Билет №1

1)

П о в т о р и т е л я м и н а п р я ж е н и я называют электронные усилители, у которых коэффициент усиления (передачи) близок к единице, а полярность, или фаза, выходного напряжения совпадает с полярностью, или фазой, входного напряжения. При Ku приблизительно =1 повторители напряжения имеют Ki много больше 1 и обладают значительным коэффициентом усиления мощности. Поэтому одним из назначений повторителей напряжения является их использование в качестве усилителей мощности.

Усилители мощности используют в выходных каскадах усилителей. Их основное назначение – передача заданной мощности в нагрузку. Коэффициент усиления напряжения является для усилителей мощности второстепенным параметром. Наиболее важными являются коэффициент усиления мощности, КПД, степень нелинейных искажений выходного сигнала. Как правило, коэффициент усиления напряжения выходных каскадов близок к единице. Усиление мощности достигается за счет усиления тока. Необходимость увеличения КПД обусловлена тем, что большая часть мощности источника питания потребляется выходными каскадами усилителя. Поэтому слишком большая мощность, рассеиваемая усилителем, может привести к перегреву транзисторов.

Существует несколько режимов работы усилителей, отличающихся положением рабочей точки на передаточной характеристике и обеспечивающих различные значения КПД. Различают три основных режима усилительных каскадов или классов усиления: А, В и С. Они отличаются коэффициентом полезного действия и уровнем нелинейных искажений.

Рассмотрим основные режимы работы усилителей на примере эмиттерного повторителя (рис. 4.4.1), который часто используют в качестве усилителя мощности. Во всех рассматриваемых случаях коллекторный переход смещен в обратном направлении. Режим усилителя зависит от того, как смещен эмиттерный переход в отсутствии входного сигнала.

Режим А

В этом режиме эмиттерный переход смещен так, что схема всегда функционирует на линейном участке передаточной характеристики, а транзистор никогда не переходит в режим насыщения. В схеме на рис. 4.4.1 напряжения   и   равны, и рабочая точка находится на линейном участке передаточной характеристики (рис. 4.4.2).

Рис. 4.4.1

Рис. 4.4.2

Полный размах напряжения выходного сигнала не превышает напряжения питания  . Например, если  , то и амплитуда выходного напряжения не может превышать 10 В. Если к тому же необходимо обеспечить минимальные искажения выходного сигнала, его размах ограничивают значениями, меньшими  .

Мощность, отдаваемая в нагрузку усилителем, работающим в режиме А

.

Здесь    – амплитуда выходного напряжения. Мощность, отдаваемая источником питания,

.

В последнем выражении учтено, что в схеме на рис. 4.4.1 используется расщепленный источник и  .

Коэффициент полезного действия равен отношению мощности, выделяемой в нагрузке, к мощности, отдаваемой источником питания:

.

Коэффициент полезного действия достигнет наибольшего значения, равного 25 %, когда амплитуда выходного напряжения максимальна, т. е.  . Поскольку для уменьшения нелинейных искажений амплитуду выходных напряжений ограничивают значениями, меньшими   , КПД усилителей, работающих в режиме А, оказывается еще меньше. Если в нагрузке выделяется максимальная мощность (при равенстве выходного сопротивления повторителя и сопротивления нагрузки),  а размах выходного напряжения равен половине  , то КПД равен всего лишь 6.25 %.

Низкий КПД в режиме А определяется тем, что постоянная составляющая тока через транзистор не зависит от входного сигнала. Поэтому мощность, потребляемая от источника в этом режиме, постоянна. Более того, мощность, рассеиваемая транзистором, максимальна при отсутствии входного сигнала. 

Поскольку коэффициент полезного действия усилителей, работающих в режиме А, невелик, их не используют в качестве усилителей мощности. Главное достоинство режима А состоит в малой величине искажений усиливаемого сигнала.

Режим в.

В этом режиме эмиттерный переход смещен так, что рабочая точка находится на границе области отсечки. Обратимся еще раз к схеме эмиттерного повторителя на рис. 4.4.1. Примем, что напряжение  . Передаточная характеристика, соответствующая этому случаю, показана на рис. 4.4.3.

Если входной сигнал отсутствует, эмиттерный переход смещен в обратном направлении и транзистор находится в состоянии отсечки. За счет этого снижается мощность, потребляемая от источника питания.

Когда входное напряжение положительно, эмиттерный переход отпирается и транзистор переходит в активный режим. Выходное напряжение повторяет форму положительной полуволны выходного напряжения. Во время отрицательной полуволны входного напряжения эмиттерный переход смещен в обратном направлении, транзистор находится в состоянии отсечки  и выходное напряжение равно нулю. Графики напряжений на входе и выходе повторителя, работающего в режиме В, показаны на рис. 4.4.4.

Рис. 4.4.3

Рис. 4.4.4

Режим В позволяет значительно увеличить КПД усилителя, поскольку при отсутствии входного сигнала ток транзистора равен нулю. Следовательно, равна нулю и мощность, потребляемая от источника. Однако  форма выходного сигнала при этом сильно искажена.

2) Каскады сдвига потенциальных уровней

Отказ от разделительных конденсаторов при соединении отдель­ных каскадов ИС требует применения элементов, обеспечивающих согласование выхода каскада со входом следующего каскада по величине (уров­ню) постоянного потенциала для сохра­нения работоспособности ИС. Выходной потенциал каскада зави­сит от выбора рабочей точки верхнего транзистора, а следовательно, от его коллекторного напряжения. Включение резисторных делителей для понижения потенциала приводит к настолько силь­ному снижению коэффициента усиления сигнала, что этот способ в ИС не на­ходит практического применения.

З адача согласования решается в случае исполь­зования комплементарных БТ (рис. 10.16). В этой схеме осуществ­ляется сдвиг (уменьшение) потенциала на величину  , т.е.  . Однако в полупроводниковых ИС изгото­вить в едином технологическом процессе высококачественные р-n-р-транзисторы не удается. Горизонтальные р-n-р-транзисторы, как правило, имеют низкий коэффициент передачи р (несколько еди­ниц) и плохие частотные свойства. Их применение оправдано толь­ко в эмиттерных повторителях, источниках стабильного тока и в ка­честве активной нагрузки, но не в качестве основных усилительных элементов. В полупроводниковых ИС проблема согласования реша­ется применением специальных каскадов сдвига уровня. Пр остейший каскад сдвига уровня показан на рис. 10.17,а. Он представляет собой эмиттерный повторитель на транзисторе  . Эмиттерная цепь состо­ит из резистора   и ис­точника стабильного то­ка, обеспечивающего по­стоянство тока  . В ка­честве ИСТ может быть использованы схемы, по­казанные на рис. 10.15. В схеме на рис. 10.17,a уровень постоянной со­ставляющей напряже­ния сдвинут на величину   по сравне­нию с ее значением на входе. Вследствие по­стоянства тока   уро­вень постоянной состав­ляющей на выходе прак­тически не изменяется. Каскад ослабляет переменный сигнал незначительно, так как динамическое (выходное) сопротивление источника тока значитель­но больше сопротивления  . Тем не менее следует заметить, что сопротивление   из условий согласования приходится выбирать достаточно большим, поэтому выходное сопротивление каскада оказывается значительным и при работе на низкоомную нагрузку бу­дет проявляться ослабление переменного сигнала. Для борьбы с этим явлением в схему вводится дополнительный эмиттерный пов­торитель, исключающий влияние низкоомной нагрузки. Задачу преобразования уровня может выполнить схема эмиттерного повторителя на составном транзисторе. В этом варианте сдвиг уровня увеличивается в 2 раза. Разницу между входным и выходным напряжениями по сравне­нию с падением напряжения на эмиттерном переходе можно увеличить также включением в цепь эмиттера одного или нескольких дио­дов, как показано на рис. 10.17,б. Для более точного согласования включается резистор  . Очевидно, что  . Так как в качестве диодов используются интегральные транзисторы в диодном включении, то   и  . Варьированием величин n,  ,   можно получить любое значение сдвига  .

БИЛЕТ2

1) Компаратор — электронная схема, принимающая на свои входы два аналоговых сигнала и выдающая логическую «1», если сигнал на прямом входе («+») больше чем на инверсном входе («−»), и логический «0», если сигнал на прямом входе меньше, чем на инверсном входе.

Одно напряжение сравнения двоичного компаратора делит весь диапазон входных напряжений на два поддиапазона. Двоичный логический сигнал (бит) на выходе двоичного компаратора указывает в каком из двух поддиапазонов находится входное напряжение.

Простейший компаратор представляет собой дифференциальный усилитель. Компаратор отличается от линейного операционного усилителя (ОУ) устройством и входного, и выходного каскадов:

• Входной каскад компаратора должен выдерживать широкий диапазон входных напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами, вплоть до размаха питающих напряжений, и быстро восстанавливаться при изменении знака этого напряжения.

• Выходной каскад компаратора выполняется совместимым по логическим уровням и токам с конкретным типом входов логических схем (технологий ТТЛ, ЭСЛ и т. п.). Возможны выходные каскады на одиночном транзисторе с открытым коллектором (совместимость с ТТЛ и КМОП логикой).

• Для формирования гистерезисной передаточной характеристики, компараторы часто охватывают положительной обратной связью. Эта мера позволяет избежать быстрых нежелательных переключений состояния выхода, обусловленном шумами во входном сигнале, при медленно изменяющемся входном сигнале.

При подаче эталонного напряжения сравнения на инвертирующий вход, входной сигнал подаётся на неинвертирующий вход и компаратор является неинвертирующим (повторителем, буфером).

При подаче эталонного напряжения сравнения на неинвертирующий вход, входной сигнал подаётся на инвертирующий вход и компаратор является инвертирующим (инвертором).

Несколько реже применяются компараторы на основе логических элементов, охваченных обратной связью (см., например, триггер Шмитта — не компаратор по своей природе, но устройство с очень схожей областью применения).

При математическом моделировании компаратора возникает проблема выходного напряжения компаратора при одинаковых напряжениях на обоих входах компаратора. В этой точке компаратор находится в состоянии неустойчивого равновесия. Проблему можно решить, если принять доопределение, что, в точке неустойчивого равновесия выходное напряжение компаратора остаётся в предыдущем состоянии.

Аналоговый компаратор на операционном усилителе

Схемы компараторов часто применяются для сравнения физических измерений, при условии, что эти физические переменные могут быть преобразованы в сигналы напряжения. 

2) При схеме включения биполярного транзистора с общим эмиттером (ОЭ) входной сигнал подаётся на базу, а снимается с коллектора. При этом выходной сигнал инвертируется относительно входного (для гармонического сигнала фаза выходного сигнала отличается от входного на 180°). Каскад усиливает и ток, и напряжение. Данное включение транзистора позволяет получить наибольшее усиление по мощности, поэтому наиболее распространено. Однако при такой схеме нелинейные искажения сигнала значительно больше. Кроме того, при данной схеме включения на характеристики усилителя значительное влияние оказывают внешние факторы, такие как напряжение питания, или температура окружающей среды. Обычно для компенсации этих факторов применяют отрицательную обратную связь, но она снижает коэффициент усиления.

Усилительный каскад по схеме с общим эмиттером на основе npn-транзистора (Схема с заземленным эмиттером)

Рассмотрим схему включения транзистора с общим эмиттером. Общий эмиттер ОЭ, подразумевает тот факт, что у входа данной схемы и выхода общий эмиттер.  Рассмотрим схему: в этой схеме два источника питания, первый 1.5 вольт, использован как входной сигнал для транзистора и всей схемы. Второй источник питания 4.5 вольт, его роль питание транзистора, и всей схемы. Элемент схемы Rн – это нагрузка транзистора. Проследим саму работу данной схемы: источник питания 1.5 вольт служит входным сигналом для транзистора, поступая на базу транзистора он открывает его. Если рассматривать полный цикл прохода тока базы, то это будет так: ток проходит от плюса к минусу, то есть исходя от источника питания 1.5 вольт, а именно с клеммы + ток проходит по общему эмиттеру проходя по базе и замыкает свою цепь на клемме – батареи 1.5 вольт. В момент прохождения тока по базе транзистор открыт, тем самым транзистор позволяет второму источнику питания 4.5 вольт запитать Rн. посмотрим прохождение тока от второго источника питания 4.5 вольт. При открывании транзистора входным током базы, с источника питания 4.5 вольт выходит ток по эмиттеру транзистора и выходит из коллектора прям на нагрузку Rн.  Коэффициент усиления равен отношению тока коллектора к току базы и обычно может достигать от десятков до нескольких сотен. Транзистор, включённый по схеме с общим эмиттером, теоретически может дать максимальное усиление сигнала по мощности, относительно других вариантов включения транзистора.