Исходные данные. 4 страница

МОП- транзисторы доминируют в построении микропроцессоров, в схемах памяти и большинства высококачественных логических схем.

Источники тока на ПТ с р- n- переходом.

ПТ используется в качестве источника тока в составе интегральных схем.

Простейший источник тока показан на рисунке. Выбираем ПТ с р-n- переходом, а не МОП- транзистор, поскольку схема не требует смещения затвора. Их стоковых характеристик ПТ видно, что ток будет приблизительно постоянным при Uси>2 В.

При Uзи=0 ток стабилизации составляет 2.8 мА. Серийные диодные токовые "стабилизаторы тока" представляют собой всего лишь отобранные по току ПТ с р- n- переходом, у которых затвор соединен со стоком.

Вариация предыдущей схемы дает регулируемый источник тока.

Резистор автоматического смещения R задает обратное смещение затвора IсR. Можно рассчитать R для конкретного ПТ на нужный ток стабилизации.

(Вполне возможно, что здесь не хватает листов!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!)

Транзисторные усилители.

Простейшая ячейка, позволяющая осуществлять усиление, называется усилительным каскадом. Электрические сигналы, подаваемые на вход усилителей могут быть чрезвычайно разнообразны: это могут быть непрерывно изменяющиеся величины, в частности, гармонические колебания, однополярные или двуполярные импульсы. Как правило, эти сигналы пропорциональны определенным физическим величинам. В установившихся режимах многие физические величины постоянны, либо изменяются весьма медленно. В переходных и, особенно, свободных режимах, те же величины могут изменяться в течении малых промежутков времени. Поэтому усилитель должен обладать способностью усиливать как переменные, так и постоянные или медленно изменяющиеся величины.

Классификация усилителей.

1)по роду усиливаемых электрических сигналов- усилители гармонических и усилители импульсных сигналов.

Усилители гармонических сигналов предназначены для усиления периодических сигналов различной величины и формы. К таким усилителям относятся: микрофонные, радиовещательные, магнитофонные и ряд др.

Импульсные усилители служат для усиления импульсных периодических и не периодических сигналов различной формы с заданным уровнем искажений.

2)по ширине полосы и абсолютным значениям усиливаемых частот- усилители постоянного и усилители переменного тока, усилители низкой и усилители высокой частоты, широкополосные и узкополосные (избирательные) усилители.

Основные качественные показатели.

Основные качественные показатели электронных усилителей являются выходные и входные данные; коэффициент усиления и КПД, частотная и фазовая характеристики, динамический диапазон и уровень собственных помех.

Выходные и входные данные.

К ним относятся: номинальное выходное напряжение Uвых или номинальная выходная мощность Рвых, которую развивает усилитель на сопротивлении нагрузки. В зависимости от типа и назначения усилителя номинальная выходная мощность может составлять от долей Вт до десятков и даже сотен кВт.

К входным данным относятся: номинальное входное напряжение Uвх (или входной ток Iвх), которое нужно подвести ко входу усилителя для получения номинальной выходной мощности, и входное сопротивление усилителя Zвх.

Коэффициент усиления.

Коэффициент усиления различают по:

· напряжению Kн=Uвых/Uвх;

· току Кт=Iвых/Iвх;

· мощности Км=Рвых/Рвх= .

Коэффициент усиления может выражаться в децибелах

Кдб=20LgКн=20LgКт, Кдб=10LgКм.

В схемах усилителей и внагрузке всегда присутствуют реактивные элементы, в результате чего фаза выходного напряжения не совпадает с фазой входного. Поэтому коэффициент усиления в общем случае является комплексной величиной.

,

где К- модуль коэффициента усиления,

j- аргумент, величина которого определяет фазовый сдвиг, возникающий при прохождении сигнала через усилитель.

Коэффициент полезного действия.

КПД является важнейшим показателем, особенно для усилителей средней и большой мощности. Различают электрический и полный КПД.

Электрический КПД: h=Р’вых/Ро,

где Р’вых- полезная мощность,

Ро- мощность потребляемая каскадом от источника питания.

Полный КПД: h_п=Р’вых/Р,

где Р- мощность, потребляемая от всех источников питания.

Искажения сигнала усилителя.

В электронных усилителях различают три вида искажений: частотные, фазовые и нелинейные.

Частотные искажения

Частотными называют искажения, изменяющие форму выходного сигнала из- за неодинакового усиления сигналов различных частот. Источником частотных искажений являются реактивные элементы. При подаче на вход усилителя сложных несинусоидальных колебаний, величины реактивных сопротивлений для отдельных спектральных составляющих будут различными. В следствии этого отдельные составляющие сложного сигнала будут усиливаться в разной степени и сдвигаться на разные углы по фазе. Для оценки частотных искажений служит частотная характеристика, которая показывает зависимость модуля коэффициента усиления от частоты.

В реальном усилителе из- за наличия реактивных элементов частотная характеристика отличается от прямой. Количественно частотные искажения оценивают при помощи коэффициента частотных искажений: М=Ко/К,

где Ко- коэффициент усиления на средних частотах,

К- коэффициент усиления на заданной частоте.

Для многокаскадных усилителей общий коэффициент частотных искажений равен произведению коэффициентов частотных искажений: Мобщ=М₁М₂М₃…Мn.

Фазовые искажения.

Фазовыми называют искажения, изменяющие форму выходного сигнала из- за наличия фазовых сдвигов. Фазовые сдвиги, т.е. запаздывание во времени, вносят реактивные элементы. Фазовые искажения оценивают по фазовой характеристике, представляющей собой зависимость угла сдвига фазы между выходным и входным напряжениями усилителя от частоты.

Идеальная фазовая характеристика- это линейная зависимость вносимого усилителем сдвига фаз от частоты:

Dj=wt или .

В реальном усилителе из- за наличия реактивных элементов фазовая характеристика отличается от прямой.

Нелинейные искажения.

Основными причинами появления нелинейных искажений в усилителе является нелинейность входных и выходных характеристик полупроводниковых элементов, характеристик намагничивания железа (дросселей, трансформаторов) и неправильный выбор режима. В результате нелинейных искажений на выходе усилителя, кроме полезного сигнала (основной гармоники), появляются высшие гармоники, то есть совершенно новые колебания, которых не было на входе.

Степень нелинейных искажений в электронных усилителях оценивают величиной коэффициента гармоник g, который представляет собой:

.

Обычно, при расчетах ограничиваются учетом второй и третьей гармоник.

Допустимая величина коэффициента нелинейных искажений g определяется назначением усилителя. Высококачественные усилители низкой частоты имеют g порядка (1-2)% и менее, в усилителях среднего качества g=(5-7)%.

Нелинейные искажения зависят от амплитуды сигнала, подводимого на вход каскада. С увеличением амплитуды сигнала нелинейные искажения растут. Наибольшие нелинейные искажения появляются в выходных каскадах усилителя.

Динамический диапазон и уровень собственных шумов.

Динамическим диапазоном усилителя называют отношение амплитуды наибольшего напряжения (или мощности) сигнала к амплитуде наименьшего напряжения (или мощности):

Dи=Uвх.мах/Uвх.мin; D=Рвх.мах/Рвх.мin.

В рабочей области динамического диапазона зависимость Uвых=f(Ux) прямолинейна, а при очень малых входных напряжениях, в следствии наличия собственных помех усилителя, из- за которых при отсутствие входного напряжения, напряжение на выходе оказывается равным напряжению собственных помех усилителя Uп. Верхний "завал" зависимости объясняется нелинейностью характеристики усилительных элементов.

Рабочий диапазон частот.

Рабочим диапазоном частот или полосой пропускания усилителя называют область частот, в пределах которой коэффициент усиления изменяется больше, чем это допустимо по заданным техническим условиям (fн и fв). Обычно на граничных частотах области допускается уменьшение коэффициента усиления на 3 Дб.

Собственные помехи усилителя.

Собственные помехи усилителя обусловлены собственными тепловыми шумами, возникающими в различных элементах усилительных схем, собственными шумами усилительных элементов, низкочастотным фоном за счет пульсации напряжений источников питания, вложенными электрическими помехами.

Тепловой флуктуационный ток, проходя по полупроводнику, создает на его концах флуктуационное (шумовое) напряжение, величина которого при комнатной температуре:

,

где Uт.ш.- напряжение тепловых шумов,

fв и fн- граничные частоты,

R- активная составляющая сопротивления цепи в полосе частот.

Шумовые напряжения имеют самые различные частоты и фазы, и поэтому практически охватывают всю полосу усилителя. Уровень шумов в транзисторах многот выше, чем в электрических лампах. Наиболее сильное влияние оказывают шумы и помехи, возникающие во входной цепи и в первом каскаде усилителя, т.к. эти помехи усиливаются всеми последующими каскадами.

Схемы усилительных каскадов.

Схемы входных и выходных усилителей.

Для того, чтобы постоянные составляющие тока или напряжения источника сигнала не подавались на вход первого усилительного элемента (или не проходили в нагрузку от последнего усилительного элемента), применяют резистивно- емкостную или трансформаторую связи. Кроме того трансформаторная связь позволяет так же согласовывать каскады, т.е. выравнять сопротивление. Для симметрирования цепи, которая уменьшает уровень входных помех, среднюю точку трансформатора заземляют.

Питание цепей транзистора.

Питание всех цепей транзисторного усилителя обычно осуществляется от одного общего источника постоянного тока, к которому параллельно подключают питаемые цепи. Для устранения паразитных межкаскадных связей через источник питания применяют развязывающие фильтры CфRф.

Схема с О.Э. и параллельной по- дачей смещения

Схема с О.Э. и пос- ледовательной пода- чей смещения

Схема с О.Б. и параллельной подачей смещения

В этих схемах величина базового резистора смещения может быть определена из соотношения:

-U_БЭ=-Ек+IбоR₁,

где Iбо- постоянная составляющая тока базы.

Отсюда

R₁=(Ек-U_БЭ)/Iбо.

Входящая в схемы шунтирующая емкость на нищзкой частоте должна иметь сопротивление значительно меньше сопротивления входной цепи

,

где Rвх- входное сопротивление каскада, Rи- сопротивление источника сигнала.

Методы подачи смещения на базу с трансформатором

с последовательным включением вторичной обмотки трансформатора

с параллельным включением вторичной обмотки трансформатора

Иногда для компенсации температурного влияния в эмиттерную цепь транзистора включают резистор R_Э. Его следует учитывать при расчете резистора Rб. В полном уравнении

Ек=U_БЭ+I_ЭR_Э+IбRб,

отсюда:

Rб=(Ек-U_БЭ-I_ЭR_Э)/Iб.

Иногда смещение подается фиксированным.

При этом достигается лучшая стабилизация рабочей точки, но схема менее экономична из- за расхода мощности в делителе, и кроме того уменьшается входное сопротивление. По первому закону Кирхгофа:

Схема с О.Э.

Схема с О.Б.

I₁=Iб+I₂.

При выборе R₁ нужно выполнить условие R₁<Ек/Iб, чтобы значение отношения сопротивлений получилось приемлемым.

Рассмотренные методы подачи смещения пригодны лишь для каскадов, работающих при малых изменениях окружающей температуры (+ 5- + 8)⁰С. При больших изменениях температуры применяют различные способы стабилизации при помощи автосмещения или используются специальные типы транзисторов.

Стабилизация рабочей точки.

Для нормальной работы усилительного каскада необходимо правильно выбрать рабочую точку: Iко и Uко (ток и напряжение покоя).

Если ток покоя изменяется, то рабочая точка перемещается в ту или иную сторону по статической характеристике. Такое перемещение чаще всего обусловлено изменениями температуры.

В связи с этим применяют схемы стабилизации рабочей точки отрицательной обратной связью по постоянному току.

Этот каскад стабилизирован с помощью делителя напряжения R₁R₂ и эмиттерного резистора R_Э. Резистор цепи эмиттера зашунтирован конденсатором большой емкости C_Э для того, чтобы переменная составляющая тока коллектора не проходила через R_Э. Если теперь по какой- либо причине коллекторный ток будет увеличиваться, то отрицательный потенциал эмиттера по абсолютной величине возрастет. В следствии этого отрицательное напряжение между базой и эмиттером (а так же ток базы) будут уменьшаться, что в свою очередь приведет к уменьшению коллекторного тока, этим и достигается желаемая стабилизация.

Эмиттерное сопротивление резистора рассчитывается по формуле:

R_Э=U_Э/I_ЭО,

где U_Э- допустимое падение питающего напряжение на резисторе R_Э.

Помимо эмиттерной, применяют так же коллекторную стабилизацию режима.

При возрастании тока коллектора, напряжение -Uк=Ек+RкIк уменьшается, так как падение напряжения IкRк увеличивается. Входной ток базы будет уменьшаться, а с ним будет уменьшаться и ток коллектора. Таким образом, схема автосмещения стремиться стабилизировать положение рабочей точки. Но из- за наличия отрицательной обратной связи по переменному току в этой схеме падает коэффициент усиления. Для устранения этого явления в схему вводят разделительный конденсатор Ср большой емкости.

Схемы межкаскадной связи.

Схема с непосредственной связью.

Усилительный сигнал с выхода предыдущего усилительного элемента можно передавать на вход последующего непосредственно с нагрузки усилительного элемента. Особенностью такого включения является способность схемы усиливать не только переменную составляющую сигнала, но и постоянную составляющую. В связи с этим схема прямой связи находит широкое применение в усилителях постоянного тока, а в усилителях переменного тока- редко (но часто в микросхемах).

Схема с резисторно- емкостной связью.

На сопротивлении коллекторной нагрузки Rк первого транзистора выделяется усиленное напряжение сигнала, которое через разделительный конденсатор Ср подается на базу второго транзистора для дальнейшего усиления. Разделительный конденсатор Ср не пропускает постоянную составляющую коллекторного тока первого транзистора к базе второго.

Схема с трансформаторной связью.

Трансформатор обеспечивает межкаскадную связь и согласование входного и выходного сопротивлений. Для придания нужных свойств каскаду, одну из обмоток трансформатора иногда шунтируют резистором. Трансформатор широко применяется в качестве входного и выходного устройств, для симметрирования и согласования цепей в усилителях переменного тока.

Режимы усилителей.

Для электронных усилителей низкой частоты характерны три класса работы усилительных элементов: А, В и АВ, отличающиеся один от другого своими электрическими и экономическими показателями и уравнением нелинейных искажений.

Режим А.

Режим, при котором смещение на управляющий электрод и переменное напряжение сигнала таковы, что выходной ток усилительного элемента или каждого из усилительных элементов двухтактного каскада протекает в течении всего периода, питающие напряжение усилителей таким образом, что рабочая точка А лежит на середине прямолинейного участка проходных динамических характеристик усилительного элемента. Если значение сигнала не очень велико и не выходит за пределы прямолинейного участка динамической характеристики, то форма колебаний выходного тока в точности воспроизводит колебания тока во входной цепи. Точное воспроизведение формы входного сигнала является основным преимуществом режима класса А. Но режим класса А характеризуется низким КПД (порядка 20-30%), малым использованием выходной мощности. В режиме класса А работают маломощные каскады, в основном, каскады предварительного усиления.

Режим В.

В режиме класса В напряжение смещения на управляющем электроде примерно равно напряжению отсечки, и, следовательно выходной ток примерно равен нулю при отсутствии переменного напряжения сигнала Uвх. При подаче напряжения сигнала на управляющий электрод выходной ток протекает в усилительном элементе или в каждом из усилительных элементов двухтактного каскада в течении времени приблизительно равном половине периода. Рабочая точка А при отсутствии напряжения сигнала расположена в самом начале динамической характеристики. При подаче на управляющий электрод переменного напряжения Uвх положительная полуволна будет вызывать появление выходного тока через усилительный элемент, при отрицательной полуволне входного напряжения- ток в выходной цепи отсутствует, то есть выходной Iк будет иметь форму импульсов. Поэтому усилитель в режиме В работает только по двухтактной схеме. Смещение на управляющий электрод выбирают таким образом, чтобы рабочая точка находилась в точке отсечки тока или чуть выше ее. Первый усилительный элемент управляет положительным полупериодом тока, второй управляющий элемент- отрицательным. На выходе выходные полуволны сшиваются и получается синусоида. Очевидно, что в двухтактный каскад, работающий в классе В, можно подавать почти двойное- тройное напряжение Uвх по сравнению с двухкаскадом, работающим в классе А. Преимуществом усилителя, работающего в классе В, является более высокий КПД (60-70%) по сравнению с усилителем, работающем в режиме А, т.к. энергия расходуется только в режиме подачи сигнала. Но нелинейные искажения в В выше, чем в А.

Режим АВ

В этом режиме смещение на управляющем электроде Есм и переменное напряжение сигнала Uвх таковы, что выходной ток усилительного элемента или каждого из усилительных элементов в двухтактной схеме протекает в течении времени, большего половины периода, но меньше всего периода.

Каскады предварительного усиления.

Сигнал, малый по мощности или по напряжению, обычно усиливается в два этапа: В начале напряжение сигнала усиливается до значения, достаточного для управления мощными усилительными элементами при незначительном усилении мощности, а затем уже усиливается мощность до заданной величины. Обычно, структурная схема усилителя УНЧ выглядит следующим образом:

Обычно, для связи между каскадами используются RС- цепи. Трансформаторы для межкаскадных связей в усилителях используются редко.

В каскадах предварительного усиления используются маломощные усилительные элементы с высоким коэффициентом усиления по току. Режимы их работы и способ включения выбираются таким образом, чтобы получить возможно большее усиление сигнала при малом расходе питающей энергии. Поэтому, основным требованием предъявляемым к предварительным каскадам является наибольший возможный коэффициент усиления прри заданной частотной, фазовой или переходной характеристике.

Каскады мощного усиления.

Задача каскада мощного усиления развить необходимую мощность в нагрузке при достаточно высоком КПД и наименьшем уровне нелинейных и частотных искажений.

Очень часто с целью обеспечения наивыгоднейших условий работы усилительного элемента, для связи с внешней нагрузкой используется так называемый выходной трансформатор. Применение трансформатора имеет ряд преимуществ:

* малое сопротивление постоянному току первичной обмотки трансформатора, включенной в качестве коллекторной нагрузки, в результате чего на ней практически нет падения напряжения от постоянной составляющей тока, и почти все напряжение источника питания приложено к выходным электродам усилительного элемента;

* трансформатор позволяет создать усилительному элементу наивыгоднейший режим в отношении сопротивления нагрузки.

Если низкоомную нагрузку (единицы Ом) включить непосредственно в выходную цепь усилительного элемента, то это повлечет за собой весьма существенное усиление мощности, отдаваемой усилителем в нагрузку. При этом одновременно могут возрасти нелинейные искажения. Если же подсоединить этот низкоомный потребитель ко вторичной обмотке понижающего трансформатора, то сопротивление нагрузки, отнесенное к первичной обмотке трансформатора Rн*=Rн/n², где n=w₂/w₁. Это эквивалентно включенное в выходную цепь усилительного элемента сопротивление в 1/n² раз большего, чем сопротивление резистора нагрузки Rн. Подбирается соответствующим образом коэффициент трансформации понижающего трансформатора (n<1), можно получить наивыгоднейшее эквивалентное сопротивление нагрузки Rн* и увеличить ток, протекающий во вторичной обмотке трансформатора, и тем самым выделить на резисторе нагрузки Rн заданную полезную мощность. N- зависит от конкретного типа усилителя и лежит в пределах 0.01-0.4.

Кроме того при наличии выходного трансформатора постоянная составляющая выходного тока не проходит через нагрузку Rн, за счет чего уменьшается потеря энергии питания, то есть возрастает КПД усилителя.

К недостаткам следует отнести большие размеры, стоимость, массу, а так же трудности получения хорошей частотной характеристики.

Однотактный трансформаторный каскад мощного усиления.

Эта схема имеет низкий КПД, т.к. может использоваться только в режиме А. Уровень нелинейных искажений сравнительно велик, т.к. выходные характеристики недостаточно линейны.

Каскад с ОБ дает небольшой коэффициент гармоник. Трансформаторная межкаскадная связь позволяет создать для усилительного элемента наивыгоднейшую нагрузку, что стабилизирует работу усилителя. Сопротивлением эмиттерной стабилизации выходного каскада является сопротивление вторичной обмотки трансформатора Тр1. В случае необходимости усиления стабилизации каскада включают дополнительно резистор R_Э и конденсатор С_Э.

Двухтактный каскад мощного усиления.

Двухтактные трансформаторные усилители характеризуются большой выходной мощностью и высоким КПД. В связи с этим их используют в основном в качестве мощных выходных усилителей и только иногда- как усилители напряжения.

Существуют различные схемы двухтактных усилителей. Схема на рисунке, представляет собой соединение двух половин, называемых плечами.

Оба плеча должны быть электрически симметричны. Симметричных режимов можно добиться различными способами. Этого можно добиться если первичную обмотку выходного трансформатора сделать из двух одинаковых половин. А входные напряжения так же подавать симметрично. На схеме симметрирующим элементом является согласующий трансформатор Тр1, выходная обмотка которого создает два противофазных синусоидальных напряжения.

Если условия симметричности выполнены, то все составляющие токов обоих каскадов оказываются равными.

При равенстве постоянных токов коллекторов отсутствует постоянное подмагничивание сердечника выходного трансформатора Тр2. Это позволяет выбрать размеры трансформатора значительно меньше, чем в однотактной схеме.

При равенстве переменных составляющих коллекторных токов транзисторов, магнитный поток в сердечнике создает только нечетные гармоники сигнала, которые проходят в первичной обмотке трансформатора в одной полуволне. Четные гармоники коллекторных токов не создают в трансформаторе магнитного тока, т.к. протекают в первичной обмотке навстречу друг другу. По этой причине в двухтактной схеме уровень нелинейных искажений ниже, чем в однотактной с трансформатором. Если для двухтактного трансформаторного усилителя выбрать режим работы класса В, то высшие нечетные гармоники коллекторных токов исчезают, и переменный магнитный поток в трансформаторе создают только первые гармоники переменных составляющих. В режиме АВ нечетные гармоники коллекторных токов транзисторов есть, но их амплитуды незначительны по сравнению с первой гармоникой. Еще одна особенность. Схема двухтактного трансформаторного усилителя малочувствительна к пульсациям напряжения коллекторного питания Ек, т.к. одинаковые по величине и направлению изменения коллекторных токов не будут создавать в трансформаторе магнитного потока (нет гула). Поэтому можно упростить фильтрацию питания.

Дата добавления: 2015-05-06