Напряжение

Параметрический стабилизатор

Барьерная емкость p- n- перехода

p- n - переход можно рассматривать как конденсатор, обкладками которого является р и n области монокристалла, а диэлектриком - обедненный СНЗ участок между ними (собственно p- n - переход).

В кристалле с обеих сторон границы есть 2 слоя разнополярных неподвижных ионов примесей.

В p- n - переходе сопротивление R большое, а при обратных напряжениях – очень большое.

Ширина перехода - аналог расстояния между обкладками конденсатора.

Изменение U_обр изменяет ширину p- n - перехода и величину пространств. заряда и барьерную разность потенциалов

↑d => уменьшается C

Эта емкость есть и при прямом включении, и ее значение даже больше. Но при прямом включении R самого перехода (эквивалент диэлектрика) мало.

Rб - баластное сопротивление.

Параметрический стабилизатор - это по сути нелинейный делитель U.

Рассмотрим работу положив, что R_н=∞, т.е. в режиме холостого хода.

Решение задачи сводится к определению распределения U₁ между R_б и стабилитроном.

В режиме холостого хода они соединяются последовательно, I_б=I_cт.

Задача решается графо-аналитически, для этого в системе координат ВАХ стабилизатора надо построить ВАХ R_б; учитывая, что цепь последовательная, пересечение ВАХ даст значения U_ст0, I_cт0.

В собственной системе координат ВАХ R_б проходит через начало координат.

I_R, А

U_R, B

Очевидно нужно выполнить задачу преобразования координат, учитывая, что Rб линейно, его ВАХ будет прямой и для построения нужно знать 2 точки.

Координаты этих точек можно получить обрабатывая выражение из 2 з. Кирхгофа нашей цепи.

E=IσRσ+Uст; Urδ=IσδRσ

Iδ=Icт=I

Преобразовать координаты- выразить координату Urδ через значение Uст.

I=E-Uст/Rσ

U2-?U1=Е

I’=E-Uст/Rσ,при Uст=0

I’=E/Rσ

I’’=0 при Uст=Е

Пусть, Е получило приращение ∆Е, а значит: U1+=U1+∆U

Построенное ВАХ является нагрузочной прямой стабилизатора, пересечение с характеристикой стабилизатора даст значение U2.

Видно, что ∆Е - значительно, а ∆U2-мало, что позволяет сказать, что оно приблизительно постоянное.

Аналогичные выводы можно сделать путем анализа при Rn=∞.

Для этого предварительно следует построить результирующюю ВАХ стабилизатора и RH, включенного с ним паралельно.

Биполярный транзистор

Это полупроводниковый прибор, построенный на базе двух или более взаимодействующих p-n переходов, заключенных в защитный корпус и снабженный выводами для соединения с внешней цепью.

В дальнейшем под БПТ будем понимать полупроводниковый триод, у которого 2 взаимодействующих p-n перехода. Транзисторы бывают двух типов: p-n-p и n-p-n.

Чтобы изготовить p-n-p БПТ берут очень тонкую пластину полупроводника с n‑проводимостью и легируют её с двух сторон акцепторной примесью очень большой концентрации, причем концентрация этой примеси с разных сторон пластины несколько различается.

В результате образуется два несимметричных p-n перехода. Там, где концентрация примесей оказалась меньше – коллектор, а там где больше– эмиттер.

Область между переходами отличается очень малой концентрацией примесей и имеет повышенное сопротивление по сравнению с периферийными областями. Ширина базы очень мала (~0,001 мм.)

При использовании БПТ для усиления электрических сигналов на коллектор всегда подается U_обр, а на эмиттер – U_прям.

Любой усилитель – это четырехполюсник, однако у транзистора только 3 электрода, поэтому чтобы использовать его как четырехполюсник, один электрод должен быть общим и для входной и для выходной цепи. Различают три схемы включения БПТ: с общим эмиттером, общим коллектором и общей базой.

Схема с общим эмиттером

Электрод можно считать общим, если разность потенциалов между ним и общим проводом равна 0.

I_Э= I_К+I_Б – основное уравнение транзистора.

Схема с общей базой

Ток эмиттера самый большой, ток базы очень мал, а ток коллектора несколько меньше, чем ток эмиттера.

Схема с общим коллектором

В любой схеме включения эмиттерный переход всегда связан со входной цепью.

Ток коллектора определяется током базы:

I_К=bI_Б

Если есть ток базы и есть источник питания коллектора, то связь между ними определяется через b - интегральный коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером.

b= I_К / I_Б >> 1

I_К = b × I_Б

α – интегральный коэффициент передачи по току в схеме с общей базой.

α<1; α= I_К/ I_Э =b/(1+b)

При перемещении носителей из эмиттера через базу в коллектор, будет происходить меньше рекомбинаций, инжектированных из эмиттера в базу ОНЗ. В базе они станут ННЗ и большее их количество достигнет коллектора.

Статические ВАХ БПТ

Статическая вольт-амперная характеристика БПТ – это зависимость между током и напряжением между парой электродов при постоянном значении токов и напряжений других электродов. Различают входные и выходные ВАХ. Чаще всего применяются входные ВАХ при постоянном значении U_вых и выходные ВАХ при постоянном значении I_вх.

Входные ВАХ БПТ с ОЭ

При U_КЭ1=0 остается только один p-n переход. При увеличении U_КЭобр до U_КЭ2 увеличивается ширина коллекторного перехода (т.к. в базе меньше примесей), а следовательно увеличивается сопротивление базы, т.е. уменьшается ток базы I_Б.

В базе происходит рекомбинация неосновных носителей, которые получаются благодаря инжекции ОНЗ из эмиттера в базу при увеличении U_пр на ЭП. Сопротивление базы увеличивается более резко, чем уменьшается I_БЭ. В результате падение напряжения на базе увеличивается и при неизмененном значении U_БЭ уменьшается напряжение, прикладываемое непосредственно к эмиттерному переходу.

Выходные ВАХ

I_К=f (U_КЭ), I_Б=const

Для конкретности будем рассматривать транзистор типа p-n-p. При I_Б=0 эмиттерный переход равновесный и на ток коллектора влияния не оказывает. ВАХ при этом является ВАХ обратно смещенного коллекторного перехода: ток коллектора является током ННЗ, зависит от температуры и неуправляемый. Увеличим ток базы: I_Б≠0. Для этого на ЭП надо подать прямое напряжение. Это приведет к понижению потенциального барьера, тормозящее поле в переходе уменьшится, а диффузия ОНЗ из эмиттера в базу увеличится. В базе ОНЗ, инжектированные из эмиттера, становятся ННЗ. Их концентрация наиболее высока возле ЭП. В базе появляется избыточный положительный заряд М, а в эмиттере такой же отрицательный заряд М свободных электронов. Под влиянием источника, обеспечивающего U_БЭ, эти заряды выводятся из эмиттера и вводятся в базу. Под влиянием градиента разности концентраций М пар электронов и дырок диффундируют к КП. В базе происходит рекомбинация m пар электронов и дырок (m << M, т.к. база очень тонкая). Для ННЗ базы (т.е. для дырок), которые получились за счет инжекции из эмиттера, поле КП – ускоряющее. Для компенсирующих (т.е. электронов) это поле тормозящее. В результате из базы выводится (M-m) ОНЗ, а в коллектор поступает (M-m) дырок. Благодаря полю источника питания, создающего разность потенциалов U_КЭ, заряды перемещаются, образуя ток коллектора. Очевидно, что с увеличением тока базы увеличивается и ток коллектора.

При значениях |U_КЭ| < |U_БЭ| напряжение на КП прямое и ток коллектора изменяется резко – это нерабочий участок ВАХ.
Малосигнальные, дифференциальные h-параметры БПТ

Это параметры, связывающие переменные составляющие тока и напряжения, т.е. параметры по переменному току.

В целом, БПТ – нелинейный элемент, однако если рассмотреть ВАХ БПТ, в окрестности некоторой точки, то ВАХ на бесконечно малом участке можно считать линией и зависимость между приращениями (Δ) I и U будет линейной.

Δ можно рассмотреть как переменные составляющие тока и напряжения, т.е. приращения относительно их значений в исходной рабочей точке (ИРТ). A – рабочая точка с координатами (I_k0,U_k0).

В этом случае БПТ – линейный четырехполюсник. БПТ обладает реактивностью, благодаря чему параметры зависят от частоты, и для анализа используется U∙ sin I. Расчет ведется в комплексной форме.

В сравнительно большом диапазоне частот влияние реактивности БПТ практически нет, поэтому сопротивление носит активный характер. Точки (•) можно убрать.

- входное сопротивление переменному току при коротком замыкании на выходе по переменному току;

- коэффициент усиления (передачи) по переменному току при коротком замыкании на выходе по переменному току;

- коэффициент внутренней обратной связи при холостом ходе на входе по переменному току.

Экспериментально: на выход подают U_~, входную цепь по переменному току размыкают и измеряют U_вх.

- выходная проводимость в режиме холостого хода на входе по переменному току.

При выводе не оговаривалась схема включения БПТ. В зависимости от схемы включения h-параметры снабжаются индексами: h_ijЭ, h_ijБ, h_ijК.

Можно составить схему замещения БПТ в h-параметрах. Для любой схемы замещения структура будет одинаковой, но обозначения электродов, токов, напряжений и параметров h_ij будут соответствовать схеме включения.

Между h-параметрами для одного и того же БПТ, включенного в разных схемах, но при условии одинакового режима по постоянному току, существует взаимосвязь:

Определение h-параметров по статическим ВАХ

Все h-параметры определяются в исходной рабочей точке.

ИРТ задается режимом по переменному току и определяется U_КЭ и состоянием U_БЭ0 и I_Б0.

Динамический режим работы БПТ

Динамическая характеристика

Динамическим называется режим, при котором изменение входных электрических величин вызывает изменение всех остальных величин усилительного элемента (БПТ). Для реализации динамического режима необходимо в цепь выходного тока включить сопротивление R≠0, тогда при изменении U_вх и I_вх будет изменятся I_вых, U_вых.

Очевидно, чтобы была возможность варьировать изменения в цепь выходного электрода нужно включить источник питания постоянного тока, предназначенный для обеспечения I_вых0≠0.

Второй закон Кирхгофа для выходной цепи:

Транзистор – элемент явно нелинейный на всей плоскости.

; если I_Б=0, то БПТ неуправляем (это режим отсечки)

Для определения ИРТ используем свойство последовательного соединения. Достроим ВАХ для R_K в системе координат выходных ВАХ БПТ.

При U_КЭ0=Е_К получаем I′=0, а при U_КЭ0=0 получаем I″=E_K/R_K.

С другой стороны ВАХ R_K – это нагрузочная прямая транзистора. ИРТ лежит на отрезке CD.

Выберем I_Б=const, тогда ИРТ определяется как точка пересечения нагрузочной прямой с той характеристикой, которая соответствует I_Б.

Max(ИРТ) – C; min(ИРТ) – D.

На интервале [C,D] может изменяться рабочая точка, а нагрузочная прямая на нем называется динамической характеристикой. Начиная с некоторого значения I_Б рабочая точка остается в одном месте, а I_К перестает управлять. U_КЭн, соответствующее максимальному положению рабочей точки напряжением насыщения (соответственно – ток насыщения).

В нижней части динамической характеристики одинаковое приращение I_Б вызывает равное приращение I_К. Аналогично и вблизи верхней точки – С. Тогда на границах масштаб нелинейный.

Выбор ИРТ

Построим проходную динамическую характеристику I_К от I_Б. Выбор исходной рабочей точки должен удовлетворять 2 требованиям:

1. I_K0 должен быть выбран так (I_Б0 – тоже), чтобы при максимально возможном приращении I_Б относительно I_Б0, вызываемом сигналом, изменение I_К оставалось пропорциональным ему.

2. ИРТ не должна выбираться слишком высоко, чтобы снизить потребление от источника питания.

При заходе рабочей точки на нелинейные участки начинается искажение сигнала.

Если есть R_Э, то:

, где R_K+R_Э – нагрузка БПТ по постоянному току.

Очевидно, что теперь нагрузочная прямая по переменному току будет отличаться от нагрузочной прямой по постоянному (она будет наклонена более круто).

БПТ как усилительный элемент.

E_б создаёт I_б0, т.е. определяет ИРТ на входных характеристиках.

ЭДС e_u – источник сигнала I_~.

Для любого источника постоянного тока R_UEб→0.

I_б(t)=I_бо+I_б~.

Чтобы обеспечить независимость цепи базы и источника сигнала по постоянному току, ставится разделительный конденсатор C_Р1. Источник e_u должен управлять I_Б, т.е. если R=0, то I_Б~=0 – управления не будет. R≠0, чтобы часть I_U направить в базу. С точки зрения хорошей передачи энергии от источника W к базе, C_R1 должно быть выбрано так, чтобы X_CR1(ω_U)→0 – на нижней частоте в спектре усиления сигнала.

X_CR1(ω)<<R_вх~

Аналогичные требования и к C_R2 по постоянному току для разделения выходной цепи усилительного элемента и R_U.

Видно, что при опускании ИРТ преобразования становятся нелинейными.

I_ко=βI_бо, I_к~=h₂₁I_б~

ΔI_к~ ΔI_б – преобразование К-Б линейно.

I_к~ при протекании через R_к~ сознаёт на нем падении напряжений, которое по сути дела является U_н.

U_кэ=E_к-I_к0R_к

Подадим ΔU_кэ.

Вывод: ΔU на коллекторе противофазно ΔU на базе.

– переменная составляющая.

– практически это коэффициент усиления.

При вычислении k необходимо брать значения напряжений при среднем значении частоты – ω₀.

ω₀ или f₀ – это такая частота, при которой частотно-зависимый сдвиг фаз равен нулю, т.е. сопротивление цепи можно рассматривать только как активное).

→ C_R2 и C₀ можно принебречь.

Обычно можно пренебречь.

Динамические выходные характеристики БПТ по переменному току

Динамические характеристики переменного тока строятся по выходным характеристикам, поскольку I_~ и U_~ - это изменения относительно I₀ и U₀.

Построим нагрузочную прямую по постоянному току.

, т.е. сумма сопротивлений, включенных последовательно с электродами КЭ и источником питания.

ИРТ выбираем выше, чем середина линейного участка, т.к. .

Строим нагрузочную прямую по переменному току.

Следовательно, нагрузочная прямая по переменному току обязательно пройдет через исходную рабочую точку. Для построения прямой задают , откладывают относительно . Вычисляют и откладывают относительно .

Т.к.

Следовательно, эта нагрузочная прямая проходит через ИРТ и точку .

На интервале, ограниченном снизу I_Б=0, а сверху точкой пересечения с восходящим участком статической ВАХ, эта нагрузочная прямая является динамической ВАХ по переменному току.

Её линейный участок несколько меньше. При возрастании температуры увеличивается I_Б0 и ИРТ по постоянному току поднимается. В новой ИРТ увеличивается и переменный ток. ΔI становится меньше. Возможны искажения.

В каждый момент времени t положение рабочей точки находится на пересечении нагрузочной прямой по переменному току со статической ВАХ соответствующего I_Б.

Построим форму изменения I_К и U_КЭ при изменении I_Б, вызванном U_БЭ. Продолжим ВАХ БПТ с I_Б=I_Б0 и будет использовать как ось времени. Перпендикулярную ей ось можно использовать как ось I_Б. В силу параллельности статической ВАХ, продолжение проторируют в значениях I_Б. Изобразим изменение I_Б от времени.

В момент t₀=0 I_Б=I_Б0 – рабочая точка в ИРТ.

t₀=1 I_Б= I_Б-I_Б0 – рабочая точка в ВАХ по переменному току.

Рабочая точка движется по нагрузочной прямой переменного тока и не может подняться выше I_KMAX.

Возрастание амплитуды U_БЭ в дальнейшем приведет к искажениям формы. Низкий выбор ИРТ чреват искажениями при малых I_K, высокий – при больших I_K. Говорят: искажения снизу и сверху, понимая под этим осциллограмму U_КЭ. Тип искажений зависит от типа транзистора.

Для p-n-p транзистора: при повышении I_Б0 уменьшается отрицательное значение U_КЭ, т.е. оказывается отрицательным => искажения сверху. При понижении I_Б0 увеличивается отрицательное значение U_КЭ, т.е. оказывается положительным => искажения снизу.

Основные технические показатели электронных усилителей и их характеристики

Электрический сигнал – это изменение тока и напряжения в соответствии с передаваемой информацией, которая может быть закодирована в изменении одного или нескольких параметров тока или напряжения.

Усилитель – это устройство, усиливающее по мощности напряжение или ток, а с точки зрения принципа работы – это управляющий преобразователь электрических источников питания постоянного тока в ИП усиленного сигнала. Для управления используется небольшая частота источника сигнала.

Закон изменения U_вых и I_вых усилителя в идеале должен повторять закон изменения ЭДС источника сигнала e_и(t). Основной элемент усилителя – усилительный элемент (БПТ, ТГ, электронная лампа и т.д.).

Усилитель – линейный преобразователь. Кроме усилительного элемента в усилителе (У) имеются цепи для передачи энергии от источника сигнала по входному электроду усилительного элемента, от выходного электрода к нагрузке, а так же цепи питания электрода постоянного тока.

Таким образом, усилитель формально можно рассматривать как линейный 4х-полюсник, если усилительный элемент используется в пределах линейного участка динамической характеристики.

Для такого источника сигнала усилитель – это входное сопротивление Z_вх. С точки зрения нагрузки, усилитель – эквивалентный источник. U_вых пропорционально U_вх, а значит и e_и(t). Относительно e_и усилитель характеризуется I_вх. Относительно нагрузки – рассматривается как эквивалентный генератор и характеризуется I_вых и e_вых.

- коэффициент усиления по напряжению;

- сквозной коэффициент усиления.

< , т.к. часть напряжения падает на внутреннем сопротивлении источника.

в общем случае комплексный, т.к. в усилителе всегда имеются реактивности. Для разных частот, разный коэффициент: .

- модуль коэффициента усиления на данной частоте. С другой стороны – это функция зависимости модуля от частоты.

- сдвиг фаз (частотнозависимый) между входным и выходным напряжением, т.е. сдвиг фаз, вносимый усилителем.

Зависимость называется АЧХ.

Зависимость называется ФЧХ.

Основным технологическим показателем усилителя является коэффициент усиления по средней частоте (это частота , на которой ).

K_i0 – коэффициент усиления по току, K_p0 – коэффициент усиления по мощности. - мощность, отдаваемая источником (не самого источника!!!). Каждый из этих коэффициентов может быть сквозным.

Иногда K отсчитывают в дБ.

Разные усилители имеют разный вид АЧХ.

1) По переменному току

2) По постоянному току.

На частотах, при которых K→0, сигнал не усиливается. Для удобства изображения АЧХ часто используют логарифмический масштаб по оси f.

АЧХ изображают в абсолютных значениях K, но они неудобны для сравнения усилительных свойств различных усилителей по частотному диапазону, но в относительных единицах они удобны. В этом случае берут на K, а относительный коэффициент усиления - это тот же К, но нормированный коэффициентом усиления на средней частоте .

- модуль относительного коэффициента усиления.

Очевидно, Y можно представить как:

Очевидно, что если , то .

Для снятия АЧХ: изменяем частоту генератора – f => e(f)=const.

f_сн – нижняя, а f_св – верхняя частоты в спектре сигнала.

Для усиления показательного сигнала годится второй усилитель, т.к. закон изменения e_u(t) остаётся прежним, т.е. не будет частотных искажений.

Усилители строят под усиление определенного сигнала.

Полоса частот, в пределах которой модуль коэффициента усиления изменяется не более заданной величины, устанавливаемой из практических потребностей, называется полосой пропускания усилителя.

Граничные частоты полосы пропускания называются нижней и верхней частотой полосы пропускания. Если не указывается допустимое изменение K, то допускается, что K=0,707K₀, что соответствует уровню 3 дБ.

Анализ работы усилителя проводят с помощью гармонического сигнала, а свойства усилителя определяют по его частотным характеристикам.

Если в пределах полосы частот источника сигнала усилитель имеет разный коэффициент усиления, то это приводит к частотным искажениям сигнала. Частотные искажения сигнала – это искажения закона изменения выходного тока от напряжения по сравнению с законом изменения ЭДС источника сигнала от времени. Они возникают благодаря наличию реактивности в усилителе (разделительных емкостей, трансформаторов, индуктивностей, паразитных C и L). Наличие разделительных емкостей является причиной частотных искажений на низких частотах. Частотные искажения – линейные, т.к. возникают в линейной цепи.

Ниже приведена схема замещения для нашего случая, высокочастотная составляющая подавляется.

Для низкочастотных спектральных составляющих пренебрегают С₀, т.к. оно подключено параллельно сопротивлению R, и на низких частотах X_C0(ω_н)>>R.

Для высокочастотных спектральных составляющих пренебрегают С_p, т.к. оно подключено последовательно с сопротивлением R, и на высоких частотах X_Cp(ω_в)<<R.

Очевидно, за счет C_p создается опережение выходного напряжение относительно входящего по фазе. Действительно, U_R создается током I_CR.

I_CR опережает U_CR на 90˚, U_CR является частью напряжения на полюсах => ток опережает напряжение.

За счет C₀ создается отставание по фазе выходного напряжения относительно входного. U_R=U_C0, U_C0 отстаёт от тока источника, поэтому U_C0 отстаёт от напряжения на какой-то угол.

На разных частотах влияние на сдвиг фаз C₀ и C_p различно по значению.

Одно из них вызывает запаздывание, а второе – опережение. На какой-то конкретной частоте мы получим результат, который определит, чьё влияние больше. На ω₀ эти влияния компенсируются.

Механизм изменения соотношения между амплитудами спектральных составляющих в спектре выходного сигнала по сравнению с их амплитудами в спектре e_u выглядит следующим образом. Чем больше неравномерность K в пределах спектра сигнала, тем больше частотные искажения. М – коэффициент частотных искажений.

Фазовые искажения.

Фазовые искажения – искажения усиливаемого сигнала, как функции времени, возникающие из-за различных фазовых сдвигов, для каждой из спектральных составляющих, что отражается в отличии фазовой характеристики от прямой линии. Фазовые искажения также линейные.

При прохождении сигнала через усилитель возможны нелинейные искажения, связанные с наличием в схеме усилителя нелинейных элементов (БПТ, ПТ, диоды, электронные лампы). Динамическая характеристика усилительного элемента линейна с определенной степенью точности, поэтому можно рассматривать усилитель как линейный преобразователь, да и то в пределах ограниченных значений входного сигнала. Из-за нелинейности характеристики входной сигнал с достаточно большим значением амплитуды будет приводить к нелинейным искажениям, т.е. преобразование будет нелинейным.

Пример: гармонический сигнал с достаточно большой амплитудой, спектр у него монохроматический, преобразование – нелинейное, выходной сигнал – не гармонический и в спектре уже несколько спектральных составляющих.

В результате нелинейного преобразования происходит обогащение спектра. Нелинейные искажения оцениваются коэффициентом гармоник.

- коэффициент гармоник.

Номинальная выходная мощность – мощность выходного сигнала, обеспечиваемая усилителем при заданном коэффициенте нелинейного искажения.

Усилитель характеризуется амплитудной характеристикой – зависимость модуля выходного напряжения от модуля входного на средней частоте для синусоидального сигнала. Она не учитывает параметры источника сигнала. Однако может быть сквозная амплитудная характеристика, которая зависит от e_u. Обе измеряются для номинального R_н.

Подавать U_вх<U_вхmin=U_вхшума нецелесообразно, т.к. сигнал будет маскироваться шумами.

Существует оценка усилителя – динамический диапазон.

Динамический диапазон усилителя должен быть больше динамического диапазона сигнала.

U_{вхномин.} – входное напряжение, при котором на выходе усилителя, при номинальном R_н, выделяется номинальная мощность усиляемого сигнала.

Дата добавления: 2015-05-06