Главная
Коллекция "Otherreferats"
Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Основы аналоговой схемотехники
Основы аналоговой схемотехники
Общие сведения об аналоговых электронных устройствах. Основные технические параметры и характеристики автоматических электронных устройств. Методы обеспечения режима работы биполярных и полевых транзисторов в каскадах усиления, многокаскадные усилители.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | курс лекций |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 15.10.2010 |
| Размер файла | 5,6 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
99
Основы аналоговой схемотехники
Содержание
- Введение: общие сведения об аналоговых электронных устройствах
- Тема 1. Основные технические параметры и характеристики АЭУ
- 1.1 Входное и выходное сопротивление. Коэффициенты усиления
- 1.2 Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и фазочастотная характеристика (ФЧХ)
- 1.3 Переходная, динамическая, амплитудная характеристики. Динамический диапазон
- 1.4 Нелинейные искажения (НИ)
- 1.5 Коэффициент полезного действия
- 1.6 Собственные помехи
- Тема 2. Методы обеспечения режима работы биполярных и полевых транзисторов в каскадах усиления
- 2.1 Схема с фиксированным током базы
- 2.2 Схема с фиксированным напряжением база - эмиттер
- 2.3 Схемы с температурной стабилизацией
- 2.4 Стабильность рабочей точки
- 2.5 Способы задания режима покоя в усилительных каскадах на полевых транзисторах
- 2.6 Обратные связи в усилителях
- 2.6.1 Последовательная обратная связь по напряжению
- 2.6.2 Последовательная обратная связь по току
- 2.7 Режимы работы усилительных каскадов.
- 2.8 Работа активных элементов с нагрузкой
- 2.9 Усилительный каскад с общим эмиттером
- 2.10 Усилительный каскад по схеме с общей базой
- 2.11 Усилительный каскад с общим коллектором (эмиттерный повторитель)
- Тема 3. Многокаскадные усилители
- 3.1 Особенности построения многокаскадных усилительных трактов
- 3.2 Способы межкаскадных связей
- 3.2.1 Усилители с непосредственными межкаскадными связями
- 3.2.2 Усилители с гальваническими межкаскадными связями
- 3.2.3 Каскады и цепи с емкостной связью
- 3.2.4 Трансформаторная межкаскадная связь
- 3.2.5 Оптроны как элементы межкаскадных связей и гальванических развязок
- 3.3 Составные транзисторы. каскоднля схема
- Тема 4. Основные особенности аналоговой микросхемотехники
- 4.1 Генераторы стабильного тока (ГСТ), генераторы малого стабильного напряжения (ГМСН) и схемы сдвига уровня
- 4.2 Каскад на двух транзисторах с эмиттерной связью
- 4.3 Работа каскада в качестве фазоинверсного
- 4.4 Работа каскада в качестве дифференциального
- 4.5 Токовое зеркало (ТЗ). Типовые схемы ТЗ
- 4.6 Типовые схемы ТЗ
- 4.7 Усложнённые входные дифференциальные каскады (ДК)
- 4.8 Входные каскады на транзисторах супербэта
- 4.9 УНЧ на интегральных микросхемах
- 4.10 Широкополосные интегральные усилители (ШИУ)
- 4.11 Оконечные каскады интегральных усилителей
Введение: общие сведения об аналоговых электронных устройствах
Аналоговые электронные устройства (АЭУ) - это устройства усиления и обработки аналоговых электронных сигналов, выполненные на электронных приборах.
К аналоговым относятся сигналы, которые изменяются по тому же закону, что и отражаемые (описываемые) ими физические процессы. Аналоговые сигналы заданы (известны, могут быть измерены) во все моменты времени. В отличие от аналогового у дискретного сигнала его значения известны не во все моменты времени, а только в некоторые определённые моменты времени. Но по форме (а не по содержанию) любой дискретный сигнал является аналоговым. Частным видом дискретного сигнала является цифровой. Соответственно все электронные устройства можно разделить на две группы - аналоговые и цифровые.
Преимущества аналоговых устройств: сравнительная простота, надёжность и быстродействие. Обеспечили им широкое применение, несмотря на менее высокую точность обработки сигналов.
Построение аналоговых устройств на основе активных электронных приборов позволяет усиливать сигналы.
Усилителем электрических колебаний называется такое устройство, которое за счёт энергии источника питания формирует новое колебание, являющееся по форме более или менее точной копией заданного усиливаемого колебания, но превосходит его по напряжению, току или мощности.
Рис.1 Обобщённая структурная схема электронного усилителя
Ко входу усилителя подключён источник входного сигнала с действующем значением ЭДС еи и внутренним сопротивлением Rи. Источник: микрофон, фотоэлемент, термопара, антенна и др. Маломощный входной сигнал управляет расходом энергии источника питания значительно большего уровня мощности. В выходной цепи действует усиленный сигнал КUвх с выходным сопротивлением Rвых. В качестве нагрузки могут быть, например, резистор, колебательный контур, обмотка трансформатора, электронно-лучевая трубка и т.д. Разделяют нагрузки по переменному и постоянному току. Для их разделения применяют конденсаторы и трансформаторы.
На основе электронных усилителей строятся почти все другие аналоговые электронные устройства. Обычно посредством добавления тех или иных цепей обратной связи ОС.
Принцип электронного усиления.
Минимальная часть усилителя, сохраняющая его функции, называется усилительным каскадом. Обычно он содержит один усилительный элемент, например транзистор (реже - два), и относящиеся к нему пассивные компоненты, обеспечивающие его работу.
Рис.2
Во входной цепи последовательно с источником переменного усиливаемого напряжения Uвх включён источник постоянного напряжения смещения Uсм. Переменная составляющая Iкm, протекая через Rк, выполняющий функции коллекторной нагрузки, создаёт на нём Uвых. Оно снимается с коллектора и подаётся далее на сопротивление нагрузки Rн.
Работа каскада. В исходном состоянии или режиме покоя
Uвх=0
При этом:
UБ=UСМ, IК=IК0, UК=UК0=EН-IК0RК
Пусть на вход подаётся переменное напряжение:
Uвх=Uмвхsinщt
В результате Iк измениться около значения в исходной рабочей точке также по закону sin:
В первый n/период Uк уменьшается из-за увеличения iк и падения напряжения на Rк. Здесь Rк играет роль преобразователя тока I в напряжение U. При большом усиление по напряжениюосуществляется управление IК, что можно рассматривать как результат изменения сопротивления R транзистора. Управление же сопротивления R транзистора осуществляется Uвх.
При анализе ЭУ необходимо учитывать соотношение между Rн и Rвых
(более чем на 2 порядка)
(более чем на 2 порядка)
Тогда для эквивалентной схемы усилителя:
Входная цепь практически не потребляет тока, т.е. работает в режиме холостого хода по входу это источника напряжения управляемый напряжением.
Рис.3 Схема источника напряжения управляемый напряжением
Рис.4 Схема источника тока управляемого напряжением
Рис.5 Схема источника тока управляемого током
Рис.6 Схема источника напряжения управляемый током
Усилитель тока характеризуется тем:
Считается, что ЭУ управляется током и значением входного тока
Источник сигнала работает в режиме короткого замыкания и ЭУ является источником тока управляемый током (ИТУТ). Схема 4 - источник тока - во входной цепи; источник напряжения - в выходной это источник напряжения, управляемый током (ИНУТ).
;
Классификация АЭУ
I. По параметру усиливаемого сигнала:
усилители напряжения,
усилители тока,
усилители мощности.
1. Усилитель напряжения - работает при условии , что обеспечивает большие изменения напряжения на нагрузке при небольших изменениях токов во входной и выходной цепи.
2. Усилитель тока: , при которых обеспечивается прохождение заданного тока в выходной цепи при малых значениях напряжения.
3. Усилитель мощности - необходимо согласовать входные цепи с источником входного сигнала и выходные цепи с нагрузкой:
II. По форме усиливаемых колебаний:
усилители непрерывных сигналов (усилители квазигармонических сигналов), которые изменяются во времени медленно, переходные процессы почти не проявляются. Свойства усилителей оценивают по качеству передачи гармонических колебаний.
усилители импульсных сигналов (усилители радиолокационных, ТВ и других сигналов). Здесь проявляются переходные процессы. Поэтому свойства этих усилителей оцениваются по форме переходной характеристики.
III. По диапазону частот:
усилители постоянного тока (усиливают постоянную и переменную составляющую входного сигнала)
усилители переменного тока (усиливают переменную составляющую):
усилители звуковой частоты: 20Гц…20кГц
усилители радиочастоты , а диапазон частот превышает УЗЧ. Полоса их пропускания формируется с помощью колебательных контуров (резонансные усилители). В отличие от них все остальные - апериодические усилители.
широкополосные усилители: (видеоусилители)
IV. По типу усилительных элементов
транзисторные
ламповые
диэлектрические
магнитные
ИМС
V. По области применения
микрофонные
трансляционные
измерительные
телевизионные
магнитофонные
радиолокационные и т.д.
Устройства на основе усилителей - в основном преобразователи электрических сигналов и сопротивлений. Это устройства суммирования, вычитания, дифференцирования, интегрирования, логарифмирования, антилогарифмирования, фильтрации, детектирования, перемножения, деления, сравнения и др.
Преобразователи сопротивлений выполняют на основе применения принципа ОС в ЭУ. Они могут преобразовывать величину, знак и характер сопротивления.
Тема 1. Основные технические параметры и характеристики АЭУ
1.1 Входное и выходное сопротивление. Коэффициенты усиления
Входное сопротивление - внутреннее сопротивление между его входными зажимами. М. б. представлено в виде параллельного соединения активного сопротивления и ёмкости . Обычно желательно большое и малое.
Выходное сопротивление - внутренние сопротивление между его выходными зажимами. В области средних частот можно считать активным.
Поведение любого устройства, системы описывается моделью - схемными функциями. Они могут быть спектральными, временными, заданными в операторной форме (функции Фурье или Лапласа) и т.д.
Наиболее распространённой является схемная функция коэффициент передачи (передаточная характеристика) - отношение комплексных амплитуд выходных и входных сигналов. Иногда под передаточной характеристикой понимают зависимость выходного напряжения от входного, измеренную на постоянном токе:
где: - АЧХ (это зависимость модуля функции от частоты входного сигнала)
- ФЧХ
Модуль схемной функции носит название коэффициента передачи или коэффициента усиления (это отношение выходного сигнала ко входному). Существуют:
Используется реже, так как для измерения токов необходимо разорвать цепь
Коэффициенты также выражают в .
Вследствие физиологических особенностей органов слуха субъективное восприятие изменения громкости ближе всего соответствует логарифму отношений интенсивности звука, или мощности. Если мощность звуковых колебаний изменяется от P1 до P2, то громкость возрастает на величину, пропорциональную - выражается в Белах [Б]. Эта единица оказалась слишком большой, поэтому ввели в 10 раз меньшую единицу - :
так как мощность пропорциональна: .
Логарифм единицы удобны тем, что если известны К отдельных каскадов усилителя, то он находится как алгебраическая сумма логарифмических коэффициентов усиления отдельных каскадов:
К=К1К2
1.2 Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и фазочастотная характеристика (ФЧХ)
Рис.1.1 Амплитудно-частотная характеристика
Для АЧХ является типичным наличием область средних частот , где К почти не зависит от . Также на АЧХ по вертикальной оси используют относительный масштаб, откладывая относительное усиление
Такая АЧХ или - называется нормированная.
Частоты, на которых относительное усиление у уменьшается до условного отсчёта d (стандартным уровнем считается d= =0,707), называются граничными частотами. Диапазон частот называется полосой пропускания (ПП) усилителя.
Вследствие спада усиления на краях полосы пропускания не все спектральные составляющие сложного колебания усиливаются в одинаковое число раз. Это приводит к искажениям его формы, которые называются амплитудно-частотными или частотными искажениями. Их оценивают коэффициентом частотных искажений
Его обычно определяют на граничной частоте
(например, для УЗЧ (1,41 раза), для измерительных приборов ). Зависимость от частоты фазового сдвига, вносимого усилителем, называют ФЧХ (или фазовой характеристикой). Появление фазового сдвига между и в идеальном усилителе объясняется задержкой сигнала в усилителе на время t3. За это время фаза изменится на 2рft3: ?ц (щ) = - 2рft3. Знак “-” отображает отставание по фазе выходное напряжение по сравнению с .
Рис.1.2 Реальная и идеальная фазочастотная характеристика
Графически эту зависимость отображается идеальная ФЧХ. Реальная ФЧХ отличается от идеальной, так как различные спектральные составляющие входного сигнала задерживаются усилителем на различное время, что приводит к возникновению фазочастотных или фазовых искажения.
Частотные и фазовые искажения называются линейными искажениями, так как они создаются ёмкостями С и индуктивностями L схемы (т.е. линейными элементами). Линейные искажения изменяют форму сложного колебания, а форму гармонического не изменяют.
1.3 Переходная, динамическая, амплитудная характеристики. Динамический диапазон
Рис.1.3 Характеристики: а) - переходная; б) - динамическая; в) - амплитудная
Переходная характеристика (ПХ) - зависимость от времени усилителя, на вход которого подан мгновенный скачок напряжения
- время нарастания от 0,1 до 0,9U
- время установления от 0,1 до 1U
- относительный выброс (6%)
Переходная характеристика (ПХ) - это временной метод оценки качества АЭУ (АЧХ и ФЧХ - частотный метод оценки).
ПХ прежде всего используют для оценки искажений формы прямоугольных импульсов при усилении.
Динамическая характеристика (ДХ) - зависимость мгновенного значения от мгновенного значения при гармоническом изменении последнего.
Амплитудная характеристика (АХ) - зависимость амплитуды (или действующего значения) первой гармоники выходного напряжения от амплитуды (или действующего значения) гармонического входного напряжения. Идеальная АХ линейная только на участке АВ. Шумы и помехи приводят к тому, что при на выходе имеется . При - амплитуда выходного сигнала ограничивается и искажается из-за нелинейных искажений, вносимых активными схемы.
Динамический диапазон Д - это выраженное в наибольшего выходного (или входного) напряжение к наименьшему в пределах линейной части амплитудной характеристики:
Обычно для АЭУ: Д=40…60
Чтобы АЭУ мог воспроизвести на выход изменения уровня входного сигнала, необходимо .
Если АХ является нелинейной (логарифмической), то устанавливают два значения
Д: Двх и Двых ДвхДвых
1.4 Нелинейные искажения (НИ)
Это изменения формы колебания, обусловленные кривизной характеристик транзистора, диода, ИМС и других элементов. Им подвержено даже гармоническое колебание (на выходе АЭУ получим не только первую гармонику, но и высшие)
Коэффициентом гармоник называется отношение эффективного (действующего) значения суммы высших гармоник к эффективному значению его первой гармоники
Иногда используют только вторую гармонику: . В звуковых сигналах НИ воспринимается как хрип или дребезжание. При они почти незаметны на слух. В высокочастотных усилителях: при , а в усилителе многоканальной связи при (во избежание взаимных помех каналов). Во всяком усилителе НИ увеличивается при приближении амплитуды к максимальному значению , при котором , называется номинальным (а также и соответствующая мощность)
1.5 Коэффициент полезного действия
Это отношении номинальной выходной мощности, отдаваемой в нагрузку, к суммарной мощности, потребляемой им от всех источников питания
Мощность потерь в усилителе.
1.6 Собственные помехи
Усилитель передаёт на выход не только усиленный полезный сигнал, но и нежелательные колебания, возникшие внутри него - собственные помехи:
фон
наводки
шумы
дрейф нуля (для УПТ)
Фон - колебания с частотой питающей сети или кратное ей.
Обычно попадают в каскады усилителя из цепей питания из-за недостаточного сглаживания пульсаций, в ламповых каскадах дополнительно - цепи накала катодов переменным током.
Наводки - помехи, создаваемые электромагнитными полями.
Источники наводок: трансформатор источника питания, провода электросети, электроустановки.
Для количественной оценки фона и наводок используется отношения их напряжения на выходе усилителя к выходному номинальному напряжению. Для качественных усилителей: - 60…-70.
Собственные шумы - хаотическое движение носителей заряда в электропроводящих материалах.
Для количественной оценки применяют коэффициент шума и отношение сигнал/шум. Если генератор входного сигнала отключён, то к усилителю подключено лишь его сопротивление Rг, которое даёт тепловые шумы, мощность которых усиливается
Для RГ его шумовая ЭДС определяется формулой Найквиста:
постоянная Б
Сигнал/шум - отношение к суммарному напряжению шумов на выходе. Учтём, что шум как отношение мощностей равен отношению квадратов соответствующих шумовых напряжений
Дрейф нуля (в УПТ) - медленное изменение из-за нестабильности напряжения питания и характеристик транзистора. Количественно его оценивают напряжением или током дрейфа, пересчитанным ко входу.
Тема 2. Методы обеспечения режима работы биполярных и полевых транзисторов в каскадах усиления
2.1 Схема с фиксированным током базы
Рис.2.1 Схема с фиксированным током базы
Для нормальной работы любого усилительного каскада необходимо установить определенные токи и напряжения во входной и выходной цепях транзистора при отсутствии входного сигнала. Такой режим называют статическим (режим по постоянному току, режим покоя). Значения постоянных составляющих токов и напряжений определяются источниками питания во входной и выходной цепях усилителя.
В практических схемах отдельный источник смещения во входной цепи используется редко, а вводятся дополнительные элементы смещения (обычно резисторы), на которые подается напряжение от источника смещения в выходной цепи. Рассмотрим основные способы обеспечения режима по постоянному току в схеме с ОЭ. Основным требованием при этом является обеспечение постоянства выбранного режима покоя при изменении температуры и замене транзистора.
В схеме на рис.2.1 режим по постоянному току задается с помощью резисторов и источника питания. Смещение эмиттерного перехода осуществляется за счет протекания тока базы от источника питания через резистор .
Уравнение Кирхгофа для входной цепи имеет вид:
.
При этом (эмиттерный переход открыт). Тогда
, (2.11)
откуда следует, что начальный ток базы не зависит от транзистора и определяется только внешними параметрам и .
Поэтому такой метод обеспечения режима работы транзистора по постоянному току называется смещением фиксированным током базы.
Недостатками данной схемы являются:
1) трудность обеспечения режима покоя в выходной цепи при установке транзисторов с допустимым промышленным разбросом параметра без изменения сопротивления резистора :
(2.12)
Ток не зависит от параметров транзистора, а точка покоя в выходной цепи может оказаться или в области насыщения или вблизи границы режима отсечки;
2) не учитывается изменение обратного коллекторного тока транзистора от температуры. Схема с фиксированным током базы может быть использована для работы в диапазоне изменения температур, не превышающем 10...20 °С.
2.2 Схема с фиксированным напряжением база - эмиттер
Рис.2.2 Схема с фиксированным напряжением базы
В схеме на рис. Режим покоя обеспечивается фиксированным напряжением на базе транзистора с помощью источника питания и делителя из резисторов и . Сопротивления резисторов и при заданном начальном токе базы , соответствующем напряжению , определяют по формулам
где - ток делителя, который выбирается из условия обеспечения необходимой стабильности режима работы; . Напряжение
не зависит от параметров транзистора. В связи с этим такой способ задания режима по постоянному току называют смещением фиксированным напряжением базы.
С увеличением температуры токи и изменяются практически одинаково, что приводит к увеличению . Точка покоя перемещается в сторону режима насыщения. Для обеспечения температурной стабилизации усилительных каскадов используют обратные связи по постоянному току или постоянному напряжению, которые снижают действие дестабилизирующих температурных факторов.
2.3 Схемы с температурной стабилизацией
На рис.2.3, а представлена схема с коллекторной стабилизацией. Ее отличие от схемы (рис.2.1) состоит в том, что резистор подключен к коллекторному выводу транзистора с напряжением , а не к источнику питания. В этом случае ток смещения определяется так:
Физический смысл коллекторной температурной стабилизации заключается в следующем. При повышении температуры коллекторный ток увеличивается, а напряжение уменьшается. Это приводит к уменьшению потенциала базы, а следовательно, к уменьшению тока базы и коллекторного тока , который стремится к своему первоначальному значению. Таким образом, это существенно ослабляет влияние температуры на характеристики усилительного каскада.
Рис.2.3 Схемы транзисторного каскада: а) - с температурной коллекторной стабилизацией; б) с эмиттерной температурной стабилизацией
Наиболее эффективной является схема с эмиттерной температурной стабилизацией (рис.2.3, б). Повышение температуры увеличивает ток , что приводит к увеличению эмиттерного тока . Увеличивается падение напряжения на с указанной на рис.2.3, б полярностью. При этом потенциал эмиттера увеличивается, а напряжение база - эмиттер уменьшается. Абсолютное значение напряжения в такой схеме определяется выражением
.
Это приводит к уменьшению напряжения на эмиттерном переходе, что вызывает уменьшение базового тока , в результате чего ток коллектора также уменьшается, стремясь возвратиться к своему первоначальному значению.
Введение резистора при отсутствии конденсатора изменяет работу усилительного каскада не только в режиме покоя, но и при наличии входного сигнала. Переменная составляющая эмиттерного тока создает на резисторе падение напряжения, так называемое напряжение обратной связи (ОС), которое уменьшает усиливаемое напряжение, подводимое к транзистору:
Коэффициент усиления усилительного каскада будет уменьшаться. Для ослабления влияния отрицательной обратной связи по переменному току параллельно резистору включается конденсатор . Ёмкость конденсатора выбирают таким образом, чтобы в полосе пропускания усилителя его сопротивление было значительно меньше . При этом падение напряжения на параллельном соединении и от переменной составляющей тока эмиттера будет незначительным.
Таким образом, режим покоя можно обеспечить:
заданием требуемого тока базы с помощью резистора с большим сопротивлением (рис.2.1);
заданием потенциала базы с помощью делителя напряжения или получением за счет включения .
2.4 Стабильность рабочей точки
Разброс параметров транзисторов одной серии значительно затрудняет проектирование стабильных усилительных устройств. Кроме того, параметры биполярных транзисторов сильно зависят от внешних факторов: изменения температуры, радиационного воздействия. Все это приводит к смещению рабочей точки на ВАХ.
Качество температурной стабилизации схемы определяется выбором положения исходной рабочей точки и ее стабильностью при изменении температуры. На положение рабочей точки при увеличении температуры сильное влияние оказывают: обратный ток коллекторного перехода , который возрастает; напряжение , которое уменьшается; коэффициент передачи тока базы, который также возрастает.
Поэтому температурную нестабильность схемы можно оценить полным приращением тока коллектора по формулам
(2.13)
(2.14)
Исходя из (2.14), запишем
(2.15)
Подставив в (2.15) значение приращения тока базы , получим уравнение
(2.16), где
- коэффициент токораспределения;
решив которое относительно найдем
(2.17)
Величину называют коэффициентом температурной нестабильности.
Коэффициент температурной нестабильности показывает, во сколько раз изменение тока покоя больше в данном каскаде, чем в идеальном стабилизированном устройстве. Чем меньше S, тем стабильнее усилительный каскад.
Учитывая, что полное приращение коллекторного тока с учетом коэффициента нестабильности будет равно
(2.18)
Формула (2.18) может быть использована для определения усилительного каскада для любой схемы включения биполярного транзистора.
Выполнив анализ коэффициента нестабильности, получим предельные значения S. При каскад будет обладать наилучшей стабильностью, а при - плохой. Таким образом, в зависимости от соотношения и значение коэффициента температурной нестабильности изменяется от до . Следовательно, для получения максимальной стабильности нужно стремиться к выполнению условия или к выполнению неравенства
. (2.19)
Условие (2.19) является желательным при создании стабильных усилительных каскадов, однако уменьшение значения сопротивления ограничивается снижением входного сопротивления каскада. На практике удовлетворительные результаты получаются при , которым соответствуют и .Приращение коллекторного тока за счет изменения напряжения учитывается в (2.18) слагаемым , причем , где - ТКН, являющийся отрицательной величиной, что учитывается в выражении (2.18) знаком минус перед . Это указывает на то, что с ростом температуры изменение приводит к уменьшению приращения коллекторного тока. Изменение коллекторного тока за счет приращения коэффициента усиления транзистора по току учитывается , обычно .
2.5 Способы задания режима покоя в усилительных каскадах на полевых транзисторах
Рис.2.4 Схемы обеспечения режима покоя усилительного каскада на полевых транзисторах: а, в, - с управляющим p-n переходом; б - со встроенным каналом; г - с индуцированным каналом
В схемах на полевых транзисторах режим покоя задается с помощью падения напряжения на резисторе, включенном в цепь истока, или подачей на затвор дополнительного напряжения. На рис.2.4 представлены схемы подачи напряжения смещения на полевые транзисторы. В усилителях на полевых транзисторах с управляющим p-n переходом и с встроенным каналом (рис.2.4, а, б) режим покоя обеспечивается за счет резистора, включенного в цепь истока.
Так как ток затвора этих транзисторов очень мал, то мало и падение напряжения на резисторе . На практике принято считать, что напряжение практически равно падению напряжения на резисторе : . Сопротивление резистора включенного параллельно большому входному сопротивлению усилителя, должно быть соизмеримо с ним. Его выбирают из диапазона от единицы до десятков МОм.
Резистор , кроме функции автоматического смещения на затвор, выполняет функцию термостабилизации режима работы по постоянному току, стабилизируя . Чтобы исключить падение напряжения на резисторе за счет переменной составляющей тока стока, его шунтируют емкостью . Сопротивление конденсатора во всей полосе пропускания усилителя должно быть значительно меньше .
Часто для работы транзистора на участке с большой крутизной характеристики на затвор подают дополнительное отпирающее напряжение с помощью делителя (рис.2.4, в).
При использовании в усилительных устройствах полевых транзисторов с индуцированным каналом (рис.2.4, г) принципиально необходима подача напряжения смещения от внешнего источника, ибо при его отсутствии транзистор будет закрыт. Температурная стабилизация осуществляется за счет элементов .
2.6 Обратные связи в усилителях
Рис.2.5 Структурная схема усилителя с обратной связью
Для улучшения стабильности усиления, изменения входного и выходного сопротивлений, уровня линейных и нелинейных искажений, амплитудно-частотных, передаточных характеристик и других параметров вводят обратную связь. Обратной связью (ОС) в усилителях называют передачу выходного сигнала в его входную цепь. Цепь, по которой осуществляется передача сигнала ОС, называется цепью обратной связи. Петлей ОС называют замкнутый контур, включающий в себя цепь ОС и часть усилителя между точками ее подключения. Местной петлёй ОС (местной ОС) называют ОС, охватывающую отдельные каскады или часть усилителя. Общая ОС охватывает весь усилитель.
Упрощенная структурная схема усилителя, с обратной связью показана на рис.2.5 Усилитель имеет в направлении, указанном стрелкой, коэффициент усиления . Другим прямо угольником обозначена цепь ОС, имеющая коэффициент передачи , где - напряжение ОС, передаваемое с выхода усилителя на вход. Коэффициент показывает, какая часть выходного напряжения передается обратно на вход, поэтому его называют коэффициентом обратной связи. Обычно , поэтому вместо нижнего усилителя можно применять пассивный линейный четырёхполюсник. Коэффициент усиления усилителя и коэффициент передачи цепи ОС в общем случае являются величинами комплексными, учитывающими возможный фазовый сдвиг на низких и высоких частотах за счет наличия в схемах реактивных элементов. При работе в диапазоне средних частот, если в цепи ОС отсутствуют реактивные элементы, то параметры и являются вещественными величинами.
Рис.2.6 Способы получения сигнала обратной связи: а - по напряжению; б - по току; в - комбинированный
Если напряжение совпадает по фазе со входным напряжением , то в точке сравнения происходит сложение сигналов и ОС называют положительной (ПОС). Если и противофазны (поворот фазы сигнала ), то в точке сравнения происходит их вычитание и ОС называют отрицательной (ООС).
По способу получения сигнала различают: обратную связь по напряжению (рис.2.6, а), когда сигнал обратной связи пропорционален выходному напряжению ; ОС по току (рис.2.6, б), когда сигнал обратной связи пропорционален току выходной цепи; комбинированную обратную связь (рис.2.6, в), когда снимаемый сигнал ОС пропорционален как напряжению, так и току выходной цепи.
Рис.2.7 Способы введения сигнала обратной связи на вход усилителя: а - последовательный; б - параллельный; в - смешанный
По способу введения напряжения ОС на вход усилителя обратная связь бывает:
последовательной (рис.2.7, а) - напряжение ОС поступает последовательно с напряжением источника входного сигнала;
параллельной (рис.2.7, б) - напряжение ОС поступает параллельно с напряжением источника входного сигнала;
смешанной (рис.2.7, в).
Для определения вида обратной связи можно воспользоваться следующим правилом: если при коротком замыкании нагрузки напряжение обратной связи сохраняется, то осуществляется обратная связь по току; если же оно стремится к нулю, то по напряжению.
Поскольку в усилителях обычно используются каскады ОЭ, ОК, ОИ, ОС, то можно просто определить вид ОС по способу подачи ее сигналов во входную цепь. Если сигнал обратной связи поступает на эмиттер (или исток) транзистора, то связь последовательная, а если на базу (или затвор), то параллельная. Для определения вида обратной связи (ОСС, ПОС) необходимо просмотреть прохождение полуволны входного сигнала во всех точках схемы усилителя.
Отрицательная обратная связь позволяет улучшить некоторые параметры усилителя, поэтому она нашла на практике преимущественное применение.
Оценку влияния обратной связи на показатели усилителя рассмотрим на примере схемы с последовательной обратной связью по напряжению (рис.2.7, а).
2.6.1 Последовательная обратная связь по напряжению
На входе усилителя действует алгебраическая сумма напряжений входного сигнала и ОС
(2.20)
Напряжение на выходе усилителя, охваченного обратной связью, равно
(2.21)
Разделив обе части уравнения (2.21) на , получим
(2.22)
Это соотношение, связывающее коэффициент усиления усилителя , охваченного обратной связью, и усилителя без обратной связи, является основным соотношением в теории усилителей с обратной связью.
Величина характеризует усиление и характер петли обратной связи. Величину называют глубиной обратной связи.
Поскольку в общем случае и , где и - фазовые сдвиги напряжения сигнала, вносимые соответственно усилителем и звеном обратной связи, выражение (2.22) можно записать в виде
(2.23)
При ; , т.е. если коэффициент обратной связи есть величина вещественная и отрицательная, получим
(2.24)
Таким образом, если сигнал обратной связи поступает на вход усилителя в противофазе с входным сигналом, то коэффициент усиления усилителя уменьшается в раз. Такую обратную связь называют отрицательной.
Отрицательная обратная связь ослабляет влияние всех изменений коэффициента усиления , в том числе связанных с неравномерностью частотной характеристики; расширяет полосу пропускания как в сторону низких, так и в сторону высоких частот; уменьшает частотные искажения. ООС уменьшает возникающие в усилителе нелинейные искажения. Если при ООС , то говорят, что усилитель охвачен глубокой отрицательной обратной связью
(2.25)
В этом случае коэффициент усиления усилителя определяется только коэффициентом передачи цепи обратной связи и не зависит от собственного коэффициента усиления усилителя.
Если величина вещественная и положительная, то сигнал обратной связи совпадает по фазе с входным, усилитель охвачен положительной обратной связью. Коэффициент усиления усилителя при этом возрастает в раз. При в усилителе возникают условия для самовозбуждения усилителя охваченного положительной обратной связью. Такой режим работы нашёл применение в генераторах напряжения.
Сущность самовозбуждения заключается в следующем: любой малый входной сигнал, вызванный наводками или колебаниями параметров активных элементов, усиливается и возвращается обратно на вход усилителя. Суммируясь с входным сигналом, он вызывает появление большого входного сигнала. В реальных усилителях наступает ограничение выходного сигнала и появляются незатухающие колебания.
Положительная обратная связь, увеличивающая коэффициент усиления, в электронных усилителях практически не применяется, так как при этом стабильность его усиления значительно ухудшается.
Для качественной оценки действия цепи обратной связи определим стабильность коэффициента усиления усилителя с обратной связью. Для этой цепи продифференцируем выражение (2.25)
тогда относительное изменение коэффициента усиления усилителя с отрицательной обратной связью определяется, как
(2.26)
Отсюда следует, что относительное изменение коэффициента усиления усилителя с отрицательной обратной связью в раз меньше относительного изменения коэффициента усиления усилителя без обратной связи. При этом стабильность коэффициента усиления повышается с увеличением глубины обратной связи.
Рис.2.8 Амплитудно-частотная характеристика усилителя с обратной и без обратной связи
Физический смысл повышения стабильности коэффициента усиления усилителя с отрицательной обратной связью заключается в том, что при изменении коэффициента усиления изменяется напряжение обратной связи , приводящее к изменению входного напряжения усилителя, препятствующего изменению выходного напряжения. Стабильность коэффициента при введении ООС широко используется для улучшения амплитудно-частотной характеристики усилителей переменного сигнала (рис.10.15), при этом полоса пропускания усилителя расширяется.
Рассмотрим влияние последовательной обратной связи на входное и выходное сопротивления в диапазоне средних частот. Входное сопротивление усилителя с обратной связью определяется как
Используя соотношение , получим
т.е. входное сопротивление каскада при последовательной обратной связи по напряжению возрастает в раз, а положительная обратная связь уменьшает его в раз.
Найдём выходное сопротивление усилителя по значению выходного тока , протекающего под действием приложенного напряжения , при замкнутом генераторе на входе :
Выходной ток определяется выражением
(2.27)
при этом
(2.28)
Подставив выражение (2.28) в (2.27), получим
(2.29)
(2.30)
Из выражения (2.30) видно, что выходное сопротивление усилителя, охваченного ООС, уменьшается. Увеличение входного и уменьшение выходного сопротивлений усилителя с ООС - очень ценные свойства для его оконечных каскадов: обеспечивается меньшая зависимость выходного напряжения усилителя при изменении сопротивления нагрузки, усилитель приближается по своим параметрам к идеальному источнику напряжения.
2.6.2 Последовательная обратная связь по току
Структурная схема усилителя с последовательной обратной связью по току приведена на рис.2.9 Напряжение обратной связи снимается с резистора, включенного последовательно с нагрузкой , при протекании через резисторы выходного тока .
Коэффициент передачи для последовательной обратной связи по току представляет собой проводимость или крутизну передачи. Однако удобнее анализировать схему с помощью коэффициента передачи напряжения:
(2.31)
Рис.2.9 Последовательная обратная связь по току
Для входной цепи справедливо выражение а коэффициент усиления определяется выражением
(2.32)
выражение (2.31) показывает, что последовательная обратная связь по току оказывает такое же влияние на коэффициент усиления и его нестабильность, как и последовательная обратная связь по напряжению.
Входное сопротивление усилителя, охваченного обратной связью, равно
(2.33)
где ; - проводимость прямой передачи усилителя с обратной связью, которая меньше нуля для отрицательной обратной связи по току.
Поэтому входное сопротивление усилителя, охваченного отрицательной обратной связью по току, увеличивается в раз, а положительная ОС уменьшает его в раз.
Выходное сопротивление усилителя, охваченного последовательной обратной связью по току, определяется при подаче переменного напряжения на выход усилителя при коротком замыкании генератора ():
(2.34)
где ;
Подставив значения и выражение (2.34), получим
(2.35)
Отрицательная обратная связь по току увеличивает выходное сопротивление усилителя, а положительная увеличивает или уменьшает его в зависимости от величины
Данный тип обратной связи применяется тогда, когда необходимо иметь очень большое выходное сопротивление усилителя. В этом случае усилитель эквивалентен генератору тока, и выходной ток не зависит от сопротивления нагрузки.
Независимо от вида отрицательная обратная связь уменьшает сигнал на входе, что вызывает:
уменьшение коэффициента усиления;
повышение стабильности коэффициента усиления усилителя при изменении параметров транзисторов;
уменьшение уровня нелинейных искажений;
расширение полосы пропускания.
Последовательная отрицательная обратная связь уменьшает напряжение на входе усилителя и уменьшает входное сопротивление. Последовательная обратная связь по напряжению уменьшает выходное сопротивление, усилитель стремится к идеальному источнику напряжения. Последовательная обратная связь по току увеличивает выходное сопротивление, стабилизируя выходной ток усилителя.
Параллельная отрицательная обратная связь увеличивает входной ток, уменьшая входное и выходное сопротивления усилителя.
Отрицательная обратная связь нашла широкое применение в реальных устройствах. Положительная обратная связь в усилителях нежелательна, однако в них могут самопроизвольно возникать паразитные положительные обратные связи, существенно ухудшающие их работу. Существует несколько видов паразитных обратных связей:
между каскадами через цепи питания;
емкостная (электростатическая), обусловленная паразитными емкостями между выходом и входом усилителя;
магнитная, появляющаяся при близком расположении входных и выходных трансформаторов усилителя.
При наличии в усилителе даже слабой положительной связи ухудшается его работа: увеличиваются частотные и нелинейные искажения. При сильной паразитной связи () усилитель самовозбуждается, т.е. в нём возникает генерация на определенной частоте. В многокаскадных усилителях, имеющих один источник питания, возникают паразитные обратные связи между каскадами через цепи питания. Мощные оконечные каскады создают на внутреннем сопротивлении источника питания падение напряжения от переменной составляющей тока. Это переменное напряжение попадает в цепи питания первых каскадов усилителя, вызывая нежелательные паразитные обратные связи. Для устранения таких связей применяют развязывающие RC-фильтры, В некоторых случаях первые каскады усилителя доже имеют отдельные источники питания. Емкостные и индуктивные (магнитные) обратные связи возникают из-за плохого монтажа, когда входные цепи располагаются вблизи выходных. Между элементами входной и выходной цепей возникают ёмкость и взаимная индуктивность. Такие паразитные связи устраняются экранированием первых каскадов, рациональным монтажом и требуют большого практического опыта.
2.7 Режимы работы усилительных каскадов.
В зависимости от значений постоянного тока и падения напряжения на транзисторе усилительного каскада и амплитуды входного усиливаемого сигнала различают основные режимы работы усилительного каскада: А, В, С, D, АВ.
Рис.2.10 Графическая иллюстрация работы усилительного каскада в режиме класса А
В режиме класса А положение рабочей точки выбирается таким образом, чтобы при движении по линии нагрузки она не заходила в нелинейную начальную область коллекторных характеристик и в область отсечки коллекторного тока. На входной характеристике (рис.2.10, а) рабочая точка выбирается так, чтобы входной сигнал полностью помещался на линейном участке, а значение тока покоя располагалось на середине этого линейного участка. Амплитуды переменных составляющих входного и выходного токов, появившихся вследствие входного сигнала (рис.2.10, б), в режиме А не могут превышать токи покоя и соответственно. Режим класса А характеризуется работой транзистора на почти линейных участках своих вольтамперных характеристик. Это обуславливает минимальные нелинейные искажения сигнала (). Режим класса А является наименее экономичным в виду того, что полезной является мощность, выделяемая в выходной цепи за счет переменной составляющей выходного тока. Потребляемая мощность определяется значительно большими величинами постоянных составляющих , .
В связи с этим КПД усилительного каскада в режиме А невелик, всегда меньше 40%. Этот режим применяется в тех случаях, когда необходимы минимальные нелинейные искажения, а полезная мощность и КПД не являются решающими; это каскады предварительного усиления и маломощные выходные каскады.
Режим класса В - это режим работы транзистора, при котором ток через него протекает в течение половины периода входного сигнала. Положение рабочей точки на ВАХ транзистора выбирается так, чтобы ток покоя был равен нулю (рис.2.11).
Рис.2.11 Графическая иллюстрация работы усилительного каскада в режиме класса В
В режиме класса В транзистор открыт лишь в течение половины периода входного сигнала. В этом случае выходной ток имеет форму импульса с углом отсечки . Углом отсечки называют половину времени периода входного сигнала, в течение которой транзистор открыт и через него протекает ток. Небольшая мощность, потребляемая каскадом, позволяет получить высокое КПД усилителя, в пределах 60...70%. Режим класса В применяется в двухтактных каскадах, где прекращение протекания тока в одном транзисторе (первом плече) компенсируется появлением тока в другом транзисторе (другом плече каскада). Из-за нелинейности начальных участков характеристик транзисторов форма выходного тока (при малых его значениях) существенно отличается от формы тока, если бы имел место линейный характер характеристик.
В связи с этим режим класса В характеризуется большими нелинейными искажениями сигнала (), и этот режим используется преимущественно в мощных двухтактных каскадах усиления, однако в чистом виде его применяют сравнительно редко. Чаще в качестве рабочего режима используют промежуточный режим АВ.
Режим класса АВ используется для уменьшения нелинейных искажений усиливаемого сигнала, которые возникают из-за нелинейных начальных участков ВАХ транзисторов (рис.2.12).
При отсутствии входного усиливаемого сигнала в режиме покоя транзистор немного приоткрыт и через него протекает ток, равный 5...15% максимального тока при заданном входном сигнале.
Угол отсечки в режиме класса АВ несколько больше и достигает 120...130°.
Рис.2.12 Графическая иллюстрация работы усилительного каскада в режиме класса АВ
При работе двухтактных каскадов в режиме АВ происходит перекрытие положительной и отрицательной полуволн тока плеч двухтактного каскада, что приводит к компенсации искажений (), полученных за счет нелинейности начальных участков ВАХ транзистора. КПД каскадов, работающих в режиме АВ, выше, чем каскадов в классе А, но меньше, чем в классе В, за счет наличия малого входного тока покоя .
Режим класса С - это режим работы активного элемента (транзистора), при котором ток через него протекает в течение времени, меньшего половины периода входного сигнала (рис.2.13). Угол отсечки меньше , а ток покоя равен нулю. Поскольку больше половины рабочего времени транзистор закрыт, мощность, потребляемая от источника питания, снижается, так что КПД каскадов повышается, приближаясь к 100%.
Рис.2.13 Графическая иллюстрация работы усилительного каскада в режиме класса С
С уменьшением угла отсечки в импульсе тока возрастают уровни высших гармоник по отношению к уровню первой. В связи с большими нелинейными искажениями режим класса С не используется в усилителях звукового диапазона частот, а используется в мощных двухтактных каскадах усилителей мощности радиочастот, нагруженных на резонансный контур и обеспечивающих в нагрузке ток первой гармоники.
Режим класса D - это режим, при котором транзистор находится только в двух состояниях: закрыт или открыт. В закрытом состоянии через транзистор протекает небольшой обратный ток, его электрическое сопротивление велико, падение напряжения на нем примерно равно напряжению источника питания.
В открытом состоянии через транзистор протекает большой" ток, его электрическое сопротивление очень мало, мало и падение напряжения на нем. В связи с этим потери в транзисторе в режиме класса D ничтожно малы и КПД каскада приближается к 100%.
Таким образом, режим работы усилителя определяется заданием рабочей точки активного элемента в режиме покоя.
В режиме класса А транзистор работает без отсечки тока с минимальными нелинейными искажениями. В режимах АВ, В, С, D транзистор работает с отсечкой тока.
2.8 Работа активных элементов с нагрузкой
При работе активного элемента в аппаратуре связи или радиотехнических устройствах на управляющий электрод подается входной сигнал. Изменение этого сигнала приводит к изменению тока в выходной цепи активного элемента. Чтобы использовать изменение выходного тока, в выходную цепь активного элемента всегда включается нагрузка. В качестве нагрузки могут быть активное сопротивление (резистор), колебательный контур, трансформатор. Выходной ток, протекая по нагрузке, создает на ней падение напряжения, которое вычитается из напряжения источника питания. В связи с этим величина выходного тока зависит от одновременного изменения напряжения на управляющем и выходном электродах активного элемента.
Для анализа работы активного элемента с нагрузкой, кроме статических характеристик, используется нагрузочная.
Она представляет собой геометрическое место точек приложения составляющих токов и напряжений входной или выходной цепей соответственно, которым соответствуют возможные значения режима работы усилительного каскада.
Методика построения нагрузочной характеристики не зависит от типа активного элемента. Рассмотрим ее построение на примере усилительного каскада с общим эмиттером.
При включении нагрузки в коллекторную цепь транзистора изменение тока коллектора определяется совместным воздействием изменений входного тока базы и напряжения в выходной коллекторной цепи.
Для коллекторной цепи усилительного каскада в соответствии со вторым законом Кирхгофа можно записать следующее уравнение электрического состояния:
(2.36)
т.е. сумма падения напряжения на нагрузке и напряжения коллектор - эмиттер транзистора всегда равна постоянной величине - ЭДС источника питания. Напряжение в коллекторной цепи определяется как
Выражение (2.36) является математическим описанием прямой линии, его называют уравнением нагрузочной прямой, которая строится на семействе статических выходных характеристик (рис.2.14, а).
Рис.2.14 Графический анализ работы усилительного каскада с нагрузкой в режиме класса А
Построение линии нагрузки по постоянному току удобно провести по двум точкам, характеризующим режим холостого хода (точка А: ) и короткого замыкания (точка А: ). Наклон линии нагрузки определяется сопротивлением резистора , поэтому характеристику, можно провести под углом
Подобные документы
Динамический режим работы усилителя. Расчет аналоговых электронных устройств. Импульсные и широкополосные усилители. Схемы на биполярных и полевых транзисторах. Правила построения моделей электронных схем. Настройка аналоговых радиотехнических устройств.
презентация [1,6 M], добавлен 12.11.2014Понятие электронного усилителя, принцип работы. Типы электронных усилителей, их характеристики. Типы обратных связей в усилителях и результаты их воздействия на работу электронных схем. Анализ электронных усилителей на основе биполярных транзисторов.
курсовая работа [540,7 K], добавлен 03.07.2011Транзистор как электронный полупроводниковый усилительный прибор, предназначенный для усиления сигналов. Знакомство с особенностями и сферами применения полевых и биполярных транзисторов. Общая характеристика схем включения биполярного транзистора.
реферат [1,5 M], добавлен 21.05.2016Классификация биполярных транзисторов по типу рабочего материала и механизму передачи тока в структуре. Технологические разновидности БТ. Основные свойства сплавных и планарных транзисторов. Ширина диапазона рабочих частот БТ. Способы повышения усиления.
контрольная работа [2,3 M], добавлен 15.01.2011Физические принципы функционирования электронных приборов. Дефекты реальных кристаллов. Искажение кристаллической решетки в твердых растворах внедрения и замещения. Принцип работы биполярных транзисторов. Поверхностные явления в полупроводниках.
контрольная работа [3,1 M], добавлен 04.10.2010Транзистор - полупроводниковый преобразовательный прибор, имеющий не менее трёх выводов и способный усиливать мощность. Максимально допустимые параметры и вольтамперные характеристики биполярного и полевого транзисторов. Расчет величин элементов системы.
курсовая работа [1016,4 K], добавлен 01.12.2014Основы схемотехники аналоговых электронных устройств. Расчет физических малосигнальных параметров П-образной схемы замещения биполярного транзистора, оценка нелинейных искажений каскада. Выбор резисторов и конденсаторов для усилительного каскада.
курсовая работа [911,3 K], добавлен 10.02.2016Изучение принципов работы жидкокристаллических дисплеев, плазменных панелей. Исследование характеристик полупроводниковых приборов и электронных устройств: полевых транзисторов, диодов, усилительных каскадов. Двоичные системы счисления в электронике.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 24.10.2015Основные технические показатели электронного усилителя: коэффициент усиления, входное и выходное сопротивления, диапазон усиливаемых частот, динамический диапазон, нелинейные, частотные и фазовые искажения. Разработка гибридной интегральной микросхемы.
курсовая работа [772,0 K], добавлен 08.04.2014Разработка структурной, принципиальной и интегральной микросхем аналогового устройства на основе биполярных и полевых транзисторов. Выбор типов и структур биполярных и полевых транзисторов, навесных элементов и расчёт конфигурации плёночных элементов.
курсовая работа [241,0 K], добавлен 29.08.2014
