111

Л Е К Ц И И

Физические основы электроники

(Электронные цепи и микросхемотехника)

Калиненко А.Г.

(редакция Амелиной М.А.)

1. УСИЛИТЕЛИ И ФОРМИРОВАТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ НА БИПОЛЯРНЫХ И ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

2. УСИЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА НА ТРАНЗИСТОРАХ И ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМАХ

Усилители и формирователи электрических сигналов на биполярных и полевых транзисторах введение

Одним из основных элементов современных электронных устройств является электронный усилитель. Широта и разнообразие задач выполняемых электронными устройствами привело к возникновению усилителей самого различного типа и назначения.

Изучение курса «Физические основы электроники» требует знания основ построения усилительных устройств, их основных параметров и характеристик в рабочем диапазоне частот. По этой причине в начальных разделах учебного пособия дается ознакомление с классификацией усилителей и их основными характеристиками, а также с терминологией и определениями, принятыми в этой области.

В усилительных устройствах широко применяются различные виды обратной связи. В учебное пособие введены разделы, в которых рассматриваются вопросы применения обратной связи в наиболее общем виде. На основе положений теории обратной связи рассмотрены режимы работы усилителей на биполярных и полевых транзисторах по постоянному току, тесно связанные с температурной стабильностью положения рабочей точки на линии нагрузки.

Основные схемы усилительных каскадов — схемы с общим эмиттером – ОЭ, общей базой – ОБ и общим коллектором ОК. С целью понимания принципа работы таких устройств в учебном пособии проводится их анализ работы в области низких, средних и высоких частот для различных входных сигналов. Подробно рассматривается графический и аналитический метод расчета усилителей по постоянному току. Анализ работы усилительных устройств проводится с использованием Т-образной схемы замещения транзистора в физических параметрах, позволяющий в некоторых приближениях получить основные расчетные соотношения, а также понять физику работы усилительных устройств.

Формирование электрических сигналов различной формы, в том числе и цифровых сигналов, основано на работе ключевого режима работы транзистора. С этой целью в учебном пособии рассмотрен анализ переходных процессов в транзисторном ключе методом заряда. Выявлены условия, позволяющие увеличить быстродействие транзисторного ключа.

Большая часть имеющихся книг по усилителям зачастую содержит теоретические выкладки нередко сложные и громоздкие. Это подтверждает те трудности, которые испытывают студенты не электронных специальностей при изучении курса «Физические основы электроники».

Вопросы, рассмотренные в учебном пособии, имеют цель помочь студентам в освоении разделов курса «Физические основы электроники» в соответствии с новыми учебными планами.

1. Усилители электрических сигналов

1.1.Общие сведения об усилителях электрических сигналов, их основных параметрах и характеристиках

Усилителем называется устройство, предназначенное для увеличения мощности входного сигнала. Превышение мощности, выделяемой в сопротивлении нагрузки, над мощностью источника входного сигнала достигается за счет энергии источника питания. Маломощный входной сигнал лишь управляет передачей энергии источника питания в полезную нагрузку.

Усиление электрических сигналов практически всегда сопровождается изменением их формы. Причем качество усилителя считается тем более высоким, чем меньше нежелательные искажения сигналов.

Часто бывает удобно рассматривать не мощность сигналов на входе или выходе усилителя, а величины напряжений или токов. В связи с этим усилители условно делят на усилители тока, усилители напряжения или мощности. Принадлежность усилителя к тому или иному классу определяется его назначением и выбором соответствующих параметров схемы и усилительных элементов.

По характеру изменения усиливаемого сигнала во времени различают усилители медленно меняющихся сигналов, которые часто называют усилителями постоянного тока, и усилители переменного тока. К ним относятся усилители низкой частоты, усилители высокой частоты, широкополосные усилители, избирательные усилители и т.д.

Усилители имеют определенные параметры и характеристики. Одним из основных параметров усилителя является его коэффициент усиления, который представляет собой отношение параметров выходного сигнала к входному. Так, коэффициент усиления по напряжению К_U = , коэффициент усиления по току К_I = , коэффициент усиления по мощности К_P = .

В частном случае, когда входное и выходное значения сигнала являются неоднородными, вместо коэффициента усиления используется коэффициент преобразования. Например, S = — коэффициент преобразования входного напряжения в выходной ток, называемый часто крутизной усиления; W = — коэффициент преобразования тока в мощность.

Коэффициенты усиления часто оценивают в логарифмических единицах- децибелах

К_U дб = 20 lg ,

К_I дб = 20 lg ,

К_P дб = 10 lg .

В логарифмических единицах обычно задают коэффициент усиления многокаскадного усилителя, который равен сумме коэффициентов усиления его отдельных каскадов, выраженных в дб.

К основным характеристикам усилителя относятся: амплитудная, амплитудно-частотная, фазо-частотная, амплитудно-фазовая и переходная характеристики.

Амплитудная характеристика представляет собой зависимость амплитудного или действующего значения выходного напряжения от входного напряжения U_вых = f (U_вх) (Рис.1.1). Уменьшение коэффициента усиления при больших входных сигналах определяется нелинейностью характеристик усилительных элементов — транзисторов. По амплитудной характеристике усилителя определяют динамический диапазон усилителя

D = 20 lg .

Рис. 1.1. Амплитудная характеристика усилителя

Динамический диапазон усилителя ограничивается с одной стороны уровнем собственных шумов и помех, наблюдаемых на выходе усилителя, а с другой – допустимым уровнем нелинейных искажений, т.е. предельно допустимым значениям U_{вых maх}.

Амплитудно-частотная характеристика усилителя (АЧХ) – определяется как зависимость модуля коэффициента усиления усилителя от частоты входного сигнала (рис.1.2). По АЧХ определяют полосу пропускания усилителя, т.е. рабочий диапазон частот, в пределах которого коэффициент усиления изменяется не больше заданного.

Рис. 1.2. Амплитудно-частотная характеристика усилителя

Если к усилителю не предъявляются какие-либо специальные требования, то рабочий диапазон частот определяют на уровне 0,7 Кмакс (рис. 1.2). АЧХ большинства широкополосных усилителей не удается изобразить в линейном масштабе по оси частот. Поэтому для них чаще всего пользуются полулогарифмическим масштабом.

Фазо-частотная характеристика представляет собой зависимость угла сдвига фазы между выходным и входным напряжениями от частоты входного сигнала. (рис. 1.3).

Рис.1.3. Фазо-частотная характеристика усилителя

В ряде случаев для наглядности строят раздельно фазовые характеристики для области низких и области высоких рабочих частот усилителя. Фазовые сдвиги в усилителях обусловлены наличием реактивных элементов и инерционными свойствами полупроводниковых приборов. Из приведенного рис. 1.3 видно, что в области средних частот, на которых можно пренебречь влиянием реактивных элементов, присутствующих в схеме усилителя, фазочастотная характеристика линейна.

Амплитудно-фазовая характеристика — это построенная в полярной системе координат зависимость коэффициента усиления и фазового сдвига усилителя от частоты (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Амплитудно-фазовая характеристика усилителя

Она объединяет в себе амплитудночастотную и фазочастотную характеристики усилителя. Для построения этой характеристики определяют коэффициент усиления и фазу выходного напряжения в функции частоты. Каждой частоте соответствует на плоскости точка в полярных координатах. При непрерывном изменении частоты от 0 до  в полярной системе координат строится кривая, которая и называется амплитудно-фазовой характеристикой. Амплитудно-фазовая характеристика используется для определения устойчивости усилителей с обратной связью. Так, в соответствии с критерием Найквиста, усилитель с замкнутой цепью обратной связи устойчив, если амплитудно-фазовая характеристика вектора коэффициента разомкнутой петли обратной связи не охватывает точку (1, j0 ) и не проходит через нее.

Переходная характеристика (см. рис. 1.5) используется при анализе импульcных усилителей.

Рис. 1.5. Переходная характеристика усилителя

Данная характеристика представляет собой зависимость мгновенного значения выходного напряжения или тока от времени при действии на входе единичного скачка напряжения или тока. Переходная характеристика дает представление о прохождении сигналов сложной формы через усилитель. Так, при усилении импульсного сигнала прямоугольной формы, происходит увеличение длительности фронта импульса и снижении его вершины. Указанные изменения формы сигнала вызваны происходящими в схеме усилителя переходными процессами.

Экспериментально переходную характеристику усилителя можно получить на экране осциллографа, если подать на его вход прямоугольный импульс напряжения определенной длительности, а выход усилителя подключить к осциллографу.