Лекции / Ответы

При выполнении на какой либо частоте условия (2) в усилителе возникают колебания, не зависящие от наличия сигнала на входе. Появление этих колебаний обусловлено тем, что энергия с выхода, поступающая по цепям ОС на вход, компенсирует потери сигнала в цепях и в усилителе устанавливаются стационарные автоколебания при любом, даже очень небольшом воздействии(например, от флуктуаций теплового шума источника сигнала, шумов усилительных элементов, флуктуаций напряжения источника питания и т.п.). Собственные колебания в усилителе либо сильно искажают полезный сигнал, либо значительно ухудшают основные технические показатели усилителя, либо (наиболее часто) просто подавляют полезный сигнал. Поэтому возникновение генерации(автоколебаний) в усилителе недопустимо. Все паразитные ОС, вызывающие самовозбуждение усилителя, должны быть устранены, и поэтому будем считать при последующем анализе, что они отсутствуют.

Для улучшения технических показателей в усилители вводят, как правило, отрицательную ОС (ООС). Все усилительные каскады на краях рабочего диапазона частот и особенно за его пределами создают фазовые сдвиги, которые определяют фазовые сдвиги петлевого усилителя. Дополнительные фазовые сдвиги, например, могут возникать в транзисторах, трансформаторах, цепях ОС. В результате вводимая ОС, которая в рабочем диапазоне частот являются отрицательной, за его пределами может превратиться в положительную. Это приведет к самовозбуждению усилителя, если для какой-либо частоты будут выполняться условия (2). Поэтому анализ и обеспечение устойчивости усилителя являются одной из важнейших задач при проектировании усилителей с ОС.

Очевидно, что усилитель будет устойчивым, если условия (2) не выполнятся ни на одной частоте. Эти условия непосредственно вытекают из критерия устойчивости систем с ОС, предположенного Найквистом. Критерий Найквиста является более общим, чем условия (2), наиболее удобным для электронных усилителей и наиболее близким к условию к условию (2). С его помощью сравнительно легко определить устойчивость, проводить ее экспериментальную оценку, определять пути ее обеспечения.

Математический анализ критерия Найквиста довольно сложен. Применительно к усилителям он может быть сформулирован следующим образом: усилитель, устойчивый при разомкнутой петле ОС, будет устойчивым и при замкнутой петле ОС, если годограф (годографом называют кривую, по которой проходит на комплексной плоскости конец вектора Т при изменении f от нуля до бесконечности) вектора петлевого усилителя Т не охватывает точку с координатами -1;0 при изменении частоты от нуля до бесконечности. Таким образом, годограф одновременно учитывает зависимость от частоты модуля и аргумента Т. Наряду с годографом широко пользуется частотным методом оценки устойчивости, который является разновидностью критерия Найквиста. По этому методу совместно рассматривают раздельно построенные логарифмическую АЧХ (ЛАЧХ) и ФЧХ усилителя, а иногда для отдельных видов усилителей только ЛАЧХ. В последнем случае ФЧХ приближенно аппроксимируют, используя связь ФЧХ с АЧХ. Показатели усилителя изменяются и при его эксплуатации, и от экземпляра к экземпляру (из-за производственного разброса параметров элементов и в ходе технологического цикла изготовления интегральных усилителей). Отсюда меняются в некоторых пределах АЧХ и ФЧХ, а следовательно, и годограф усилителя. Для надежного обеспечения устойчивости годограф вектора Т должен проходить на некотором расстоянии от критической точки —1; 0. Поэтому вводят запасы устойчивости х по модулю Т и по аргументу . Запас по модулю х = -20 lg Т, где Т — модуль Т на

частоте, для которой == ±pi или = 180° - . Запасом по фазе называют угол, дополняющий до pi на частоте, при которой Т = 1 или Т = х. При анализе устойчивости усилителей с ОС обычно принимают запас по модулю хдБ = 3n, а

запас по фазе = 10°п, где п — число каскадов в усилителе. При этом рассматриваются частоты, в среднем на две декады (в 100 раз) превышающие граничные частоты рабочего диапазона усилителя.

12. Цепи питания усилительных элементов.

Чтобы получить необходимые технические параметры или характеристики усилителя, выбирают и обеспечивают положение точки покоя по какой-либо характеристике. Обычно по сквозной или проходной.

Однако, со временем, положение т. Покоя на характеристиках не остаѐтся постоянной. Еѐ нестабильность обычно оценивают о нестабильности тока выходного электрода усилительного элемента.

Нестабильность положения т. Покоя приводит к изменению параметров усилительного элемента => всего усилителя в целом. С целью предотвращения искажения сигнала тепловой неустойчивости и нестабильности параметров усилителя принимают спец. меры для стабилизации положения точки покоя усилительного элемента. Существуют стабилизированные и нестабилизированные цепи питания.

схема 1 Эта схема с фиксированным током базы. Однако еѐ можно применять в узком диапазоне температур и при

индивидуальной подборке R базы.

схема 2 Эта схема с фиксированным напряжением База-Эммитер.

Ток коллектора оказывается более стабильным, но при этом имеет место большое энергопотребление.

Для улучшения стабилизации тока коллектора в точке покоя, при питании биполярного транзистора от одного источника постоянного тока, широко используют с отрицательной обратной связью (ООС) по постоянному току.

Схема с коллекторной стабилизацией:

схема 3 В этой схеме действует параллельная ООС по напряжению для постоянного тока.

Схема с эмиттерной стабилизацией:

схема 4 В этой схеме действует последовательная ООС по току, которая существенно стабилизирует выходной ток коллектора.

Механизм стабилизации тока коллектора в точке покоя за счѐт ОС состоит в следующем:

При росте температуры растѐт и ток коллектора, т.к. ток эмиттера равен сумме токов коллектора и базы. И это приводит к росту напряжения на сопротивлении эмиттера Rэ.

Обычно UR2 = Iд R2=const, где Iд – ток делителя.

Поэтому рост напряжения на сопротивлении эмиттера Rэ сопровождается спадом напряжения на сопротивлении базы Rб. Это и препятствует росту току коллектора.

Очевидно, что чем больше Rэ, тем сильнее действие ООС, т.е. больше еѐ глубина и стабильнее ток коллектора. Недостаток схемы – повышение потребления тока и ухудшение КПД каскада при высокой стабильности. Поэтому часто применяют следующую, комбинированную схему стабилизации. Она часто получается автоматически при использовании в цепях питания многофункциональных цепочек Сф и Rф. Здесь образуется 2 петли ООС:

1– за счѐт Rэ, последовательная по току.

2– за счѐт Rф и R1, параллельная по напряжению.

Так же стабилизация осуществляется с помощью генератора стабильного тока (ГСТ) В нѐм осуществляется стабилизация тока коллектора в т. покоя не только с помощью ООС в одном каскаде, но и с использованием межкаскадной ООС по постоянному току:

(схема 2, фото номер 20)

В ней 3 ветви ООС по постоянному току:

1 – местная, последовательная по току за счѐт Rэ1

2 – местная, последовательная по току за счѐт Rэ2

3 – параллельная ООС по току, обусловленное Rсвяааааааази Механизм работы схемы:

Uбэ2 действует между базой и эмиттером 2-го транзистора и имеет такую полярность, что его рост открывает транзистор VT1, а уменьшение – закрывает.

Если из-за роста температуры Ik2 возрастает, то это приводит к росту URэ2. VT1 открывается, IК1 увеличивается, URэ1 уменьшается => UБЭ2 уменьшается.

В результате IБ2 ,будет уменьшаться, препятствуя росту IК2.

13. Нестабилизированные и стабилизированные цепи смещения. Стабилизация режима работы транзисторов с помощью ООС.

Нестабилизированная – цепь, которая обеспечивает требуемое напряжение смещения и его полярность. 1.Схема со смещенным фиксированным током базы.

Rб выбирают во много раз больше,

Чем R, через который течет ток Iко.

Iб0 = (Е-Uбэ0)/Rб ; E>>Uбэ0 , следовательно Iб0= Е/Rб – не зависит от параметров транзистора. Так как Iб0 и Uбэ0 связаны между собой, то для обеспечения требуемого смещения нужно правильно выбирать значение Е и Rб. 2.Схема со смещенным фиксированным напряжением Uбэ0.

Uбэ0 обеспем. с полож. Делит. Напряжения R1 и R2

Iэ0 = Iк0 + Iб0

Iдл :

E = Iдл* R1 + Iдл*R2+Iб0*R1 Iдл >> Iб0

Iдл = E/(R1+R2) следовательно Uбэ0 = Iдл*R2 = Е *(R2/(R1+R2))

Где Iдл – ток делителя.

Чем больше ток делителя по сравнению с Iб0 тем меньше Uбэ0 зависит от параметров транзистора. Причины нестабильности:

Статические характеристики тр-в могут отличаться, т.к. : технологический разброс параметров, сильная зависимость от температуры Iк0 = h21э (Iб0 + Iкб0), h21э - статический коэф усиления по току в схеме с общим эмиттером. Iкб0 – обратный ток кол-ра (ток нн).

Стабилизированные – цепи, которые обеспечивают требуемое напряжение смещения, его полярность, но помимо этого удерживают положительные точки покоя в необхимых пределах при воздействии дестабилизирующих факторов. 1.Цепь смещения с ООС.

Сущ. 2 вида: эмиттерной и колекторной стабилизации. Цепь колекторной стабилизации:

При таком включении ввод. ООС которая снимает с транзистора (кол-ра). На R1 не все Uип, а раз-ть: U(R1)=E-Ur-Uбэ0

Ur=(Ik0+Iб0)*R следовательно Iб0=(E-Uбэ0)/(R1+R)

Если Ik0 увелич. То Ur увелич При U=E=const, U(R1) уменьш, Iб0 уменьшается, что приводит к Iк0 уменьш. Преимущество:

1)простота и экономичность. Недостатки:

1)увелич. Е (требуеться), Ik0*R >= 0.5 E (нормал работа схемы) Е=Uкэо+(Iб0+Ik0)*R следовательно при увелич R будет увелич Е.

2) наличие нежелательной ООС по переменному току через R1 уменьш. Zвх и усил-е каскада. Схема с эммитерной стабилизации:

Стабилизация обеспечивается за счет Rэ по пост току, при этом на Rэ выделяется Uос стабилизирующее положение рабочей точки.

14.стабилизация режима работы транзисторов в многокаскадных усилителях с непосредственной связью. Явление дрейфа нуля.

15. Генераторы стабильного тока и напряжения и их использование для стабилизации токов покоя транзистора. Так же стабилизация осуществляется с помощью генератора стабильного тока (ГСТ).

В нем осуществляется стабилизация Iк в точке покоя с помощью не только ООС в одном каскаде но и с использованием межкаскадной ООС по постоянному току :

Вней действует три петли ООС по постоянному току: 1) местная последовательная по току за счет Rэ1. 2)Местная последовательная по току за счет Rэ2

3)Параллельная ООС по току, обусловаленная резистором 2 связи. Механизм работы схемы:

- Uбэ2 действует между базой и эммитером 2-го транзистора VT2 и имеет такую полярность, что увеличение Urэ2 открывает первый тр-р VT1 , а уменьшение – закрывает.

- Если из за увеличения температуры ik2 возрастает это приводит к увеличениям Urэ2, VT1 открывается , ik1 увелич, Urэ1 понижается следовательно Uбэ2. В результате Iб2 будет уменьшаться препятствуя возрастанию ik2. Генераторы стабильного напряжения

Всхемотехнике аналоговых ИС широко применяют генераторы стабильного напряжения (ГСН) – двухполюсники, падение напряжения на которых слабо зависит от протекающего тока. Простейший ГСН – диод, через который протекает ток (от ГСТ или через сопротивление от ИП). В качестве диода обычно используют прямосмещенный эмиттерный переход Т, стабилизирующий напряжение на

уровне примерно 0,65 В. Для увеличения напряжения Uст стабилизации применяют последовательное соединение двух

Т в диодном включении либо схему рис. 4, а. В ней Uст UБЭ1 UБЭ2 1,3В (UБЭ1 , UБЭ2 – напряжения база – эмиттер Т). Иногда с целью повышения тока Т VT1 дополнительно вводят шунтирующее сопротивление R величиной несколько килоом, что уменьшает его дифференциальное сопротивление. Дальнейшее увеличение Uст достигают

цепями из трех (четырех) Т. Температурный коэффициент ст напряжения, стабилизируемого прямым включением диодов, является отрицательным.

Для получения малых значений Uст часто используют параллельное соединение делителя R1R2 и Т VT (рис. 4, б).

Здесь напряжение U БЭ и, значит, ток через сопротивление R2 стабильны. Приращение внешнего напряжения приложено к сопротивлению R1 и изменяет ток базы, влияющий на ток коллектора. Напряжение стабилизации

(пренебрегаем током базы) составляет Uст UБЭ(1 R1 R2 ). Варьируя значениями R1 и R2 , можно

регулировать величину Uст . Очевидно, в схеме Iст IК S Uст R2 ( R1 R2 ), где Iст ( Uст ) – приращение тока (напряжения) ГСН; S – крутизна последнего. Поэтому выходное сопротивление рассматриваемого

ГСН равно Rвых Uст Iст ( R1 R2 )( SR2 ) и составляет примерно 50…200 Ом.

Вместо диодов в ГСН часто применяют стабилитроны. Они имеют следующие недостатки: конечный набор значений Uст и большой допуск на них (кроме дорогих прецизионных стабилитронов); большой уровень шума; достаточно большое дифференциальное сопротивление; зависимость напряжения Uст от температуры (например, стабилитрон с

16.Требования, предъявляемые к каскадам предварительного усиления и особенности их анализа связанные с малым уровнем входного сигнала. Требования, предъявляемые к оконечным усилительным каскадам и особенности их анализа. Применимо для БТ с общим эмиттером для области нижних и средних частот в которых можно пренебречь индуктивностями выводов транзистора.

КПУ работают при значительно малых уровнях входных сигналов, при этом можно считать линейными рабочие участки ВАХ УЭ. Связь между мгновенными значениями тока и напряжения линейна, а параметры усилительного элемента считаю независимыми от приложенного напряжения и протекающих токов. Это дает основание применить для УЭ линейную эквивалентную схему состоящую из RLC элементов и генераторов тока и напряжения и основные показатели КПУ определять аналитически. Поскольку уровень сигнала на вход мал, нелинейные искажения малы и их обычно не учитывают.

Назначение ОК (оконечный каскад) – обеспечение требуемого уровня сигнала. Если нагрузка активная, то ОК должен обеспечивать заданную мощность, если реактивная, то заданный уровень напряжения.

Особенность:

1) Уровень входного сигнала большой, следовательно НИ (без понятия что это)

2) Усилительные элементы особенно мощные с высоким потреблением энергии (КПД низкое) Анализ

Высокий уровень сигнала в ОК приводит к тому, что параметры УЭ за период меняются в широких пределах, поэтому основные показатели ОК рассчитываются графическим методом с использованием ВАХ УЭ. Линейные искажения сигнала в ОК анализируются приблизительно так же, как и в КПУ при этом используется усредненные параметры УЭ

17.применение эквивалентных схем для анализа каскадов предварительного усиления. Модели усилительных элементов, используемые при этом анализе. Построение упрощенных эквивалентных схем БТ.

18. Резисторные апериодические каскады предварительного усиления, их принципиальные и эквивалентные схемы.

Из трех типов транзисторных каскадов для усиления напряжения пригодны два: каскад с общей базой и каскад с общим эмиттером. Каскад с общим коллектором может быть применен в многокаскадных системах, однако непосредственного усиления напряжения такой каскад не дает и выполняет вспомогательную роль.

Для усиления напряжения звуковых частот наиболее пригоден каскад с общим эмиттером, так как он имеет более высокое входное и более низкое выходное сопротивления по сравнению с каскадом с общей базой. Усилительный каскад

Выбор транзистора

Для резисторного каскада транзистор выбирают по трем параметрам: верхней граничной частоте f , величине тока покоя коллектора IK0, и наибольшему допустимому напряжению коллектора UКЭ доп.

Граничная частота передачи тока базы f должна более чем в 5 раз превышать заданную верхнюю частоту усилителя fв:

f 5 fв = 107 Гц.

Ток покоя коллектора выбирается из условия

IК доп > IК0 > 1.5 Iн,

где

Iн = Uн / Rн = 667 мкА.

Напряжение питания усилителя Ек должно быть выбрано исходя из значения наибольшего допустимого напряжения

коллектора, т.е. меньше 0.8 UКЭ доп.

Поставленным требованиям удовлетворяет транзистор КТ315Б. Его параметры:

–f = 250 Мгц

–IК доп = 100 мА >> 1.5 Iн = 1 мА

–UКЭ доп = 25 В. Зададимся ЕК = 12 В < 0.8UКЭ доп = 20 В

Через резистор R включенный в управляемый элктрод УЭ подаѐтся питающие напряжение, Сопротивление этого резистора в основном определяет нагрузку УЭ по постоянному току. Конденсаторы Ср1 и Ср2, называемые разделительными , развязывают по постоянному току Уэ данного каскада от УЭ следующего каскада. При наличии разделительных конденсаторов режимы работы УЭ каскадов оказываются независимыми. Разделительный конденсатор устраняет передачу от одного каскада к другому медленных изменений напряжений, обусловленных нестабильностью работы УЭ по постоянному току.

Резисторы R1, R2 и Rэ обеспечивают подачу смещения на базу биполярного транзистора, образуя цепь эмиттерной стабилизации его режима.

19. Коэффициенты усиления, амплитудно-частоные и переходные характеристики. Связь между соответствующими частотами и временными областями этих характеристик.

Коэффициент усиления или передачи напряжения усилителя – это отношение амплитудных или действующих значений выходного и входного напряжений.

ku Uвых Uвх

ku определяется в установившемся режиме при гармоническом входном сигнале. Коэффициент сквозной передачи:

kскв Uвых

Eг

Аналогично рассчитывается по току и мощности.

В связи с тем, что громкость слухового восприятия звукового сигнала пропорциональна логарифму его интенсивности, для сравнения мощностей двух колебаний введена логарифмическая единица, которая обозначается как [Бел] Коэффициент усиления мощности обычно выражается в более мелких единицах, которые обозначаются как [Децибел] Комплексный коэффициент усиления по напряжению.

Его модуль К называется коэффициентом усиления. Зависимость К от частоты называется «Амплитудно-частотной характеристикой» (АЧХ).