Учебное пособие 800596
.pdf
Никакой усилитель не дает один и тот же коэффициент усиления на всех частотах. Обычно коэффициент усиления любого усилителя начинает падать на высоких частотах, главным образом из-за его внутренней паразитной емкости. Когда коэффициент усиления слишком сильно меняется при изменении частоты сигнала, говорят, что усилитель имеет плохую частотную характеристику, т.е. имеет место частотное искажение, не связанное с нелинейными искажениями. Отрицательная обратная связь может скорректировать плохую частотную характеристику в пределах интервала частот , на котором К без ОС остается много большим, чем усиление с ОС, при этом усиление не зависит от частоты.
К |
ОС разомкнута |
|
|
|
||
105 |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
104 |
|
|
|
|
|
|
103 |
β = 0,001 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
102 |
β = 0,01 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10 |
β = 0,1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
f, Гц |
10 |
102 |
103 |
104 |
105 |
106 |
|
|
|
|
Рис. 2.34 |
|
||
На рис. 2.34 приведены частотные характеристики усилителей, т.е. зависимость К от частоты f при различных значениях коэффициента ОС .
Отрицательная обратная связь выравнивает частотную характеристику за счет общих потерь в усилении при ее введении, которые, однако, можно устранить и восстановить коэффициент усиления до величины порядка той, какая имеет место без ОС, путем соединения усилителей с ООС каскадно, т.е. один за другим.
Введение отрицательной обратной связи существенно влияет на величину входного и выходного сопротивлений усилителей. При последовательной ООС входное сопротивление усилителя определяется как Rвх.ос=Rвх(1+ К), где Rвх - входное сопротивление
143
без обратной связи, К - коэффициент усиления четырехполюсника без цепи ОС.
При параллельной ООС входная проводимость усилителя может быть оценена по формуле:
Yвх ос=Yвх+Yос(1+ К),
где Yвх - входная проводимость усилителя без ОС, а Yос- проводимость цепи ОС сопротивлением Rос. При последовательной ООС входное сопротивление увеличивается в (1+ К) раз, а при параллельной ООС входная проводимость увеличивается на (1+ К).
Выходное сопротивление в усилителе с ООС по напряжеможно определить как :
Rвых.ос= 1 Rвых K ,
где Rвых выходное сопротивление в усилителе без ООС.
Таким образом, введение ООС по напряжению уменьшает выходное сопротивление усилителя в (1+ К) раз.
Можно показать, что ООС по току увеличивает выходное сопротивление, ООС одновременно повышает стабильность работы усилителя и уменьшает все виды искажений.
2.2.3. Классы усиления
Режимы работы усилителей принято делить на следующие классы: А, В, АВ, С и D.
РЕЖИМ А. В режиме А обычно работают усилители, на вход которых поступают сигналы с малыми амплитудами. Рабочая точка (р.т.) находится высоко, т.е. ток покоя велик и при этом нет искажения и отсечки выходного тока Iвых (рис. 2.35).
144
Рис. 2.35
Режим А характеризуется невысоким КПД, т.к. постоянно потребляется мощность от источника питания. Усилитель можно считать маломощным линейным с углом отсечки 2Q=3600.
РЕЖИМ В.Режим В характеризуется более высоким КПД и применяется в мощных усилителях. Ток покоя равен нулю, угол отсечки 2Q=1800, при подаче на вход усилителя переменного сигнала, ток протекает в течение одного полупериода (рис. 2.36).
Рис. 2.36
В режиме В при отсутствии сигнала усилитель не потребляет мощности от источника питания. При наличии сигнала на входе потребляемая от источника мощность пропорциональна среднему значению выходного тока.
145
РЕЖИМ АВ.
Режимы В и АВ приводят к сильному искажению формы сигнала, поэтому они используются обычно в двухтактных усилителях, в которых уменьшение тока одного транзистора компенсируется увеличением тока другого. Режиму соответствует угол отсечки 1800 2Q 3600 (рис. 2.37). Ток покоя мал, но не равен нулю.
Рис. 2.37
Существенное уменьшение нелинейных искажений в двухтактных усилителях происходит в режиме АВ, близком к режиму В. Малые нелинейные искажения и экономичность послужили причиной широкого применения режима АВ в выходных каскадах даже при относительно малых уровнях выходной мощности.
РЕЖИМ С. Режим еще более экономичен, так как угол отсечки 2Q 1800 (рис. 2.38), но применяется только в случае, когда нелинейные искажения не играют существенной роли.
146
Рис. 2.38
РЕЖИМ D. Режим D используется в мощных усилителях, выполненных на маломощных усилительных элементах, режим работы которых связан с их поочередным открытием или закрытием. Их широкое использование ограничивается сложностью конструкции.
2.2.4. Усилительный каскад
Простейшим устройством, сохраняющим свойства усилителя, является усилительный каскад. Обычно усилитель состоит из нескольких каскадов усиления, связанных между собой.
Основным требованием, предъявляемым к усилительному каскаду, является воспроизведение формы входного сигнала на выходе устройства(схемы) при его минимальных нелинейных искажениях.
В состав усилительного каскада входит управляемый электропреобразовательный прибор (электронная лампа, параметрический прибор, транзистор, интегральная схема), параметры которого изменяются в зависимости от напряжения (тока), поступающего на его вход, и нагрузка.
147
Рис. 2.39
Наиболее распространены транзисторные каскады усиления. На рис. 2.39 изображена схема с общим эмиттером (ОЭ), так как эмиттер является общей точкой для входа и выхода схемы, усилительного каскада с транзистором типа n-p-n.
Входное напряжение (Uвх), которое необходимо усилить, подается от источника колебаний ИK. Источником прямого смещения на эмиттерном переходе является Е1. Выходная цепь каскада (цепь коллектора) питается от источника Е2. Для получения усиленного выходного напряжения в эту цепь включена нагрузка Rн.
Применяют три основные схемы включения биполярных транзисторов в усилительные или иные каскады (схемы ОЭ,ОБ и ОК).
На рис. 2.40 изображена схема с общим истоком(ОИ) усилительного каскада на полевом транзисторе с управляющим n-p- переходом.
Рис. 2.40
148
Аналогично, применяют три основные схемы включения полевых транзисторов в усилительные каскады (схемы ОИ,ОС,ОЗ). Принципы усиления колебаний во всех каскадах, например на биполярных транзисторах, одинаковы, но свойства схем различны.
Для удобства сравнения важнейшие параметры основных схем включения биполярных транзисторов сведены в табл.1, где Ki, Ku, Kp - коэффициенты усиления по току, напряжению, мощности, соответственно; Rвх и Rвых - входное и выходное сопротивления схемы.
|
|
|
Таблица 2 |
Параметры |
Схема ОЭ |
Схема ОБ |
Схема ОК |
Кi |
10-250 |
1 |
10-250 |
Ku |
50-2000 |
30-300 |
1 |
Kp |
500-5 105 |
30-300 |
10-250 |
Rвх |
150Ом-1,5кОм |
20 120ОМ |
10-500кОм |
Rвых |
10-100кОм |
1-1,5 МОМ |
10-100Ом |
Фазовый сдвиг |
|
|
|
между Uвых и Uвх |
1800 |
0 |
0 |
2.2.5. Физические процессы в усилительном каскаде
На рис. 2.41 изображена схема усилительного каскада с транзистором типа n-p-n.
Рис. 2.41
149
Установим соотношения между токами в транзисторе. Ток эмиттера управляется напряжением на эмиттерном переходе, но до коллектора доходит несколько меньший ток, который можно назвать управляемым коллекторным током iк.упр. Часть инжектированных из эмиттера в базу носителей рекомбинирует. Поэтому
iк.упр=αiэ,
где α – коэффициент передачи тока эмиттера, являющийся основным параметром транзистора; при нормальных токах может иметь значения от 0,950 до 0,998.
Чем слабее рекомбинация инжектированных носителей в базе, тем ближе α к 1. Через коллекторный переход всегда проходит очень небольшой (не более единиц микроампер) неуправляемый обратный ток iк0 (рис. 2.41), называемый еще начальным током коллектора. Он не управляем потому, что не проходит через эмиттерный переход. Таким образом, полный коллекторный ток
iк=αiэ+iк0.
Во многих случаях iк0«iэ и можно считать, что iк≈αiэ. Если надо измерить iк0, это делают при оборванном проводе эмиттера. Действительно, из формулы следует, что при iэ=0 ток iк=iк0.
Преобразуем выражение так чтобы выразить зависимость тока от iк от тока iб. Заменим iэ суммой iк+iб:
iк=α(iк+iб)+iк0.
Решим это уравнение относительно iк. Тогда получим
iк |
|
|
iб |
|
iк0 |
. |
|
1 |
1 |
||||||
|
|
|
|||||
Обозначим
|
и |
|
iк0 |
iк э0 |
|
1 |
1 |
||||
|
|
||||
150
и напишем окончательное выражение
iк=βiб+iк-э0
Здесь β-коэффициент передачи тока базы и состовляет несколько десятков. Наример, если α=0,95, то
|
|
|
0,95 |
|
0,96 |
19 , |
|
|
|
|
|
|
|
||
1 |
1 |
0,95 |
0,05 |
||||
|
|||||||
а если α=0,99, т.е. увеличился на 0,04, то
|
0,99 |
|
0,99 |
99, |
|
|
|
|
|
||
1 |
0,99 |
0,01 |
|||
|
|||||
т.е. β увеличился в 5 с лишним раз!
Таким образом, незначительные изменения α приводят к большим изменения β. Коэффициет β, так же как и α, относится к важным параметрам транзистора. Если известен β, то можно определить α по форуле
.
1
Следует заметить, что коэффицитент α не является строго постоянным. Он зависит от режима работы транзистора, в частности от тока эмиттера. При малых и больших токах α уменьшается, а при некотором среднем значении тока достигает максимума. В пределах рабочих значений тока эмиттера α изменяется сравнительно мало.
Коэффициент β изменяется в зависимсти от режима работы транзистора гораздо больше, нежели коэффициент α. При некотором среднем значении тока эмиттера коэффициент β максимален, а при меньших и больших токах он снижается, причем иногда в несколько раз.
Ток iк-э0 называют начальным сквозным током, так как он протекает сквозь весь транзистор (через три его области и через оба
151
n – p-перехода) в том случае, если iб=0, т.е. оборван провод базы. Действительно, из уравнения iк=βiб+iк-э0 при iб=0 получаем iк=iк-э0. Сквозной ток составляет десятки или сотни микроампер и значительно превосходит начальный ток коллектора iк0. Ток iк-э0=iк0/(1-α), и, зная, что α/(1-α)=β, нетрудно найти iк-э0=(β+1)iк0. А так как β»1, то
iк-э0≈βiк0.
Сравнительно большой ток iк-э0 объясняется тем, что некоторая часть напряжения Uк-э приложена к эмиттерному переходу в качестве прямого напряжения. В следствии этого возрастает ток эмиттера, а он в данном случае и является сквозным током.
При значительном повышении напряжения Uк-э ток iк-э0 резко возрастает и происходит электрический пробой. Следует отметить, что если напряжение Uк-э не слишком мало, при обрыве цепи базы иногда в транзисторе может наблюдаться быстрое, лавинообразное увеличение тока, приводящее к перегреву и выходу транзистора из строя (при условии, что в цепи коллектора нет резистора, ограничивающего возрастание тока). В этом случае происходит следующий процесс: часть напряжения Uк-э, действующая на коллекторном переходе, увеличивает ток iэ и равный ему ток iк, на коллекторный переход поступает больше носителей, его сопротивление и напряжение на нем уменьшается, и за счет этого возрастает напряжение на эмиттерном переходе, что приводит к еще большему увеличению тока, и т.д. Чтобы этого не произошло, при эксплуатации транзисторов запрещается разрывать цепь базы, если не выключено питание цепи коллектора. Надо также сначала включить питание цепи базы, а потом цепи коллектора, но не наоборот.
Если надо измерить ток iк-э0, то в цепь коллектора обязательно включают ограничительный резистор и производят измерение при разорванном проводе базы.
Работа усилительного каскада с транзистором происходит следующим образом. Изобразим коллекторную цепь в виде эквивалентной схемы (рис. 2.42). Напряжение источника Е2 делится между сопротивлением нагрузки Rн и внутренним сопротивлением транзистора r0, которое он оказывает постоянному току коллектора.
Это сопротивление приближенно равно сопротивлению коллекторного перехода rк0 для постоянного тока. В действительности к сопротивлению rк0 еще добавляются небольшие сопротивления эмиттерного перехода, а также n- и p-областей, но эти сопротивления можно не принимать во внимание.
152