Режим роботи можна задати, вказавши положення робочої точки на статичній характеристиці робочого елемента

Лекція№10

Розділ. Режими роботи транзисторних каскадів.

Під режимом роботи розуміють сукупність напруг та струмів для певної схеми ввімкнення активних елементів.

Режими роботи можна охарактеризувати вказавши робочі точки на статичних характеристиках робочого елемента.

Статичні характеристики знімають при U_ке = const.

U_бе = Varia; i_б = Varia, i_к = Varia звідси маємо, що U_ке = Varia,

U_ке = E_ж U_Rк – U_Rе = E_ж – i_к• + i­_е•R_е=

= E_ж – i_к•(R_к + R_е­)

U_ке= E_ж – i_к0•(R_к + R_е­)

Надалі, для спрощення будемо використовувати апроксимовані статичні характеристики.

U_ке = 0 = E_ж – i_к0•(R_к + R_е­)

звідси маємо:

I_к0m = E_ж­ / (R_к + R_е­)

Якщо r_L = 0, то навантажувальна характеристика проходить через E_ж та E_ж / r_L.

Навантажувальні характеристики для змінного струму.

При розгляді режиму роботи за постійним струмом, потрібно враховувати, що R_к є навантаженням тільки в кінцевих каскадах і то не завжди. Реально паралельно до R_к вмикають R_н, і тому R_к буде тільки частиною загального навантаження для каскаду.

ׁU = ׁU_бе0 +ׁU_е

i_к = i_б· h_21е = I_{б0 ·β +} i_б· h₂₁

i_б· h_21е = I_к0 i_б· h₂₁ = I_к˜

Оскільки ׁI_к˜ = ׁI_{к˜ Rн} + ׁI_{к˜ Rк}, то з цього видно, що R_к та Rн з”єднані паралельно.

Еквівалентна схема виходу каскаду.

Надалі будемо використовувати позначення I_{к˜ н} для струму, що протікає через навантаження I_{к˜ R н}.

R₌ =R_к + R_е

R_˜ = R_к || Rн = R_к* Rн /(R_к+ Rн)

Навантажувальна характеристика для постійного струму.

Для змінного струму потрібно провести окрему навантажувальну характеристику. Її будують в два етапи:

1. Поводять допоміжну характеристику через точки E_ж та E_ж / R_˜.

2. Отриману допоміжну навантажувальну характеристику переміщають паралельно самій собі до положення вибраної робочої точки.

Наподалі будемо реалізовувати навантажувальні характеристики тільки для змінного струму.

Лекція 11

За рахунок ЕРС самоіндукції на індуктивних елементах напруга Uке може перевищувати Uж. (інколи в декілько разів). Тому це потрібно врахувати при виборі транзисторів:

Uке.розр < Uке.доп (Uке.доп – з довідника)

В тому разі, коли навантаження має реактивний характер, характер переміщення (миттєвого положення) робочої точки не буде прямолінійним. Як правило, це фігури, близьки до еліпсу.

В деяких випадках для упередження пробою транзистора при індективному навантаженні вимагають захисні згоди. Найчастіше це в ключевих каскадах, де навантаженням є реле чи обмотка двигуна.

Клас “А”.

Цей режим ще називається лінійним режимом, оскільки в ньому вихідний струм лінійно залежить від вхідного струму.

При вірно обраному режимі спотворення сигналу буде найменшим.

1- Uнас

2- область активного режиму.

3- область відсікання (закритий стан транзистора).

Як вибрати робочу точку для режиму “А”?

-існує декілько підходів:

1) Якщо потрібно використовувати транзистор по максимальному розмаху вихідної напруги, то робочу точку вибирають посередині робочох частини навантажувальної характеристики.(потрібно врахувати і нелінійність ВАХ в області, близький до насичення)

Режим роботи має бути обраним з умов: Uкео» Еж/2 та Іко» Ік.мах

Якщо ці умови не виконуються, то вихідна неспотворена напруга буде менша від вхідного сигнаду.

2) В тому випадку, коли активний елемент працює в слабосигнальному режимі і амплітуда вхідної напруги набагато менша максимально можливого розмаху, робочу точку можна вибирати і не посередині (при цьому можуть бути враховані економічність підсилювача, необхідність отримання максимального коефіцієнта підсилення).

Це має місце в підсилювачах сигнальної частоти, де Uвх – сотні мкВ. (мікрофонні підс. і т. п.)

Інколи робочу точку вибирають для отримання максимального підсилення за струмом.

При умові, що амплітуда вхідного сигналу така, що активний елемент працює в режимі насичення або відсікання.

Лекція 12

При використанні VT за максимальним розмахом вихідної напруги по формі спотворень можно судити, куди зміщена робоча точка і як потрібно скорегувати режим роботи для отримання вихідногосигнау без спотворень.

1. Um» Еж/2

2. Um < Еж/2

3. Um > Еж/2

В будь-якому випадку, коли настають спотворення, класс “А” неможливий.

Для резистивних каскадів, шо працюють в класі “А”, ККД низький: теор. до 25%.

ККД = Р~н /Р0 = (0,5Um*I~m)/(Eж*Іко) = 0,5Еж.

Внаслідок низького ККД клас “А” не використовується в підсилювачах потужності. Основне використання цього класу – підсилювачи приймачів; вхідні, проміжні каскади, підсилювачі малої потужності (рідко до одиниць ватт і тільки в окремих випадках можуть використовуватися для підсилення з більшою потужністю).

Питання низького ККД не тільки в тому, що високе споживання джерела живлення, а і в тому, що транзистор вибирають майже з потрійним запасом.

Ро = Р»н + Рк, где:

Р»н =25%

Рк =75% - розсіюється у вигляді тепла на колекторі трпнзистора.

Рк номується для конкретних типів транзисторів (дивись довідник).

Потрібно, щоб Рк £ Рк.доп (дивись довідник).

Вищій ККД можна отримати в трансформаторних каскадах, але вони рідше використовуються.

Клас “В”

Основною ознакою є кут відсікання 90 градусів.

Кут відсікання – половина часу (виражена в градусній мірі), протягом якої в транзисторі протікає струм. При цьому весь період в градусній мірі дорівнює 360.

Дивись вище для класу “А” – 180, тобто в класі “А” струм протікає по всьому періоду, а в класі “В” струм протікає 2q = 180, тобто протікає протягом одного півперіоду.

Клас А q = 180

Клас В q = 90

Клас С 0 £ q £ 90

Існує проміжний клас АВ 0 £ q £ 90

Для класу В характерні:

-високий ККД (теоретично до p/4 = 0,78 Þ78%).

-значні спотворення (струм протікає через транзистор протягом півперіоду).

Внаслідок великих спотворень клас В не використовують в резистивних підсилювачах при необхідності отримання малих спотворень вхідного сигналу.

Основне використання витікає з високого ККД: - це двотактні підсилювачі НЧ та ВЧ.

В резонансних підсилювачах ВЧ каскади можуть бути однотактними (дивись далі).

VT1 n-p-n – відкривається позитивною півхвилею.

VT2 p-n-p – відкривається негативною півхвилею.

Це спрощена схема двотактного без трансформаторного підсилювача, в якому спотворення мінімізуються за рахунок почерговх роботи обох плеч.

При високому ККД маємо незначні спотворення.

В одотактних резонансних підсилювачах також отримують неспотворений вихідний сигнал.

Клас С

0<q<90⁰

U_mc >E` -U_бе0 – умова існування класу C.

В класі С q може змінюватись при фіксованому змішенні U_бе0 та зміні U_mc.І навпаки, при

фіксованій амплітуді сигналу (U_mc) змінюючи зміщення U_бе0 теж можна змінювати q. Основне застосування: в наслідок високого КПД широко використовуються в підсилювачах середньої та великої потужності на високій частоті і селективному навантаженні. За допомогою резонансних контурів або фільтрів нижніх частот вони виділяють тільки гармонійну складову струму.

Спектр імпульсного косинусоїдального сигналу буде широким. і складатиметься з коливань як першої так і вищих гармонійних складових, за допомогою резонансного контура або фільтрів нижніх частот можна виділити на вході, підсилювача класу С, першу гармонійну складову і напруга на виході буде косинусоідальною (не спотвореною). На низьких частотах внаслідок великої ширини спектру це зробити важко.

Використовується. Помножувач частоти це пристрій частота коливань на виході якого буде кратною частоті коливань вхідного сигналу.

Д_р – служить для подачі зміщення на базу (+ або -)

U_бе0,U_c вибирають так, шоб задати потрібне значення q

f₀ – резонансна частота контура

f_с – частота сигналу

f₀=n· f_с

Коливальний контур С_к1,С_к2,L_к – резонансний контур третього виду (частково під‘єднаний до А.Е. та навантаження для узгодження)

‘/T_n

Вибір кута відсікання в помножувача

qn_опт=120⁰/n

n – номер гармоніки

При виборі q_n оптимального можна отримати найбільше значення потужності на виході помножувача. Це випливає з залежності значення коефіцієнтів Берга для відповідних гармонік, від кута відсікання.

I_mn=I_mα_n

I_mn – амплітуда n –ї гармоніки

I_m – амплітуда косинусоідального імпульсу струму

α_n – коефіцієнт Берга

Велику кратність помноження можно отримати але в спектрі вихідного сигналу рівень решти гармонійних складових буде значним.

Як правило n використовують 2,3 рідше до 5.

Інколи клас С використовується для формування прямокутних імпульсів. Амплітуду вихідного сигналу вибирають такою щоб крім обмеження знизу внаслідок відсічки, було і обмеження зверху,внаслідок переходу в режим насичення.

Для цього напруга вихідного сигналу повинна бути настільки великою, щоб фронти були прямокутними.

Клас АВ

90⁰<q<180⁰ - умова класу АВ

Кут відсікання співвідношення між напругою вхідного сигналу, напругою зміщення.

При цьому потрібно вибрать таку амплітуду, Щоб було відсікання знизу.

U_mc>U_бе0 - E_б

Використання

Оскільки ККД в класі АВ має проміжне значення ККД_а<ККД_ав<ККД_в, то його використовуют в підсилювачах малої та середноьї потужності високих частот.

Як правило робочу точку в цьому випадку вибирають на початку лінійної ділянки вхідної характеристики, для класу АВ.

Параметри аналогових пристроїв

Вхідна напруга

Будемо розглядати не тільки однокоскадні а і багатокаскадні пристрої.

Це необхідно тому що як правило Т.З. встановлюється значення параметрів на весь пристрій, а при проектуванні потрібно визначати значення для кожного окремого вузла цього пристрою тому потрібно знати взаємозв‘язок внутрішніх каскадів.

Вхідна напруга – напруга прикладена безпосередньо до входу пристрою

Розрізняють мінімальну максимальну і номінальну вхідну напругу.

Номінальна вхідна напруга – значення напруги при якому отримують номінальне значення вихідних параметрів.

Мінімальна вхідна напруга- визначається за співвідношенням сигнал-шум на виході пристрою.

Максимальна вхідна напруга -значення напруги при якому деякі вхідні параметри мають максимальне значення.

Вхідний струм

Вхідний струм- струм який пристрій споживає своїм вхідним колом від джерела сигналу.

Вхідний струм дуже рідко характеризує аналогові пристрої.звичайно вхідний струм при певної мірі перенапруги.

Вхідний опір

Вхідний опір- опір який створює пристрій для джерела сигналу.

В багатьох випадках визначають номінальний вхідний опір – це значення при якому джерело узгоджене з входом пристрою.

Вхідна потужність

Вхідна потужність- це потужність яка розсіюється на вхідному опорі пристрою.

Вихідна потужність

Вихідна потужність- це потужність яку пристрій віддає в зовнішнє навантаження.

Визначається при заданому опору навантаження.Відповідно розрізняють максимальну мінімальну і номінальну вихідну потужність,суть яких состоїть в визначенні вхідної напруги.

Амплітудна характеристика

Амплітудна характеристика- це залежність вихідної напруги (вихідного струму, вихідної потужністі) від рівня вхідного сигналу.

Для багатьох пристроїв характеризують максимальний рівень вихідного сигналу при кому вихідна потужність зменшуєтся на 1Дб від ідеального випадку(P_1Дб потужність при компресії 1ДБ).

Динамічний діапазон

Розрізняють динамічний діапазон по входу,по виходу пристроя, а також динамічний діапазон сигналу.

Якщо в пристрої є регулювання параметрів підсилення то динамічний діапазон по входу не дорівнює динамічному діапазону по виходу. Але в будь-якому випадку динамічний діапазон входу або виходу більше ніж динамічний діапазон сигналу. Якщо ця умова не виконуєтся потрібно вводити регулювання рівня сигналу.

Лекція № 15

Основні схеми транзисторних підсилювачів.

Схема зміщення біполярного транзистора.

r_Б’ – розподілений опір бази (його порядок до 100 Ом, для високих частот – 30-50 Ом).

r_Б’_Е – опір переходу Б-Е; r_Б’_Е = r_Е*(1+h_21Е).

r_Е – диференційний опір базового переходу.

h_21Е – коефіцієнт передачі за струмом для схем зі спільним емітером.

, де U_T – температурна напруга на переході. r_Е – десятки Ом для малопотужних транзисторів.

r_Б’_К – більше 1 МОм. Це диференційний опір закритого переходу Б-К (він завжди закритий, окрім інверсного режиму). В більшості випадків цим опором можна знехтувати.

С_Б’_Е – ємність переходу Б-Е.

r_КЕ – опір між виводами К-Е. (можна знехтувати, оскільки r_КЕ >> r_Б’_К).

С_Б’_К – ємність переходу Б-К (приблизно дорівнює С_К).

f_ГР – гранична частота – це частота на якій h_21Е = 1.

f_h21 – (предельное значение – рос.) це частота, на якій h_21Е = 0.707*h_21Е(НЧ) (h_21Е(НЧ)≈β).

.

h_22E – вихідна провідність транзистора.

Аналіз АЧХ резисторного каскаду.

Резисторний каскад – це каскад, в якому навантаження активне (як правило – це опір наступного каскаду) і живлення на колектор подається через резистор.

Схема зміщення може бути будь-якою із розглянутих раніше.

С_Р1 відносимо до джерела сигналу.

Знехтуємо r_Б`.

Метою аналізу є визначення коефіцієнту підсилення резисторного каскаду, та його частотної залежності, а це означає аналіз АЧХ в широкій області частот.

Аналітичний вираз коефіцієнта передачі в широкій смузі частот складний і аналізувати частотні властивості важко, тому аналіз проводять по трьом областям, або по трьом смугам частот.

1 – умовне зображення АЧХ, якщо ємність С_р мала.

2 – ємності С_ВИХ, С_ВХ настільки малі, що починають шунтувати на СЧ.

Зі схеми зрозуміло, що на частоті f = 0 коефіцієнт підсилення К = 0 (вплив С_Р). Далі буде підйом К. Це визначається впливом С_Р (зі збільшенням частоти опір С_Р зменшується і все більше струму проникає до r_Б’_Е ). Починаючи з деякої частоти (область ВЧ) К починає падати, відбувається шунтування С_ВИХ, та С_Б’_Е, вони створюють режим близький до КЗ.

В області СЧ коефіцієнт К не залежить від частоти, тому що опір X_Cp малий настільки, що він не впливає (КЗ), а опори X_Cвих та X_Cб`е ще великі і КЗ немає (розрив).

В області СЧ коефіцієнт К має постійне значення і в цій області можна знехтувати впливом всіх реактивних елементів.

Аналіз в області НЧ.

,

,

- нормований коефіцієнт передачі нижніх частот.

Лекція № 16

Цей аналіз в першу чергу призначений для оцінки частотних спотворень в області нижніх або верхніх частот при вибраних (визначених) параметрах схеми, або навпаки: для визначення параметрів елементів за заданим рівнем частотних спотворень.

f_H, f_B – визначаються в ТЗ.

К_ВЧ та К_НЧ – коефіцієнти підсилення (передачі) в області верхніх та нижніх частот. Для оцінки частотних спотворень (спаду АЧХ) в області НЧ та ВЧ вводять параметр М (коефіцієнт частотних спотворень), його значення приймають на верхній і на нижній частоті:

- коефіцієнт частотних спотворень в області нижніх частот.

- коефіцієнт частотних спотворень в області верхніх частот.

М_ВЧ та М_НЧ також задають в ТЗ на f_H та f_B відповідно.

Коефіцієнти частотних спотворень показують як зміниться ЧХ на границях відносно К₀.

Можна аналізувати схему на СЧ, а можна прийняти ту ж саму спрощену схему що для НЧ, але закоротити конденсатор, тоді:

При синтезі схеми f_H, M_HЧ(тз) задані. Потрібно вибрати таке значення С_Р, при якому M_HЧ M_HЧ(тз). С_Р вибирають по тій причині, що значення цієї ємності не впливатиме на К₀ та К_ВЧ. І відповідно з (*), отримаємо:

.

К_НЧ це нормований коефіцієнт підсилення.

.

Аналіз АЧХ в області СЧ.

Якщо знехтувати r_Б`, то U_ВИХ ≈U_{ВИХ КОЛ.}

- це повне навантаження каскаду за змінним струмом.

U_П – напруга на базовому переході.

R_E – емітерний опір попереднього каскаду. В тому випадку, якщо цей опір шунтований конденсатором

.

Тут К₀ абсолютне значення (нормоване буде дорівнювати одиниці).

Аналіз АЧХ в області ВЧ.

С₀ = С_ВИХ + С_МОНТ +С_ВХ.

С₀ – сумарна ємність до складу якої входять вихідна ємність, ємність монтажу та вхідна ємність наступного каскаду.

R_Г = R_K║r_K

R_ЕКВ – внутрішній опір джерела напруги.

Нормований коефіцієнт передачі:

.

.

Якщо знехтувати r_{Б`</sub>, то R<sub>ЕКВ</sub> ≈ R<sub>K</sub>║r<sub>K</sub>║r<sub>Б`E} ≈ R_K║r_K║R_ВХ ≈ R_K║R_ВХ.*

В багатьох випадках R_ВХ << r_K, тому останній крок ланцюга * робиться зі знаком ≈.

С₀ можна зменшити незначно за рахунок вибору високочастотних АЕ з малими вхідними та вихідними ємностями і зведенням до мінімуму паразитної ємності монтажу. І якщо в цьому випадку М_ВЧ>М_ВЧ(тз), то єдиним способом розширення смуги пропускання є зменшення R_ЕКВ, яке приблизно дорівнює R_ЕКВ≈R_K║R_ВХ. Але це зменшення автоматично веде до зменшення коефіцієнта підсилення К₀. Тому платнею за розширення смуги є зниження К₀.

Це є ще одним підтвердженням того, що площа підсилення К₀*f_В = const.

Лекція № 17

Схеми ввімкнення АЕ. Порівняльний аналіз.

АЕ – транзистор має три електроди триелектродний пристрій. При використанні його отримуємо чотириполюсник.

U_ВХ Б-Е: вхідну напругу, або її частину прикладають до переходу БЕ. В вихідне коло ввімкнути навантаження. Звідси один з електродів має бути спільним для вхідного та вихідного зажимів.

Схема ввімкнення зі спільним емітером.

Еквівалентна схема за змінним струмом.

Схема ввімкнення зі спільною базою.

В такому вигляді зображується дуже рідко, найбільш часто:

Схема ввімкнення зі спільним колектором.

До керувальних електродів Б-Е прикладена тільки частина U_ВХ (U_КЕР < U_ВХ). Але тим не менше, U_ВХ прикладене до керувальних електродів.

В такому кресленні використовується частіше.

А в такому рідше:

Аналогічно можна привести три схеми ввімкнення ПТ (польового транзистора): зі спільним витоком, спільним заслоном та спільним стоком.

Схема живлення (зміщення може бути) однаковою для всіх трьох способів ввімкнення АЕ і тому не потрібно їх запам’ятовувати.

Розглянемо на прикладі резистивного підсилювача з емітерною стабілізацією.

В схемі з СК R_К не є обов’язковим елементом. Може вводитись тільки для розв’язування.

Порівняльна таблиця схем ввімкнення.

Схема ввімкнення	Еквівалентна схема	КУ	КІ	КР	RВХ	RВИХ
СЕ		найбільше	найбільше	найбільше	середнє	середнє
СБ		найбільше	найменше	середнє	найменше	найбільше
СК		найменше	середнє	середнє	найбільше

Для схеми з СЕ.

;

; ;

;

.

Решта параметрів можуть бути отримані аналогічно.

При порівнянні за частотними властивостями найкраща з розглянутих – СБ, вона найбільш широкосмугова, і їй надають переваги при проектуванні широкосмугових підсилювачів, це найбільша робоча частота. Найгірша – СЕ.

З цієї таблиці видно, що схему з СЕ доцільно використовувати при необхідності отримання максимального К_У, К_І, К_Р, але за частотними властивостями вона гірша ніж схема з СБ. Середнє значення R_ВХ робить її досить таки універсальною.

СЕ інвертує сигнал. СБ доцільна при необхідності отримання максимального К_У, широкої смуги робочих частот. Завдяки найбільшому R_ВИХ доцільно використовувати в селективних (резонансних) підсилювачах (високий вхідний опір незначно шунтує коливальний контур). Ця схема має високу стійкість. Недоліком її є низький вхідний опір (хоча це зручно при узгодженні з низькоомним джерелом вхідного сигналу). СБ сигнал не інвертує.

Лекція № 18

Схема з спільним емітером інвертує сигнал, а з спільною базою – не інвертує (емітерний повторювач) Його К_у » 1Найбільший вхідний опір і тому використовується для узгодження з високоомними джерелами сигналів(R_вх=10..100кОм(R_вх»b×R_н). При цьому коло зміщення повинно бути теж високоомним. Крім того завдяки низькому внутрішньому опорові емітерни1й повторювач використовують для узгодження з низькоомним навантаженням. Тобто в цьому каскаді досягаєься найбільший коефіцієнт трансформації: R_і (джерело сигналу) – R_н. Коли R_вих» r_e = , то в потужних каскадах при великих I_к R_вх може складати 10-ті долі Ома. Основне використання – підсилювачі струму та потужності (зокрема безтансформаторні двотактні аудіо-підсилювачі потужності); каскади, які працюють на довгій лінії (r_лінії = 10-100 Ом).Мале значення К_у та погані частотні характеристики обмежують цого використання.

Багатокаскадні підсилювачі. Порівняльний аналіз.

При каскадуванні окремих каскадів потрібно враховувати властивості цих каскадів та їхній взаємний вплив, тому вибір схеми ввімкнення активних елементів в каскадах повинен здійснюватись з врахуванням цього впливу.

Розглянемо це на прикладі двокаскадних схем. Оскільки є три схеми ввімкнення активних елементів, то з врахуванням цього можливі дев¢ ять варіантів їх ввімкнення: (СЕ-СЕ, СЕ-СБ, СЕ-СК, ………, СК-СК).

Схема	Ки	Кі	Кр	Rвх	Rвих
		b ^2		b×re	rк
		b		b×re	b×rк
		b ^2		b×re	re
		b		Re	rк
				Re	b×rк
		b		Re	re
		b ^2		b ^2×re	rк
		b		2b×rе	b×rк
		b ^2	b ^2	b^2×Rк	re

Схема	Ки	Кі	Кр	Rвх	Rвих	Частотні властивості
СЕ-СЕ	Найкращі підсилювальні властивості(за U,I,P), при великих значеннях Rн	проміжний	проміжний	задовільні
СЕ-СБ Å для узгоджен-ня джерела сигналу і навантаж.	Добрі підсилювальні властивості, зручність реалізації при послідовному живленні транзисторів(див.далі сх. реаліз	проміжний	Найбільше Å для резон. підсилювачів	найкращі
СЕ-СК	Найкращі підсилювальні властивості, але при низькоомних Rн	проміжний	Низький Åдля низькоомн.Rн	найгірші
СБ-СБ	Немає ніяких переваг порівняно з однокаскадною, використання недоцільне
СБ-СК	Така схема використовується дуже рідко	малий	малий	задовільні
СК-СЕ Å для узгодж.ен-ня	Нічим не виділяється	високий	проміжний	задовільні
СК-СБ	Нічим не виділяється		Найбіль-ший	найкращі
СК-СК Å для низькоомних Rн при висок. Rвх		підсилення за струмом		Найбіль-ший	малий	найгірші

Дата добавления: 2014-12-25