7. Функциональная схема усилителя, охваченного последовательной ОС по напряжению Коэффициент усиления усилителя, охваченного обратной связью. На рис. 2.7 приведена функциональная схема усилителя, охваченного последовательной обратной связью по напряжению. Определим коэффициент усиления усилителя, охваченного последовательной обратной связью по напряжению. Обозначим (см. рис. 2.7): U& − напряжение на входе усилителя, неохваченного обратной связью вх U& − напряжение на входе усилителя, охваченного обратной связью ос напряжение на выходе цепи обратной связи вых U& – напряжение на выходе усилителя. Тогда коэффициент усиления усилителя, охваченного обратной связью вх вых oc U U k & & & = (2.13) Коэффициент усиления усилителя, неохваченного обратной связью U U k вых & & & = ; (2.14) коэффициент передачи цепи обратной связи вых ос U U & & & = γ (2.15) Напряжение на входе усилителя, неохваченного обратной связью ос вх U U U & & & + = (2.16) Разделим левую и правую части равенства на U вых.. Получим ос 1 (2.17) Отсюда ос) 67 Отрицательная обратная связь (ООС). Если произведение k γ в формуле (2.18) вещественное отрицательное число, то обратная связь называется отрицательной, а коэффициент усиления усилителя, охваченного отрицательной обратной связью k k k оос γ + = 1 (2.19) Недостаток ООС: она уменьшает коэффициент усиления враз. Преимущества ООС: 1) если k γ >> 1, то оос k ≅ γ 1 , то есть стабилизируется коэффициент усиления, расширяется полоса пропускания 2) уменьшаются нелинейные искажения и помехи, возникающие внутри усилительного тракта, т.к. они подаются на вход в противофазе при последовательной отрицательной обратной связи растет входное сопротивление z вх и падает выходное сопротивление вых z враз. Положительная обратная связь (ПОС. Если произведение k γ в формуле (2.18) вещественное положительное число, то обратная связь называется положительной, а коэффициент усиления усилителя, охваченного положительной обратной связью пос) Рассмотрим два случая пусть 0 <γ k < 1, тогда повышается коэффициент усиления пос, но при этом он очень нестабилен и усилитель имеет очень узкую полосу пропускания) пусть γ k=1, пос стремится к бесконечности, усилитель превращается в генератор. При γ k > 1 происходит самовозбуждение колебаний. Контрольные вопросы Что такое ОС Что такое коэффициент передачи цепи ОС 68 Преимущества и недостатки ООС. Преимущества и недостатки ПОС. 2.4. Усилители переменного тока 2.4.1. Одиночные усилительные каскады Усилители переменного тока служат для усиления сигналов, в которых нет постоянной составляющей. Усилители состоят из одиночных каскадов, через которые последовательно проходит усиливаемый сигнал. В соответствии со схемами включения транзисторов бывают каскады с ОЭ, ОК, ОБ. Усилительный каскад с общим эмиттером требует из-за нетермоста- бильности применения схемы стабилизации рабочей точки покоя (риса. В этой схеме введена отрицательная обратная связь потоку эмиттера. Сопротивление обратной связи э служит для создания ООС по постоянной составляющей для стабилизации рабочей точки покоя R 1 , R 2 − делитель, задающий рабочую точку покоя. Приданной температуре и отсутствии входного сигнала через базу протекает ток р б I , остальные токи и на- а) б) Рис. 2.8. Каскад с ОЭ (аи определение положения рабочей точки покоя при увеличении температуры (б) 69 пряжения показаны на рис, б. При повышении температуры выходная характеристика притом же р б I идет выше, рабочая точка покоя Р перемещается в точку Р. Ниже условно показана цепочка изменений токов и напряжений, приводящая к переходу рабочей точки покоя в точку Р t o ↑ ; кр эр э U бэ ↓ ; I бр ↓ . Чтобы уменьшить вредную ООС попеременной составляющей, уменьшающую коэффициент усиления усилителя, параллельно R э включен конденсатор э, уменьшающий сопротивление для переменного тока. Расчет усилительного каскада производится на основе его схемы замещения. Схема замещения каскада с общим эмиттером приведена на риса. Она построена для переменных составляющих при следующих допущениях R 1 и R 2 очень велики, и их можно не учитывать C 1 и э тоже очень велики и являются короткими замыканиями для переменной составляющей между плюсом источника питания и землей сто- а) б) в) Рис. 2.9. Схема замещения каскада с ОЭ (аи схемы замещения для входной (б) и выходной (в) цепей 70 ит конденсатор ф, также создающий короткое замыкание для переменной составляющей. Резистор R к подключен к шине « − » т.к. сопротивление ф попеременной составляющей равно нулю. На схеме риса транзистор заменен его схемой замещения, на которой приведены физические параметры транзистора – сопротивление базы б, сопротивление эмиттера э дифференциальное сопротивление коллектора r d , емкость коллекторного перехода C d ; б источник тока, учитывающий передачу тока от базы к коллектору. Для упрощения расчета, схема разбита на схемы замещения для входной и выходной цепи (рис. 2.9, б, в. При преобразовании должно выполнятся условие э б э э r I r I ′ ⋅ = ⋅ & & На основе расчета схемы рис. 2.9, б получены основные соотношения для входной цепи. Входное сопротивление каскада э б вх r r R ′ + = , (2.21) где ) 1 ( н d d б э R r r r r ′ + + = ′ β ; (2.22) к н к н н R R R R R ’ ’ + = ′ (2.23) В схеме с общим эмиттером R вх =100...1000 Ом. Для дальнейшего упрощения последующие расчеты ведутся отдельно для средней, низшей и высшей частоты диапазона. При средней частоте емкость d C еще не сказывается (действует как разрыва емкость с уже не сказывается (действует как короткое замыкание. Схема замещения выходной части для средних частот (см. рис, в) получается, если допустить, что э равно нулю. На схеме k I& − переменная составляющая тока через коллектор н переменная составляющая тока через нагрузку. н к к к н R R R I I + ⋅ = & & (2.24) Коэффициент усиления потоку в нагрузке 71 н к к н d d iн R R R R r r k + ⋅ ′ + = β (2.25) Коэффициент усиления по напряжению вх н iн u R R k k ⋅ = (2.26) Выходное сопротивление ) 1 ( э б г э d к d к вых r r R r r R r R R + + + ⋅ + ⋅ = β (2.27) Выходное сопротивление в схеме с общим эмиттером составляет десятки килоом. Входное и выходное сопротивления зависят друг от друга. Недостаток каскада с общим эмиттером большое выходное сопротивление и малое входное. При низких частотах малая емкость C d не сказывается, а емкость начинает сказываться. Коэффициент усиления падает т.к. растет емкостное сопротивление C c . Аналогично влияют конденсаторы C 1 , фи C э (см. риса. При высоких частотах коэффициент усиления транзистора падает, следовательно, падает и коэффициент усиления всего каскада. АЧХ усилительного каскада приведена на рис. 2.10. |