Введение в цифровую электронику Магнитные цепи Полупроводниковые приборы Передача дискретных сигналов Выражение мощности в комплексной форме Резонанс напряжений Преобразователи напряжения Сглаживающие фильтры

Расчетные задания курсовой по электронике и электротехнике

Резистивные усилители низкой частоты

Усилителями называются устройства, в которых сравнительно маломощный входной сигнал управляет передачей значительно большей мощности из источника питания. Все многообразие усилителей разделяют по следующим признакам:

-по типу применяемого активного элемента (на лампах, транзисторах, параметрические …) ;

-в зависимости от полосы усиливаемых частот (УПТ, УНЧ, УПЧ, УВЧ …) ;

-по назначению (усилители тока, напряжения, мощности);

-по виду нагрузки усилительного элемента (резистивные, трансформаторные, резонансные);

-по способу включения усилительного элемента в схему (с общим эмиттером, с общей базой, с общим коллектором).

В последние годы усилители выпускают в виде микросхем. Простейшая ячейка, позволяющая осуществить усиление, называется усилительным каскадом. В лекции рассмотрим принципы построения резистивных усилительных каскадов низкой частоты. Они предназначены для усиления сигналов в полосе от нескольких десятков Герц до нескольких десятков килогерц.

Принцип работы каскада по схеме с общим эмиттером

Простейший усилительный каскад по схеме с общим эмиттером приведен на рис. 12.6а. При схемном изображении транзистора и источников этот каскад принимает вид рис. 14.1а. Для анализа принципа работы каскада построим его передаточную характеристику  (рис.14.1б).

 С увеличением входного сигнала (Uбэ) растет ток базы Iб (см.рис. 12.6в), а значит и ток коллектора, причем:

,

 Ток коллектора создает падение напряжения на резисторе , причем ,а также на дифференциальном сопротивлении участка коллектор-эмиттер транзистора - , причем всегда .

 Рост тока коллектора означает уменьшение Rкэ, а значит и Uкэ. При этом на постоянном сопротивлении резистора падение напряжения увеличивается. Так как дифференциальное сопротивление Rкэ вычислять сложно, падение напряжения на участке коллектор-эмиттер транзистора находят как разность:

.

 И так, с увеличением тока коллектора Iк увеличивается падение напряжения на резисторе Rк и уменьшается напряжение Uкэ , т.е. выходное напряжение каскада (рис.14.1б).

 Когда ток коллектора достигает насыщения   (т.е. максимального значения), напряжение на участке коллектор-эмиттер транзистора достигает наименьшего значения. Это значение называют напряжением насыщения - Uкэн, причем:


.

Как правило, это напряжение составляет десятые доли вольта, оно пренебрежимо мало в сравнении с Ек, поэтому иногда им пренебрегают, полагая . Дальнейшее увеличение Uбэ не может вызвать изменений тока Iк и напряжения Uкэ.

  Анализ передаточной характеристики позволяет выделить три характерных участка (они обозначены римскими цифрами). На участке I через транзистор протекает только неуправляемый обратный ток коллекторного перехода. Сопротивление . Практически все напряжение источника Ек падает на сопротивление Rкэ, т.е. .

 На участке II напряжение на коллекторе транзистора можно изменять в пределах , а ток - в пределах . Эти изменения являются результатом регулировки параметров Uбэ, Iб маломощного источника сигнала.

 Например , а . Отношение  обозначают КU и называют коэффициентом усиления по напряжению. В нашем примере КU=50. Кроме того, увеличение напряжения Uбэ приводит к пропорциональному уменьшению напряжения Uкэ, т.е. знаки приращений входного и выходного сигналов противоположны. Такие усилители называют инвертирующими.

  На участке III . Транзистор теряет свойства усилительного элемента.

  Передаточная характеристика позволяет рассмотреть различные режимы работы усилительного каскада (классы усиления). При работе в классе «В» напряжение  (см. рис.14.1б). На выход передается сигнал только одной полярности. При подаче на вход двухполярного сигнала часть информации будет потеряна.

  При работе в классе «А» напряжение . Здесь Uсм - напряжение смещения, постоянная величина, не зависящая от Uвх. Когда Uвх= 0, Uбэ = Uсм. Такой режим называют режимом покоя, а токи Iб, Iк и напряжения Uбэ и Uкэ называют токами и напряжениями покоя и обозначают Iбп; Iкп; Uбэп; Uкэп. Напряжение смещения Uсм выбирают так, чтобы рабочая точка транзистора Т находилась в середине линейного участка II. В этом случае любое приращение входного напряжения  вызовет пропорциональное инверсное приращение выходного напряжения , где КU - коэффициент усиления.

 При работе в классе D на вход каскада подается большой сигнал (пунктир на рис. 14.1). схемы, которые называют схемами смещения. Рассмотрим наиболее часто применяемые Передаваемый сигнал ограничивается сверху и снизу. Такой режим широко применяется в импульсной технике.

 Чтобы обеспечить усиление каскада в классе А, на базу транзистора необходимо подать напряжение смещения Uсм. Это обеспечивают специальные схемы.

 Схема смещения с фиксацией тока базы (рис. 14.2а). Фиксация тока базы Iб достигается, когда в цепь базы включается резистор Rб с большим сопротивлением.

  Для цепи базы справедливо равенство:

.

 Отсюда

 . (14.1)

 В (14.1)  и им можно пренебречь.

 Из (14.1) следует, что ток покоя базы определяется величиной внешнего сопротивления Rб , не зависит от параметров транзистора и является фиксированной величиной.

 Схема с фиксацией напряжения базы (рис.14.2б). Для цепи базы в этой схеме справедливо равенство:

.

 Отсюда

 , (14.2)

 где  - ток делителя.

 Чтобы напряжение смещения Uбэ не зависело от параметров входной цепи транзистора, ток делителя Iд необходимо выбирать значительно больше тока базы Iб. Обычно . Тогда:

  (14.3)

и не зависит от тока базы. Большое значение тока делителя  приводит к необходимости дополнительных затрат энергии источника питания. Это недостаток схемы.

 Общим недостатком рассмотренных схем является зависимость режима работы транзистора от температуры окружающей среды (температурные изменения токов базы и коллектора, коэффициента передачи тока базы β). Для устранения температурной зависимости в цепь смещения можно включить элементы коррекции, сопротивление которых зависит от температуры, например терморезистор или диод. Значительно чаще применяют схемы стабилизации с отрицательной обратной связью (ООС).


Рассмотрим наиболее широко применяемую схему стабилизации с ООС по току в цепи эмиттера (14.2в). В качестве элемента ООС используется резистор . Сопротивление участка база - эмиттер транзистора,  и  образуют замкнутый контур. Для этого контура справедлив второй закон Кирхгофа, согласно которому:

.

Отсюда

 . (14.4)

 Выражение (14.4) раскрывает физику стабилизирующего действия ООС. Так если под воздействием дестабилизирующего фактора ток базы Iб начнет возрастать, то увеличится и ток эмиттера , а значит и . Но это приведет к уменьшению напряжения Uбэ настолько, чтобы ток базы принял прежнее значение. ООС всегда препятствует любому изменению тока эмиттера, а значит и тока базы тем эффективнее, чем больше значение Rэ. Это значит, что ООС будет препятствовать приращению тока коллектора под воздействием входного сигнала, резко уменьшая коэффициент усиления каскада. Чтобы устранить этот недостаток параллельно Rэ включают емкость Сэ. Значение емкости выбирают из условия  на минимальной частоте сигнала. В этом случае переменная составляющая (сигнал) будет замыкаться по Сэ, а медленно изменяющиеся составляющие температурной нестабильности - по Rэ. Каскад сохраняет высокий коэффициент усиления и стабильность свойств в широком диапазоне температуры окружающей среды.

  К основным параметрам усилительных каскадов относятся входное Rвх и выходное Rвых сопротивления, коэффициент усиления по напряжению КU и др. Значение параметров, как правило, определяют по переменной составляющей в классе усиления А. Для переменной составляющей сопротивление источника Ек равно нулю (т.е. его зажимы 1 - 1' закорачиваются). Сопротивление Rэ также равно нулю, так как резистор закорочен емкостью Сэ.

  Для оговоренных условий входное сопротивление каскада на рис. 14.2в определим по закону Ома:

.

Но , где Rэб - эквивалентное сопротивление входной цепи, составленное из параллельно включенных R2 и Rбэ, т.е.

 . (14.5)

 Величина Rбэ для маломощных транзисторов порядка 103 Ом. Величина R2 порядка нескольких сотен Ом. Значит величина Rвх схемы рис. 14.2в мала. Это ужесточает требования к мощности источника сигнала, т.е. мощность источника должна быть достаточно большой.

 Резистор Rк по переменной составляющей оказывается включенным параллельно Rкэ и Rн. Значение Rкэ порядка 104 Ом. Значение Rк - порядка 103 Ом. Пренебрегая величиной Rкэ получим Rвых » Rэ, где

   . (14.6)

Коэффициент усиления по напряжению:

 . (14.7)

Применяя к (14.7) выражения (14.5) и (14.6), получим:

 , (14.8)

где:  - коэффициент усиления по напряжению в режиме холостого хода;

  - коэффициент потерь сигнала в выходной цепи каскада.

Последнее выражение показывает, что коэффициент усиления каскада по схеме с общим эмиттером зависит от параметров нагрузки.