Транзисторные усилители

Процесс усиления заключается в том, что маломощный сигнал управляет потоком энергии от более мощного источника к нагрузке (потребителю).

<<

Усилитель – это устройство, увеличивающее мощность сигнала используются для компенсации потерь при передаче информационных сигналов на большие расстояния, для обеспечения работы различных исполнительных устройств и т.д.

― По усиливаемой величине различают усилители U, I, P

― По диапазону частот УПТ, УНЧ, СВЧ

― По используемым активным элементам транзисторные, ламповые и т.д.

Основные показатели усилителей:

― коэффициент усиления , , ;

― входное Z_вх, выходное Z_вых сопротивление;

― коэффициент нелинейных искажений, коэффициент частотных искажений;

― К.П.Д. и др.

При всем многообразии схемотехники транзисторных усилителей существуют три основных: ОЭ, ОК, ОБ.

Рассмотрим схему с ОЭ. Через дроссель с большой индуктивностью на базу транзистора подается напряжение смещения Е _бэ ≈ 0,5-0,8 В. Оно предназначено, чтобы открыть эмитторный переход (сместить переход в прямом направлении) и обеспечить постоянный ток коллектора в активном режиме транзистора. Вместе с Е _н , ток коллектора I _к, и напряжение смещения Е _бэ определяют режим по постоянному току. Этот режим ― обязательное условие линейного режима усилителя, т.к. в противном случае, без начального смещения, рабочая точка P будет находится в области почти нулевых начальных базовых токов, что не может обеспечить соответствие входных и выходных сигналов. (Выходной сигнал станет однополярным, импульсным.) Кроме вышеописанного способа задания тока покоя, существуют и другие, например: способ постоянным током базы через резистор или постоянным напряжением базы с помощью делителя в цепи базы. Это делается из экономических соображений, т.к. стоимость Др. существенно выше резистора.

Схема с ОБ отличается тем, что через Др. на эмиттер транзистора подается отрицательное напряжение, т.к. только при такой полярности транзистор будет приоткрыт и через него начнет протекать постоянный ток покоя, позволяющий осуществлять усиление малых сигналов.

Схема с ОК отличается от ранее рассматриваемых тем, что нагрузка Z _н включена в цепь эмиттера.

Сх. ОЭ ― усиление по току и напряжению (К _р― max)

R _вх ~ кОм, R _вых ~ Ом ÷ кОм

Сх. ОБ ― усиление по напряжению, К _I < 1, стабильность, R _вх ~ Омы, R _вых ~ кОм, K _гарм меньше, чем ОЭ, ОК

Сх. ОК (эмит. повторитель), наибольшее R _вх (сотни кОм), R _вых десятые доли Ома,

K _U < 1,

K _I ― большой

На практике наибольшее распространение имеет линейный каскад с ОЭ. Рассмотрим его более подробно.

В эквивалентной схеме содержится идеальные элементы: резисторы, комплексные сопротивления и источник тока I _к =SU _вх, здесь

― крутизна транзистора, I_к протекает по r _кэ, _k и _н, суммарная проводимость нагрузки равна , а суммарное сопротивление . С учетом инвертирующих свойств каскада с ОЭ можно записать

_вых= – I_{k нс} или _вых= – SU _вх ,

тогда _u= = – S _нс

Откуда следует, что усиление каскада увеличивается с увеличением S, _k, _нс, на практике выбирают > > в этом случае можно использовать упрощенное выражение

Сх. ОЭ

аналогично величины можно получить для сх. ОБ, ОК

	ОЭ	ОБ	ОК
Zвых

Усилители на полевых транзисторах строятся с использованием трех основных схем (ОИ, ОЭ, ОС). Свойства этих усилителей аналогичны выше рассмотренным, на биполярных транзисторах.

Более подробно расчет каскада с ОЭ рассмотрен в лабораторной работе.

Обратные связи в усилителях. Под обратной связью в усилителях будем понимать передачу части выходного сигнала обратно на вход усилителя.

Внутренняя ОС обусловлена, как правило, паразитными влияниями в устройстве. Это может б сопротивление потерь и утечек, различные поля рассеивания. Такая ОС образуется при изготовлении устройства и её невозможно полностью исключить. Может привести к самовозбуждению устройства.

Внешняя ОС создается специально внешними 4-х полюсниками. Её параметрами можно варьировать. В зависимости от способа подсоединения 4-х полюсника ОС различают;

последовательно

по напряжению

параллельно

по напряжению

параллельно

по току

последовательно

по току

На практике чаще используют последовательную по напряжению ОС. В этом случае выходное напряжение U _c поступает на вход 4-х полюсника ОС, а напряжение с его выхода вводится последовательно входным напряжением. Рассмотрим этот вид ОС более подробно. Пусть К – коэф. передачи усилителя, а - четырехполюсника ОС. Тогда

_вых = К _вх, _ос = _вых, _ус = _вх + _ос = _вх + _вых или _вых = ( _вх + _вых), поделив на _вх, получим =

Различают отрицательную и положительную ОС. Примером усилителя со стопроцентной ООС является каскад с ОК (эмитторный повторитель). Для него =1, K ≈ - SR_э тогда K _ок= .

Известно, что с ростом температуры I _к и I _э существенно изменяются (~ 0,2 мA/ ). Если учесть, что температура внутри корпуса может изменятся от +10 до +60 , то ток I_к может достигать значений более 0,2 ≈ 10 мA. Это может полностью закрыть транзистор или вывести его в область насыщения, т.е. температурная нестабильность полупроводниковых приборов – существенная проблема. Для уменьшения её используют ООС с помощью R _э, а для уменьшения влияния ООС на коэффициент усиления по ~ току R _э блокируют конденсатором. Если блокировать только часть R _э, то не блокированную часть R _э можно использовать для установки.

Операционный усилитель (ОУ) – это усилитель, имеющий большой коэффициент усиления K _u, два входа (инвертирующий и неинвертирующий) и, как правило, один выход. Для идеального усилителя K _u ,

R _вх , R _вых полоса усиливаемых частот от 0 (постоянный ток) до . Технически удовлетворить все эти требования невозможно. Современные ОУ имеют K _u ≈ 10⁷, R _вх ≈ 10⁷Ом, R _вых ≈ 10² ÷ 10³, верхняя частота усиления порядка МГц.

Напряжение на выходе ОУ рассчитывается по формуле U _вых = K ₀(U ₊ - U _-), где U ₊ – напряжение на неинвертирующем входе, а U _- – напряжение на инвертирующем входе.

Схемотехника ОУ обуславливается его высокими параметрами. Кроме рассматриваемых ранее схем усиления (ОК, ОЭ, ОБ) в схемах ОУ используются несколько специальных схем.

Наиболее простая схема это источник тока. Напряжение с делителя R, VD открывает эмитерный переход. Из выходных ВАХ транзистора известно, что ток коллектора i зависит от подключаемой нагрузки (ВАХ почти горизонтальна), т.е. эта схема близка к идеальному источнику тока с R _вых= ; т.к. часть делителя образована VD, свойства которого близки к свойствам перехода «база – эмиттер» транзистора VT, то температурные воздействия на диод и транзистор взаимно компенсируются.

Схема токового зеркала предназначена для передачи тока из одной части схемы в другую. Транзистор VT ₁ используется в диодном включении. Его коллекторный ток i ₁ определяется напряжением на базе. Так как транзисторы VT ₁ и VT ₂ идентичны и на базах одно и тоже, то входной ток i ₁ равен выходному i ₂. Для нормальной работы схемы необходимо на коллекторы VT ₁ и VT ₂ подавать положительное напряжение.

Для получения большого коэффициента усиления в ОУ используют составные транзисторы. Если коэффициенты передачи тока базы транзисторов и соответственно, то результирующий коэффициент будет равен . Например, если и , то следовательно, составной транзистор позволяет получить большой и соответственно больший коэффициент усиления по мощности, что в свою очередь, требует меньшей мощности сигнала управления.

Важнейшей составляющей частью операционного усилителя является дифференциальный усилитель (ДУ), простейшая схема которого представлена на рисунке. Усилитель собран на двух идентичных транзисторах, имеющих сопротивление нагрузки R ₁ и R ₂, с помощью R _э задаются начальные токи i _э и i _к . Если входные токи i _Б1 и i _Б2 равны или отсутствуют, то токи коллекторов будут равны и выходное напряжение, равное разности потенциалов на коллекторах будет равно 0. Следовательно, синфазные сигналы в ДУ не усиливаются. Этим же объясняется и высокая температурная стабильность ДУ.

Если на вход подать дифференциальный сигнал, то один из транзисторов будет приоткрываться, а другой подзакрываться. Токи коллекторов изменятся на величину , где S – крутизна транзисторов (S= ), U _D дифференциальное напряжение. Между коллекторами возникает разность потенциалов , если R ₁ = R ₂, то получим U _вых = SR₁U_D, т.е. коэффициент усиления дифференциального сигнала равен K _D = SR ₁.

Для увеличения коэффициента усиления вместо R ₁ и R ₂ в ДУ используют токовое зеркало, а в цепь эмиттеров вместо R _э включают источник тока.

Упрощенную схему современного операционного усилителя можно представить в виде:

ОУ содержит ДУ, выполненной на T1, T2. Эмиттерные токи ДУ задает источник тока I _э. Нагрузка ДУ выполнено на T3, T4 (токовое зеркало). Транзисторы T5, T6 образуют составной транзистор. Благодаря токовому зеркалу переменный входной ток составного транзистора равен сумме переменных токов коллекторов транзисторов ДУ.

Нагрузкой составного транзистора T5, T6 является источник тока на T7. Транзисторы T8, T9 включены по схеме с ОК (эмитторный повторитель).

В рассматриваемом ОУ К ₁ > 200, K ₂ > 200, K _э ≈ 1, т.е. общий коэффициент усиления К ₀ = К ₁, К ₂ К _э > 40000.

Пусть U _вх2 > 0, T2 подзакрывается, его ток коллектора уменьшается следовательно уменьшается ток базы T5, T6. Напряжение на коллекторе T5, T6 увеличивается и это увеличение передается с помощью эмиттерных повторителей на выход ОУ. Т.е. вход 2 является неинвертирующим.

Пусть U _вх1 > 0, Т1 подзакрываются, его ток коллектора уменьшится и через токовое зеркало уменьшит ток Т4. Т.к. большая часть тока коллектора Т2 будет поступать на вход Т5, Т6 – ток базы увеличится и напряжения на коллекторе Т5, Т6 уменьшится. Напряжение на выходе ОУ уменьшится. Т.е. вход 1 является инвертирующим.

Это позволяет на основе ОУ строить инвертирующие и не инвертирующие усилители.

Резисторы R1 и R_ос образуют цепь последовательной отрицательной ОС по напряжению следовательно , т.к. = , то , т.к. >>1

получим .

Если источник сигнала имеет внутреннее сопротивление R_вн ≈ 0, то коэффициент передачи цепи ОС в этой схеме будет такой же как в схеме не инвертирующего усилителя, однако здесь сигнал подается на инвертирующий вход и ослабляется в раз. Следовательно, для инвертирующего усилителя

Часть 2

Поиск по сайту: