28. Транзисторлардағы күшейткіш құрылғылар. Күшейткіштердің жіктелінуі, негізгі параметрлері және сипаттамалары.

Әр түрлі технологиялық қондырғыларда өнеркәсіпттік электрониканың элементтік құраушы бөлігі болып табылатын күшейткіштер кеңінен қолданылады. Күшейткіштер деп кірмесіне әлсіз электрлік сигнал беру арқылы шықпасында оны өзгерту заңдылығын қайталайтын және одан әлдеқайда қуатты сигнал алуға болатын құрылғыларды айтады. Күшейтетін параметріне қарайтын күшейткіштер кернеулік, токтық және қуаттық болып бөлінеді. Өте әлсіз сигналдарды күшейту үшін бірнеше күшейткіштік сатыдан тұратын күшейткіштер қолданылады. Бір сатылы күшейткіш күшейткіштік каскад деп аталынады. Қазіргі кернеулік күшейткіштер кернеуі 10^-7В әлсіз сигналдарды күшейтуге мүмкіндік береді.

Күшешткіштердің негізгі параметрлеріне токты, кернеуді және қуатты күшейту коэффициенттері мен кірмелік және шықпалық кедергілері, ал негізгі сипатамаларына күшейту коэффициенттерінің амплитудадан және жиіліктен тәуелділіктері жатады.

Транзисторлардың үш түрлі жалғану сұлбасына сәйкесті биполяр транзисторлы күшейткіштердің де үш түрлі сұлбасы болады. Олар параметрлерінің көрсеткіштеріне қарай қолданылады.

Транзистордың эмиттері ортақ жалғану схемасының жиі қолданылатындығы және оның басқа жалғану схемаларына қарағанда арттықшылықтары айтылғанды. Енді осы схемаға құрылған эмиттері ортақ каскадтың жұмысын қарастыралық.

Сурет 8.1 - Эмиттері ортақ күшейткіштік каскадтың схемасы

8.1-суретте эмиттері ортақ күшейткіш каскадтың қарапайым сұлбасы келтірілген. Мұндағы R_к резисторы коллектор тізбегінің жүгі де, ал R_б резисторы транзистордың базасына қорек көзінен кернеу беріп, кірмек сигнал жоқ кезде де оны ашық күйде ұстау үшін керек. Конденсатор С₁ қорек көзінен сигнал көзіне тұрақты токты өткізбейді және транзистордың кірмесін сигнал көзімен қысқа тұйыталудан сақтайды. Жүктемені (R_ж) бір үшы С₂ конденсаторы арқылы коллектормен жалғанады да, ал екінші ұшы кірмелік және шықпалық тізбектердің ортақ нүктесімен қосылады. С₂ конденсаторы жүктеме тізбегіне коллектор тогының айнымалы құраушысын ғана өткізу үшін керек.

Кірмелік сигнал жоқ кезде коллектор тізбегімен I_ко тогы жүреді. Бұл токтың шамасы көрек көзінің ЭҚК-не, R_к резисторының кедергісіне және базаның тогына I_бо байланысты анықталады. Қөрек көзі Е_к, резистор R_к және коллектор –эмиттер өнбойында Кирхгофтың екінші заңы бойынша

I_ко R_к+ U_ко= Е_к

мұндағы U_ко-коллектор мен эмиттердің арасындағы кернеу

Кірмелік сигнал жоқ кездегі күшейткіш каскадтың жұмыс әлпі тыныш әлпі деп аталлады. Каскадтың тыныш әлпіндегі электрлік күйіндегі теңдеуі (Е_к,О) және (О,Е_к/R_к) нүктелері арқылы өтетін түзудің теңдеуі болып табылады. Бұл түзуді тұрақты ток бойынша жүргізілген жүктемелік түзу деп атайды.

29. Күшейткіштер класы. Жұмыс істеу нүктесін қалыптандыру (стабилизациялау) әдістері. Коллекторлы және эмиттерлі қалыптандыру сұлбалары

Жалпы алғанда, күшейткіштерде кірмелік сигнал жоқ кезде жүкетемеде токтың болмауы, ал жүктемеде ток пайда болған кезде оның шамасының кірмелік сигналдың шамасына пропортционал болуы шарт. Жоғарыда қарастырылған күшейткіштің каскадтардың электрлік сұлбаларында кірмелік сигналдың С₁ конденсаторы арқылы, ал шықпалық сигналдың С₂ конденсаторы арқылы өтуі керек. Конденсатордың кедергісі жиіліктен тәүелді екені белгілі. Олай болса төменгі жиіліктерде сигналдардың шамасы да және пішіні де өзгеріске ұшырайды. Сондықтан құрамына конденсатор кіретін күшейткіштер тұрақты токты күшейту үшін жарамайды.

Сурет 8.1 - Тұрақты ток күшейткішінің сұлбасы

Қарапайым тұрақты ток күшейткішінің электрлік сұлбасы 9.1-суретте келтірілген. Сұлбаның транзисторы және R_б1, R_б2, R_э, R_к резисторларын қамтитын бөлігі кәдімгі эмиттер ортақ күшейткіштік каскад. Кірмелік сигнал R₁, R₂, R_б1, R_б2 резисторларынан тұратын көпірлі тізбектің диагоналына (АВ) беріледі де, ал шықпалық сигнал R_к, R_э, R₃, R₄ резисторларынан тұратын көпірдің диагоналына жалғанған жүктемеге (R_ж) беріледі. Кірмелік тізбектегі R₁, R₂ резисторларының кедергілері кірмелік сигнал жоқ кезде базаның потенциалы φ_Б мен А нүктесінің потенциалы φ_А тең болатындай етіп, ал шықпалық тізбектегі R₃, R₄ резисторларының кедергілері коллектордың потенциалы φ_К мен В нүктесінің потенциалы φ_В тең болатындай етіп алынады. Осы шарттар орындалған кезде кірмеде және жүктемеде ток болмайды, яғни:

φ_А= φ_Б, φ_К= φ_В, I_кр=0, I_ж=0

Ал кірмелік сигнал пайда болган кезде бұл шарттар бұзылады да жүктемемен ток жүре бастайды.

Бұл келтірілген сұлбаның кемшілігі кірмелік сигнал мен жүктеме нолдік потенциалды нүктемен қосылмайды (ортақ нүктесі жоқ) және төменгі жиіліктерде тыныштық нүктесінің ығысу кернеуі мен кірмелік сигнал шамалас болады.

Сондықтан көбіне осы кемшіліктері жоқ, бірақ екі корек көзінен коректендірілетін диффиренциалдық каскад деп аталатын күшейткіштік каскад (8.2 сурет) қолданылады. Мұнда транзисторлар VT1, VT2 және резисторлар R_k1, R_k2 көпірлі тізбек құрайды. Оның бір диагоналына жүктеме R_ж жалғанса, екінші диагоналына Е₁, Е₂ қорек көздері жалғанады. Ал R_k1, R_k2 резисторларының кедергілері тең болуы керек те, VT1, VT2 транзисторларының параметрлерінің бірдей болуы шарт. Ендеше кірмелік сигнал жоқ кезде жүктемеде ток болмау үшін R реттемелі резисторының көмегімен көпірлі тізбекті теңгеру керек: U_ш= U_k2- U_k1=0.

Сурет 8.2 – Симметриялы дифференциалдық каскадтың схемасы

Транзисторлардың бірдейлігі температура өзгерген кезде параметрлерінің бірін-бірі теңгеретіндігінен тыныштық нүктесінің өзгермей қалуын қамтамасыз етеді.

Кірмелік сигналды транзисторлардың базаларына кезекпен беруге немесе қатарынан екі базаға екі сигнал беруге болады. Егер бір сигнал ғана берілсе, онда екінші транзистордың кірмесі қысқа тұйықталған болуы керек. Мысалы, сигнал VT1 транзисторының кірмесіне берілген екен делік, ал VT2 транзисторының кірмесі қысқа тұйықталған, яғни U_kр2=0. кірмелік сигналдың әсерінен базаның тогы өзгереді: яғни U_k2- U_kр1>0, онда ∆I_б1<0. коллектордың тогы өседі де, R_k1 резисторындакернеудің өсуі себепті U_k1<0. Әдетте R_э резисторының кедергісі транзистордың кедергіснен әлдеқайда үлкен болады. Сондықтан және қорек көзінің ЭҚК-і тұрақты болатындықтан эмиттерлік токтардың қосындысы да тұрақты деп санауға болады, яғни I_э1+ I_э2=const. Ендеше ∆I_э2=-∆ I_э1, ∆I_б2= -∆ I_б1, ∆I_к2=-∆ I_э1, ∆U_к2=-∆ I_к1, ал жүктемедегі шықпалық кернеу U_ш=∆U_к2- ∆U_к1>0. Бұдан VT1 транзисторының кірмесіне берілген сигнал оң мәнді болса, шықпалық сигналдың да оң мәнді болатынын көреміз, яғни кірмелік сигнал тұрақты болса оның таңбасы сақталады, ал айнымалы болса фазалсы сақталады. Мұндай кірмені тура кірме немесе төңкермейтін (фаза төңкермейтін) кірме деп атайды.

Кірмелік сигнал VT2 транзисторының кірмесіне берілді және U_kр2>0 делік, ал U_kр1=0. мұнда U_k1>0 да, ал U_k2=0. Сондықтан жүктемедегі кернеу U_ш=∆U_к2- ∆U_к1<0. Демек VT2 транзисторының кірмесіне оң мәнді кернеу берсе, дифференциалдық каскадтың шықпасында теріс мәнді кернеу алынады. Бұл егер осы кірмеге айнымалы кернеу берілсе, онда шықпадағы кернеудің фазасының оған қарама-қарсы болатынын көрсетеді. Мұндай кірмені қарсы кірме немесе төңкергіш (фаза төңкергіш) кірме деп атайды.

30. Күшейткіштердегі кері байланыстар.

31. Теріс және оң кері байланыстар.

32. Теріс кері байланыс тізбегінің күшейту құрылғысының негізгі сипаттамаларына әсері.

33. Апериодикалық және кеңжолақтық күшейткіштер. Эмиттерлі және истокті қайталағыштар.

Транзистордың шықпалық сипаттамасы мен жүктемелік түзуді бір кординаттар жүйесінде тұрғызып (сурет 10.1), базалық токтың әртүрлі мәндеріне сәйкесті коллекторлық кернеу мен коллекторлық токтың мәндерін табуға болады.

Транзистордың тыныш әлпіндегі базалық токты, яғни

,

мәні (О нүктесі) шықпалық сипаттамалар жиынтығының және сипаттаманың қанығу үрдісіне сәйкесті бөлігінің ортасында жататындай етіп таңдап алады. Бұл нүктені тыныштық нүктесі деп атайды.

Сурет 10.1 - Күшейткіштік каскадта сигналдың күшею үрдісін түсіндіретін графиктер

Егер күшейткіш каскадтың кірмесіне (база-эмиттер) синусоидал кернеу U_кр берсе (сурет 10.1,а), онда база мен эмиттердің арасындағы кернеу берілген синусоидал кернеу мен тыныш әлпіндегі базаның тұрақты кернеуінің алгебралық қосындысына тең болады:

U_б= u_кр+ U_бо

Осы кернеу тудыратын базаның тогы да оның синусоидал құраушысы мен тыныш әлпіндегі тогының алгебралық қосындысының тең болады, яғни:

I_б= i_б+ І_бо

Бұл токтың транзистордың кірмелік сипатамасын пайдалана отырып тұрғызылған графигі (сурет 10.1,б), келтірілген. Базаның тогы синусоидалы заңдылықпен өзгеріп, коллектордың тогының да синусоидалы өзгерісін туғызады. Ал коллектордың тогының синусоидалы өзгеруі салдарынан коллектордың кернеуі де синусоидалы өзгеріп отырады. Коллектордың кернеуінің графигін тұрғызу үшін коллектордың тогының базаның тогынан тәуелділік графигін тұрғызу керек. Бұл тәуелділік, яғни I_к=f(I_б) ауыспалық сипаттама деп аталады (сурет 10.1,в).

Осы ауыспалық сипаттама мен шықпалық сипаттамадағы жүктеме сызығын пайдалана отырып (сурет 10.1,г), коллектордың кернеуінің графигі алынады (сурет 10.1, д).

Коллектордың тогы өскен сайын R_к резисторында кернеудің түсуі артады да, коллектордың кернеуі кемиді және керісінше. Сондықтан кірмелік кернеудің оң мәнінде коллектордың кернеуі теріс мән қабылдайды, яғни кірмелік кернеу мен шықпалық кернеудің фазалық қарама-қарсы болады. Мұндай каскадты фаза төңкергіш каскад деп атайды. Графиктен көрініп тұрғандай, коллектордың кернеуі де синусоидал болады. Ал сандық шамасы жағынан синусоидал құраушысына тыныш әлпіндегі кернеуі қосылатындықтан кірмелік кернеуге қарағанда әлдеқайда үлкен болады. Каскадтың осы әлпіндегі коллекторлық кернеу:

U_к = Е_к - I_ко - i_к R_к

Сонымен, күшейткіш каскадтың кірмесіне кішкене кернеу беріп, оның шықпасында көрек көзі тудыратын және берілген кернеудің заңдылығымен өзгеріп отыратын одан әлдеқайда үлкен кернеу алуға болады.

Жоғарыда шала өткізгішті аспаптардың параметрлерінің температураға өте сезімталдығы айтылған болатын. Егер температураға жоғарыласа базаның тогы өседі де, ал базаның тогының өсуі коллектордың тогының өсуін тудырады. Сондықтан тыныштық нүктесі жүктемелік түзудің бойымен жоғары көтеріледі де (сурет 10.1,г), шықпалық кернеудің теріс мәнді жарты толқынының пішіні бұзылады, яғни шықпалық кернеудің пішіні күшейткішке берілген кернеудің пішінін қайталамайды. Егер температура төмендесе, онда база мен коллектордың тогы азаяды да тыныштық нүктесі жүктемелік түзудің бойымен төмен қарай ығысады. Бұл шықпалық кернеудің оң мәнді жарты толқынының пішінінің бұзылуына әкеліп соғады. Ендеше температура өзгергенімен тыныштық нүктесі өз орнын сақтайтындай, яғни күшейткіш каскадтың тыныш әлпін тұрақтандыратын шаралар қолдану керек. Ол үшін әдетте эмиттерге бірізді етіп резистор (R_э) жалғанады (сурет 10.2).

Егер коллектордың тогы көбейсе, онда R_э резисторында кернеудің түсуі де көбейеді. Бұл эмиттердің потенциалы ортақ нүктенің потенциалына қарағанда жоғарылады деген сөз. Ал осы ортақ нүктеге қарағанда базаның потенциалы R₂ резисторындағы кернеудің түсуімен анықталатын тұрақты шама болғандықтан, R_э резисторындағы кернеудің түсуі база мен эмиттердің арасындағы кернеуді (U_б) азайтады. Базаның кернеуінің азаюы оның тогын азайтады, ал базаның тогы азайса, онда коллектордың тогының да азаятындығы белгілі. Ендеше тыныштық нүктесі жүктемелік түзудің бойымен өзінің бұрынғы орнына (төмен қарай) ығысады.

Сурет 10.2 – Температулаық тұрақтандырылған күшейткіштік каскадтың сұлбасы

Базаның потенциалына эмиттердің тогының синусоидал құраушысының әсерін болдырмау үшін R_э резисторына параллель С_э конденсаторын жалғайды. С_э конденсаторының сыйымдылығы R_э резисторының тогында синусоидал құраушы ток жоқ деп есептейтіндей үлкен болуы керек, яғни С_э конденсаторларының кедергісі R_э резисторының кедергісінен әлдеқайда аз болуы керек.

Эмиттері ортақ күшейткіш каскадтың кернеуді К_u, токты К₁ және қуатты К_р күшейту коэффициенттерін төмендегі өрнектерден жуықтап табуға болады.

Жоғарыда эмиттер тізбегінің кернеуі арқылы, яғни шықпалық кернеудің өзгеруі арқылы базаның кернеуіне әсер етіп, яғни кірмелік кернеуге әсер етіп тыныштық нүктесін тұрақтандырылады. Бұлайша күшейткіштің шықпалық параметрлерінен кірмелік параметрлеріне сигнал беру кері байланыс деп аталады. Кері байланыс тізбегі арқылы кірмеге берілген сигнал кірмелік сигналмен не қосылып оны күшейтеді де, не одан шегеріліп оны әлсіретеді (азайтады). Егер кері байланыс кірмелік сигналды азайтатын болса, онда ол теріс кері байланыс деп аталады. Қарастырылып отырған сұлбада кері байланыс теріс кері байланыс болып табылады, өткені ол базаның кернеуін азайтқан болатын. Кері байланыс кірмелік кернеуді әлсіреткенімен шықпалық кернеуді тұрақтандырады және ол кірмелік кернеудің пішінің сақтайтын болады. Егер кері байланыс кірмелік кернеуді күшейтетін болса, онда ол оң кері байланыс деп аталады Оң кері байланыс тыныштық нүктесінің ығысуына, ал оның салдарынан шықпалық кернеудің пішінінің бұзылуына әкеліп соғады. Сондықтан күшейткіштік каскадтарда негізінен теріс кері байланыс қана қолданылады.