Лабы

Чувствительность (номинальное входное сопротивление) – напряжение, которое нужно подать на вход усилителя, чтобы получить на выходе заданную мощность.

Диапазон усиливаемых частот (полоса пропускания) – разность между верхней и нижней граничными частотами, в которой коэффициент усиления изменяется по определённому закону с заданной точностью.

Коэффициент нелинейных искажений (коэффициент гармоник) определяет нелинейные искажения усилителя в процентах:

KГ	P2 P3 ... Pn	100% ,
	P1

где P1,...,Pn - мощности гармонических составляющих выходного

сигнала ( nf1 ) при синусоидальном входном сигнале с частотой f1.

Источником нелинейных искажений является нелинейность вольтамперной характеристики активных элементов усилителя и делится на три вида: частотные, фазовые и выходные.

Амплитудно-частотная характеристика усилителя (АЧХ) определяет зависимость модуля коэффициента усиления от частоты гармонического сигнала на входе усилителя. На рисунке представлена типичная АЧХ нерезонансного усилителя.

На ход характеристики в низкочастотной области спектра усиливаемого сигнала влияют блокировочные и разделительные конденсаторы в цепях усилителя. На высоких частотах сказываются частотные свойства транзисторов, ёмкостей монтажа и комплексный характер сопротивления нагрузки. Частоты, на которых коэффициент усиления уменьшается в 2 раз (-3дБ) по сравнению с усилением на средних частотах, определяют диапазон усиливаемых частот.

Переходная характеристика (ПХ) устанавливает зависимость мгновенного значения напряжения на выходе усилителя от времени при бесконечно быстром скачкообразном изменении входного сигнала. С помощью переходной характеристики проводят оценку искажений усиливаемых импульсных сигналов.

Рис. 2 – Переходная характеристика

На рисунке 2 представленна переходная характеристика усилителя при подаче на вход прямоугольного импулься. В области низких частот передний фронт импульса выходного сигнала растянут во времении характерисзуется временем установления tуст. Время

установления определяется временным интервалом, в течение которого выходное напряжение изменится от 0,1 до 0,9 установившегося значения U уст .

Усилитель по схеме с общим эмиттером (ОЭ)

Наибольшее представление о протекающих в усилительном каскаде процессах дает анализ его работы, проведенный с помощью вольт-амперных характеристик (ВАХ) усилительного прибора.

На рис. приведено семейство выходных характеристик биполярного транзистора, соответствующих наиболее частому его использованию в усилительных каскадах, когда в качестве выходного тока используется ток коллектора, а в качестве выходного напряжения – разность потенциалов Uкэ между коллектором и эмит-

тером. Ток базы Iб при построении этих характеристик выступает в роли параметра. Линиями 1 и 2 показаны границы активной (управляемой) области характеристик.

Работу усилительного прибора в схеме можно интерпретировать как процесс управления протеканием тока Iвых с помощью изменений входного сигнала Iвх или Uвх. В процессе указанного управления значения токов и напряжений в каскаде изменяются.

Косвенным признаком возможности неискажающей работы усилительного прибора в усилительном каскаде является эквидистантность графиков семейства ВАХ, представленных на рис. Очевидно, что условие эквидистантности выполняется лишь в ограниченной области значений токов и напряжений. Область выходных ВАХ усилительного прибора, где указанное условие выполняется с приемлемой для практики точностью, называется усилительной областью. Протяженность этой области ограничена с одной стороны так называемой линией насыщения (1 на рис. 3), а с другой – линией отсечки (2 на рис. 3). При значениях левее линии 1 и ниже линии 2 прекращается управляющее воздействие входного сигнала па выходной ток, т. е. усилительный прибор полностью теряет усилительную способность.

Область возможных значений выходного тока и напряжения ограничена необходимостью выполнения ряда условий, вытекающих из требования обеспечения надежной и безопасной работы усилительного прибора в схеме. В качестве параметров, определяющих эти ограничения, выступают паспортные данные на транзистор о предельно допустимых значениях выходного тока Iвых max и выходного напряжения Uвых max, а также тепловой мощности P t max, выделяемой в выходной цепи усилительного прибора. На рис. границы области безопасной работы ограничены штриховкой.

Технические характеристики транзисторов, предоставляемые изготовителями: максимально допустимые значения параметров

транзисторов (VCB max, VEB_max VEB_max, IС max, мощность рассеяния и воздействие температуры: превышение этих пределов может повредить

или разрушить транзистор), значения hFE для различных условий работы…

В спецификациях большинства транзисторов величина β не дается, но приводится гибридный параметр hFE для постоянного тока и hfe - для переменного тока. Для постоянного тока β или hFE определяется просто как отношение а β для переменного тока (βBC) определяется как отношение приращения тока коллектора к

приращению тока базы: В схеме с ОЭ инжектируемый эмиттерный ток вызывает

коллекторный ток примерно такой же величины и очень незначительный базовый ток. При включении транзистора npn-типа по схеме ОЭ эмиттер заземляется, а база смещается в прямом направлении. Положительное напряжение на эмиттерном pn-переходе вызывает большое количество электронов, входящих в базу из эмиттера. Небольшая часть этих электронов стекает по базовому выводу и создает базовый ток. Большинство электронов достигает коллектора, поэтому коллекторный ток значительно больше базового и коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ больше единицы. Это является одной из причин, почему схема с ОЭ используется значительно чаще, чем схема с ОБ.

Расчет усилителя должен начинаться с расчета по постоянному току. Для этого определяется напряжение смещения, или напряжение рабочей точки усилителя. Рабочая точка характеризуется значениями постоянных токов базы, коллектора и напряжения коллектора в данной точке. Такой режим работы называют статическим (режимом по постоянному току, режимом покоя). Эти значения определяются напряжением источника питания и резисторами, подключенными к транзистору.

Только после того, как в усилителе задано необходимое напряжение смещения, переменный сигнал может быть подан на вход усилителя, а усиленный сигнал снят с его выхода.

Рабочая точка выбирается исходя из требуемого режима работы усилительного каскада.

Классы усиления

Режим класса А.

Рабочая точка выбирается таким образом, что входной сигнал полностью помещается на линейном участке входной характеристики,

а значение тока покоя Iб0 располагается на середине этого участка

(Рис. 4).

Рис. 4 – Режим класса А Рабочая точка на выходной характеристике задаётся напряжением:

Uкэ0 Uпит2 ,

Так как в данном случае используется почти линейный участок ВАХ транзистора, тонелинейные искажения сигнала минимальны (менее 1%), а КПД составляет не менее 50%.

Режим класса B.

Ток через транзистор протекает только в течение половины периода входного сигнала (Рис. 5). Рабочая точка на ВАХ выбирается так, что ток покоя равен нулю.

Рис. 5 – Режим класса B

Входной ток имеет форму импульсов с углом отсечки 90 . Угол отсечки – половина части периода напряжения, выраженная в радианах

или градусах, в течение которой транзистор открыт и через него течёт ток. Для усиления другой полуволны сигнала используется ещё один каскад. В целом такой усилитель является двухтактнным.

Режим класса B характеризуется большими нелинейными искажениями сигнала (но менее 10%), вследствие работы на нелинейных участках ВАХ транзистора. КПД лежит в пределах 70%.

Режим класса AB.

В режиме покоя транзистор приоткрыт и через негопротекает ток, равный 5…15% максимального тока при заданном входном сигнале (Рис. 6). Угол отсечки составляет 120...150 .

Рис. 6 – Режим класса AB

В режиме класса AB положительная и отрицательная полуволны тока плеч двухтактного каскада перекрываются. Коэффициент нелинейных искажений каскада менее 3%. КПД каскада уменьшается за счёт входного тока покоя Iб0 .

Существует несколько способов задания режима работы каскада по постоянному току: фиксированным током базы и фиксированным напряжением база-эмиттер.

Критерий выбора исходной рабочей точки

Исходная рабочая точка определяет режим работы каскада на постоянном токе. Её положение в каскаде на биполярном транзисторе задается током коллектора Iкo и разностью потенциалов коллектор – эмиттер Uкэo. В условиях, когда в схеме заданы напряжение источника питания Еп и сопротивление Rн, включенное в выходную цепь транзистора на постоянном токе, положение изначальной рабочей

точки (или точки покоя) однозначно характеризуется значением тока

Iко.

В каскадах усиления слабых сигналов, т. е. в условиях, когда сигнальные изменения ∆Iвых выходного тока Iвых составляют лишь его небольшую часть, значение начального тока Iко выбирают главным образом в результате компромисса между возможностью получения хороших усилительных свойств, с одной стороны, и малых токопотребления и мощности Рt, высокой стабильности и определенности режима работы каскада на постоянном токе, с другой.

Если к усилителю малых сигналов не предъявляются какие-либо специальные требования, то значение тока Iкo выбирают в интервале 0,5...5 мА. Исключение составляют случаи построения так называемых микромощных усилителей, где ток Iко может достигать десятка микроампер и менее.

При малом напряжении Uкэо точка покоя приближается к линии насыщения (к линии 1 на рис.), вследствие чего в каскаде могут возникать нелинейные искажения. В связи с этим в каскадах усиления рекомендуется обеспечивать значения напряженя Uкэо не ниже

напряжения, определяемого соотношением Uкэо ≥ Uнач max + Um max ; где Um max— наибольшее из возможных сигнальных изменений напряжения

на выходе, направленных на уменьшение разности потенциала Uкэо. Напряжение Uнач max должно соответствовать наибольшему из возможных значений выходного тока.

Обычно сигналы переменного напряжения, усиливаемые транзистором, являются синусоидальными колебаниями. Если переменный сигнал слишком велик или схема имеет недостаточное смещение, рабочая точка будет переходить в области насыщения или отсечки. В любом случае пики синусоиды будут уплощаться (рис. 7-8) и выходной сигнал исказится.

Ограничение в области отсечки показано на рис.7. Это происходит, когда изменение переменного входного напряжения смещает рабочую точку ниже уровня, где транзистор может проводить ток.

Рис. 7 – Ограничение в области отсечки

Ограничение в области насыщения показано на рис.8. Это происходит, когда переменный входной сигнал вызывает слишком большой ток базы. Любое дальнейшее увеличение базового тока не оказывает влияния на выходные параметры схемы.

Рис. 8 – Ограничение в области насыщения

На рис.9 приведена нагрузочная линия схемы при этом выходное напряжение изменяется от состояния покоя 16,1 В на 3,9 В вверх (до 20 В) и на 5,1 В вниз (до 11 В) по линии нагрузки. Поскольку отклонения напряжения вверх и вниз от напряжения покоя не равны, синусоидальный выходной сигнал имеет искажения.

Рис. 9 – нагрузочная линия схемы

Эти искажения вызываются нелинейностью вольт-амперных характеристик, большим размахом сигнала и слишком близким расположением рабочей точки к области отсечки.

Если в качестве точки покоя выбрать точку IВ= 40mA, искажения будут значительно меньше.

Схема с фиксированным током базы

Биполярный транзистор можно рассматривать как усилительный прибор, управляемый током. Поэтому имеются стремления задавать положение точки покоя за счет выбора определенного значения тока базы Iбo, например, как это реализовано в схеме рис.10.

На вход схемы переменное входное напряжение подается через конденсатор, назначение которого - отделить источник переменного сигнала от постоянного напряжения на базе, и наоборот.

Конденсатор позволяет объединить два сигнала вместе, несмотря на различие их постоянных составляющих. Если он отсутствует, генератор синусоидального колебания будет смещать постоянное напряжение базы вниз по линии нагрузки к режиму отсечки и выходное напряжение будет искажаться.

Рис. 10 схема с фиксированным током базы

Режим по постоянному току в схеме на рисунке 10 задаётся с помощью резисторов Rб и Rки напряжения питания Uип. Уравнение

второго закона Кирхгофа для входной цепи имеет вид:

Uип Iб0 Rб Uбэ0 ,

Uбэ0 0,3...0,6В, тоесть эмиттерный переход открыт. Поэтому ток в цепи базы равен:

Iб0 Uип ,

Rб

и не зависит от параметров транзистора, а определяется параметрами цепи.

Уровнение Кирхгофа для выходной цепи имеет вид:

Uип Iк0 Rк Uкэ0

С учётом связи Iк0 h21Э Iб0 видно, что внешние элементы. задавая ток покоя базы Iб0 , определяю ток покоя коллектора Iк0 .

Обычно напряжение смещения задается следующей последовательностью:

1.Выбираем напряжение источника питания Vсс должно быть меньше Vceo Зачастую Vсс определяется имеющимися в наличии источниками питания.

2.Выбираем сопротивление резистора в цепи коллектора Rc.