Расчет усилителей на постоянном токе

Электронный усилитель – устройство, предназначенное для усиления напряжения, тока и/или мощности электрических сигналов. Схематично структуру усилителя можно представить (Рис. 1.8) состоящей из: маломощного источника входного сигнала Р₁, источника мощности Р₀, усилительного элемента У и нагрузки Р₂.

Усилитель реализует под управлением источника входного сигнала передачу энергии от источника мощности к нагрузке. Ключевым элементом, регулирующим эту передачу, является транзистор: биполярный или полевой.

Использование в усилителе биполярного транзистора предполагает включение его по одной из трех возможных схем: с общим эмиттером (ОЭ), с общей базой (ОБ) или общим коллектором (ОК). На рис. 1.9 показана схема наиболее распространенного усилителя на базе биполярного транзистора – с ОЭ, т.е. эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей. Входное напряжение u_вх от источника усиливаемого сигнала е_с подается на усилительный каскад через разделительный конденсатор С₁.

Работу усилителя с ОЭ можно проиллюстрировать с помощью вольт-амперных характеристик (ВАХ) транзистора (Рис. 1.10): входной характеристики I_б = f(U_бэ) и семейства выходных I_к = f(U_кэ) при разных токах базы.

Для коллекторной цепи усилителя на постоянном токе (Рис. 1.9) можно записать: U_кэ =Е_к - R_кI_к. Графическим решением этого уравнения является прямая, представленная на семействе выходных ВАХ и называемая линией нагрузки по постоянному току. Её можно построить по двум точкам: соответствующей режиму холостого хода (координаты точки I_к=0 и U_к=Е_к) и короткого замыкания (координаты точки I_к=Е_к/R_к и U_к=0). Точки пересечения линии нагрузки с выходными характеристиками транзистора определяют ток I_к и напряжение на транзисторе U_кэ при любом заданном значении тока базы I_б. Конкретное значение данных параметров (координат) задает текущее положение рабочей точки как на выходе, так и на входе усилителя.

Анализ уравнения, описывающего линию нагрузки, показывает, что наклон данной линии определяется величиной R_к. В реальных усилителях это значение колеблется в пределах от нескольких Омов до нескольких килоОмов.

В усилителе действуют, по крайней мере, два электрических источника: источник постоянной э.д.с. Е_к и источник усиливаемого переменного напряжения е_с. Первый из них обеспечивает требуемый режим покоя (режим работы по постоянному току), который на рис. 1.10 определяется точкой О (рабочая точка в режиме покоя), т.е. создает постоянные составляющие тока и напряжения на входе и выходе усилителя: I_0б и U_0бэ, I_0к и U_0кэ. Для усиления входных сигналов с минимальными линейными искажениями начальное положение рабочей точки целесообразно выбирать на середине линии нагрузки, т.е. с координатами

U_0кэ» Е_к/2; I_0к » (Е_к/2)/R_к. (1.8)

При этом

I_0б» I_0к/h_21э, (1.9)

а U_0бэ» 0.3 В для германиевых и U_0бэ» 0.7 В для кремниевых транзисторов.

Конденсатор С₁ включен на входе усилителя для того, чтобы:

· не пропускать постоянную составляющую усиливаемого сигнала на вход усилителя;

· не создавать постоянной составляющей тока в источнике усиливаемого сигнала е_с за счет действия источника питания Е_к.

Разделительный конденсатор С₂, в свою очередь, задерживает постоянную составляющую коллекторного напряжения и пропускает в нагрузку усилителя только переменную составляющую напряжения u _к, являющуюся выходным напряжением усилителя.

Задание постоянных составляющих токов и напряжений на входе и выходе усилителя реализуется двумя основными способами:

· фиксированным напряжением база-эмиттер (Рис. 1.11);

· фиксированным током базы (Рис. 1.12).

На рис. 1.11 приведен пример использования первого способа. Схема включает на входе резисторный делитель, при этом

U_R2= U_0бэ=I_дR₂. (1.10)

Оба последних параметра заранее не фиксированы, т.е. могут выбираться произвольно. Обычно задаются значением I_д, соблюдая соотношение

I_д/I_0б ³ 10. (1.11)

Тогда R₂ = U_0бэ/I_д. Учитывая, что U_R1= Е_к - U_0бэ= (I_д + I_0б)R₁, находится требуемое значение сопротивления R₁ = (Е_к - U_0бэ)/(I_д + I_0б).

Для схемы на рис. 1.12 можно записать U_Rб=Е_к-U_0бэ=I_0бR_б.

Тогда R_б =(Е_к - U_0бэ)/I_0б. Так как обычно Е_к >> U_0бэ, то в инженерных расчетах можно использовать приближенную формулу вида R_б» Е_к/I_0б.

При изменении температуры окружающей среды входная ВАХ транзистора смещается по горизонтали, а выходная – по вертикали, что приводит к смещению начального положения рабочих точек как на входе, так и на выходе усилителя. При большой амплитуде выходного сигнала указанное явление может привести к заходу рабочей точки при движении по линии нагрузки в область насыщения или отсечки, что обуславливает искажение формы выходного сигнала в виде зарезания вершин выходной синусоиды.

Для борьбы с данным явлением используются два основных метода:

1) термокомпенсация – на основе нелинейных элементов, параметры которых определенным образом зависят от температуры;

2) термостабилизация, базирующаяся на механизме отрицательной обратной связи (ООС).

На практике обычно используется второй метод, предполагающий включение в состав усилителя резистора R_э (Рис. 1.13) для создания ООС. Ёе механизм иллюстрируется следующей логической цепочкой: предположим, что температура окружающей среды выросла, тогда:

­Т ® ­I_0к ® I_0э (так как I_0к = aI_0э + I_0кэ) ® ­U_Rэ = I_0эR_э ® ¯U_0бэ = U_R2 – U_Rэ ® ¯I_0б ® ¯D I_0к.

При этом предполагается, что напряжение U_R2 остается практически постоянным, так как I_д >> I_0б.

ООС не позволяет полностью устранить влияние температуры на начальное положение рабочей точки, но уменьшает его. Количественная оценка такого уменьшения производится с помощью коэффициента нестабильности коллекторного тока S:

S = DI_0к/DI_к,

где DI_к – приращение тока I_к в схеме с идеальной термостабилизацией (с минимальным изменением тока I_к).

Значение S для конкретной схемы рассчитывается по формуле

, (1.12)

где R_б=R₁∥R₂.

Анализ выражения (1.12) показывает, что:

(R_б ® 0) Þ (S ® 1); (R_э ® 0) Þ (S ® b);

(R_б ® ¥) Þ (S ® b); (R_э ® ¥) Þ (S ® 1),

т.е. уменьшение R_б ведет к улучшению термостабилизации, а увеличение – к ухудшению. Обратный эффект оказывает на термостабилизацию величина резистора R_э. Однако увеличение данного сопротивления ведет к увеличению номинала Е_к при заданных R_к и U_0кэ. Поэтому величина резистора R_э обычно ограничивается значением 200¸300 Ом. Введение в схему R_э предполагает, что наклон линии нагрузки (Рис. 1.10) уже определяется суммарным значением R_к+R_э (при инженерных расчетах предполагается, что I_0к » I_0э)_, а U_R2=U_0бэ+U_Rэ.

Дата добавления: 2015-07-02