Тема 6 Усилители (у)

Назначение – увеличение мощности электрических сигналов за счет энергии источников постоянного тока.

Основные параметры и характеристики усилителя

Эквивалентная схема усилителя

Любой источник сигнала можно заменить эквивалентным генератором (ГС) с ЭДС e_гс и внутренним сопротивлением R_ГС

u_вх, u_вых, i_вх, i_вых – входные и выходные напряжения и токи

R_ВХ, R_ВЫХ – входное и выходное сопротивления

e_вых – выходная ЭДС усилителя

Основные параметры:

1. Коэффициенты усиления

по напряжению – К_U = u_вых / u_вх

по току – К_I = i_вых / i_вх

по мощности – К_P = p_вых / p_вх = К_U К_I

2. Входное сопротивление R_ВХ – определяет реальный входной сигнал

если R_вх << R_гс то u_вх << e_гс

если R_вх >> R_гс то u_вх  e_гс

3. Выходное сопротивление R_ВЫХ – определяет реальный выходной сигнал

если R_вых >> R_н то u_вых << e_вых

если R_вых << R_н то u_вых  e_вых

Следовательно, хороший усилитель должен иметь большое R_вх и малое R_вых, точнее R_вх >> R_гс, а R_вых << R_н

4. Коэффициент нелинейных искажений К_НИ (%) (коэффициент гармоник К_Г – учитывает нелинейные искажения (НИ) – искажения формы сигнала в процессе усиления.

5. Динамический диапазон D (см. АХ).

6. Полоса пропускания – f (см. АЧХ).

Характеристики:

1. Амплитудная характеристика (АХ) – зависимость выходного напряжения от входного u_вых = f (u_вх)

Динамический диапазон D = u_{вх max} / u_{вх min} = u_{вых max} / u_{вых min} – диапазон изменения u_вх, в котором шумы и нелинейные искажения не превышают допустимых значений.

2. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) – зависимость коэффициента усиления от частоты К_f = F (f) при постоянном Uвх

Полоса пропускания – f = f_В – f_Н – диапазон частот, в пределах которого К_U уменьшается не более чем в 2 раз.

Принцип действия биполярных транзисторов (бпт)

Биполярные – т.к. используются полупроводники (п/п) двух типов:

n-типа – с электронной проводимостью Θ

p-типа – с дырочной проводимостью 

Структура БПТ – два p-n перехода, возникающие на границе раздела п/п с различным типом проводимости.

Э – эмиттер Б – база К – коллектор

p-n переход

1 2 3

1. Из-за диффузии и рекомбинации электронов и дырок на p-n переходе возникает двойной электрический слой, т.е. – потенциальный барьер. Электрическое поле этого слоя Е_СЛ препятствует движению основных носителей через переход, т.е. переход самозакрывается.

2. Если поле внешнего источника Е_ИСТ совпадает по направлению с Е_СЛ, источник еще больше закрывает переход – тока нет.

3. Если Е_ИСТ направлено навстречу Е_СЛ, то переход приоткрывается и часть носителей, энергия которых больше барьера, проходит через переход, течет ток основных носителей, величина которого зависит от Е_ИСТ, т.е. от управляющего напряжения на переходе.

Принцип действия бпт в схеме с общей базой (об)

Без внешних источников – оба перехода закрыты за счет Е_СЛ.

На переходе база – коллектор (П_БК) Е_ПБК = Е_СЛ + Е_{ИСТ БК} => П_БК – еще больше закрыт для основных носителей (  в К и Θ в Б ).

На переходе эмиттер – база (П_ЭБ) Е_ПЭБ = Е_СЛ – Е_{ИСТ ЭБ} т.е. П_БК – приоткрыт, часть дырок, энергия которых больше барьера, может пройти через П_ЭБ в базу, создавая ток эмиттера I_Э. В базе часть дырок  рекомбинирует с электронами Θ создавая ток базы I_Б, но база тонкая, концентрация Θ мала, поэтому мала вероятность рекомендации и основная часть дырок, через открытый для них П_БК попадает в коллектор, создавая ток коллектора I_К

I_Э = I_Б + I_К I_Б << I_Э => I_К = I_Э – I_Б  I_Э

Принцип усиления: Если на управляющий переход П_ЭБ подать переменный сигнал u_вх, то напряжение на управляющем переходе будет изменяться => будет изменяться высота барьера => будут меняться токи I_Э, I_Б и I_К  I_Э. Если к цепь коллектора включить резистор R_К, то изменяющийся I_К создаст на нем переменное падение напряжения, т.е. переменный выходной сигнал u_вых. При достаточно большом R_К, u_вых> u_вх, – т.е. получим усиление по напряжению.

В схеме с ОБ к_U > 1; к_I < 1.

Схема усилителя с общим эмиттером (ОЭ). Назначение элементов схемы.

Назначение элементов схемы:

Е_К – ЭДС постоянного источника питания.

R_K – на этом резисторе при изменении I_K создается переменное падение напряжение, т.е. усиленный выходной сигнал.

R_Б – через этот резистор на управляющий переход П_ЭБ от E_K подается постоянное напряжение U_БЭ0, которое приоткрывает переход. Изменяя R_Б можно изменить U_БЭ0, т.е. режим покоя БПТ. Обычно переход полуоткрыт, в этом случае можно получить без искажений максимальный выходной сигнал.

С_Р1 и С_Р2 – разделительные конденсаторы, пропускают только переменный сигнал и не пропускают постоянный. С_Р1 не пропускает постоянное напряжение со входа на управляющий переход П_ЭБ (чтобы не изменялся режим покоя БПТ), а С_Р2 – с коллектора БПТ в нагрузку.

Работа схемы:

Без сигнала U_БЭ0 приоткрывает управляющий переход П_ЭБ и текут токи покоя I_Э0 и I_К0  I_Э0.

Если есть входной сигнал, то u_вх складывается с U_БЭ0, => U_БЭ = U_БЭ0 + u_вх – изм., => изм. высота барьера => изм. токи I_Э, I_Б и I_К  I_Э => изм. u_Rk = I_КR_K => изм. u_вых = U_K = Е_К – I_КR_K Переменная составляющая через С_Р2 подается в нагрузку.

Если u_вх  то П_Эб приоткрывается =>  I_Э, I_Б и I_К  I_Э => u_Rk = I_КR_K  => U_K = u_вых = (Е_К – u_Rk)  – т.е. при  u_вх, u_вых  => в схеме с ОЭ выходной сигнал в противофазе с входным, т.е ОЭ переворачивает фазу усиливаемого сигнала на 180⁰.

Основные параметры:

+ К_U >>1; К_I >>1; К_Р >>1

– сравнительно малое R_ВХ и большое R_ВЫХ