Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Промышленная электроника. Учебное пособие
.pdf
(20-30 процентов), ухо человека почти не замечает. Из-за нерав-
номерного усиления составляющих сложного сигнала в полосе
рабочих частот усилителя возникают частотные искажения.
Действительно, усилитель с частотной характеристикой (рису-
нок 13) сигналы с частотой ниже, чем нF и выше чем вF усиливает неодинаково по сравнению с сигналами какой- либо
средней частоты
F
ср
.
Рисунок 13 - Частотная характеристика усилителя
Частотные искажения оцениваются коэффициентом частотных искажений М, который представляет собой отношение
коэффициента усиления на средней частоте к коэффициенту
усиления на определяемой частоте:
K
M = .
ср
К
F
Коэффициент частотных искажений на верхней и нижней
граничных частотах одинаков и равен:
M
ср
К
К
F
ср
нв
K
ср
в
К
F
К
ср
К
К
ср
К
707,0707,0
ср
М
=====
.
н
Если усилитель состоит из нескольких каскадов и известны частотные искажения в каждом, то коэффициент частотных
искажений всего усилителя определяется из формулы:
-51-
= .
MMMMM ...
n
321
Чувствительностью усилителя называется тот минимальный сигнал, подаваемый на вход, при котором на выходе
усилителя создается выходное номинальное напряжение (мощность).
Выходное номинальное напряжение (мощность) - это наибольшее выходное напряжение (мощность), при котором искажения не превышают значений, оговоренных в технической документации.
Амплитудная характеристика.
Зависимость выходного напряжения усилителя от его
входного при неизменной частоте сигнала называется ампли-
тудной характеристикой (рисунок 14).
На амплитудной характеристике имеется три участка. В
нижней части она имеет изгиб, так как собственные шумы усилителя соизмеримы с амплитудой сигнала.
В средней части амплитудная характеристика линейна. Это
рабочий участок (АВ), при работе на нем не будет искажений
формы сигнала, будут минимальными линейные искажения.
-52-
Рисунок 14 - Амплитудная характеристика усилителя
В верхней части амплитудная характеристика транзистора
также имеет изгиб. Если амплитуда входного сигнала такова,
что работа усилителя идет на изогнутых участках, то в выходном сигнале появляются нелинейные искажения. Чем больше
нелинейность, тем сильнее искажается синусоидальное напряжение сигнала, т.е. на выходе усилителя появляются новые колебания (высшие гармоники), которых не было в сигнале. Степень нелинейных искажений оценивается величиной коэффициента нелинейных искажений:
...
PPP
+++
k
=
ни
32
P
1
n
100
,
где
21
PPP +++ ...
- сумма электрических мощностей, выделяе-
n
мая на нагрузке второй, третьей и т.д. гармониками, появившимися в результате нелинейности амплитудной характеристики.
Для многокаскадного усилителя общая величина
k...kkk ++=
21
.
.nнининиобщни
-53-
Принцип работы усилителя низкой частоты на транзисторах.
Рассмотрим работу усилительного каскада, выполненного
на транзисторе, включенного по схеме с общим эмиттером (рисунок 15).
Рисунок 15 - Усилительный каскад по схеме с общим эмиттером
При отсутствии входного сигнала 0=
ходится в режиме покоя и
U так же будет равно нулю (этот
вых
U усилитель на-
вх
режим называется статическим). При появлении сигнала вхU
усилитель будет работать в динамическом режиме, т.е. входной
сигнал будет усиливаться.
В режиме покоя конденсаторы С1 и С2 отделяют вход усилителя и его выход от предыдущего и последующего каскадов.
Если бы конденсаторов не было, то резисторы других каскадов
были бы подключены параллельно к резисторам усилителя и поэтому режим усилителя по постоянному току был бы нарушен.
Режим постоянного тока необходим для выбора рабочей
точки А (рисунок 14) так, чтобы не было нелинейных искажений
сигнала. При выборе рабочей точки пользуются входными и выходными характеристиками транзистора (рисунки 14, 16).
-54-
Рисунок 16 - Выходные характеристики транзистора
Рабочая область выходных характеристик ограничена линией NG - CD. При работе транзистора ток его коллектора не
должен превышать максимально допустимый (
I
). Линия
maxk
NG соответствует этому режиму.
Каждый транзистор способен рассеивать мощность на
коллекторе не выше максимально допустимой (
P
). Линия
maxk
GC ограничивает область допустимых мощностей рассеяния на
коллекторе. Транзистор работает при некотором вполне определенном напряжении между коллектором и эмиттером. При превышении этого напряжения транзистор выходит из строя. Линия
CD определяет область допустимых напряжений кэU .
Рабочую точку (А) на характеристиках следует выбирать
так, чтобы она находилась на середине линейных участков
входной и выходной характеристик, при этом нелинейные иска-
-55-
жения будут минимальные. Рабочая точка характеризуется то-
кА
к
к
к
к
к
−
ком коллектора
I
и напряжения
U
.
Акэ
Из схемы на рисунке 14 можно определить:
RIEU −= ,
ккккэ
которое является уравнением динамической характеристики
рассматриваемой схемы.
Динамическая характеристика в координатах
UI
, пред-
ставляет уравнение прямой линии, не проходящей через начало
координат.
Динамическую характеристику (линию нагрузки) легко
построить, зная две точки. Определим точку пересечения нагру-
зочной линии с осью кэU . Для этого приравняем 0
EUREU =−= ;0 (точка F).
ккэкккэ
Вторую точку пересечения прямой с осью
=
I
I
, тогда
найдем из
того, что при пересечении нагрузочной прямой с осью
E
пряжение
IRIEU =−== ;0;0 (точка К). Зная
к
ккккк
R
к
I
на-
эти две точки, строим нагрузочную линию KF. Уравнение
RIEU −= позволяет определить по двум известным ве-
ккккэ
личинам третью. Например, по известным напряжению источника питания и положению рабочей точки легко определить со-
UE
)(
противление нагрузи
R
= .
к
кэ
I
к
Рабочим участком нагрузки будет линия AB, т.к. на ней
изменения тока базы от точки А в обе стороны вызывают одинаковые изменения тока коллектора.
При неправильном выборе рабочей точки, т.е. если положительная и отрицательная амплитуды выходного сигнала неодинаковы, в усилителе возникают нелинейные искажения.
-56-
Если режим усилительного каскада выбран правильно, то
к
коэффициент нелинейных искажений не должен быть больше
пяти процентов.
Для создания режима покоя нужно в усилителе обеспечить
определенный ток смещения (ток базы), при котором рабочая
точка А находилась бы в середине нагрузочной прямой.
По входным характеристикам легко определить напряжение на базе транзистора. Для этого путем последовательного переноса точек выходной динамической характеристики строится
входная динамическая характеристика, по которой и определяются пределы изменения тока базы под воздействием входного
сигнала и соответствующие им точки коллектора.
Для получения необходимого смещения пользуются различными схемами. Схема, приведенная на рисунке 15, называет-
ся схемой фиксированным током базы бI .
В этой схеме ток базы проходит через резистор бR , который легко определить:
IRUE += ;
бббэк
==≈−= .
21
IEhIEIUER ///)(
какэбкБбэкб
В последнем выражении величиной бэU можно пренебречь, так как
E
>>бэU . Резистор бR получается очень боль-
шим (сотни тысяч Ом). При смене транзистора положение рабочей точки изменится из-за разброса параметров транзистора и
из-за влияния температуры окружающей среды. Поэтому эта
схема не получила широкого распространения.
-57-
а б
1
2
2
1
1
2
Рисунок 17 - Усилительный каскад по схеме с общей базой (а)
и общим коллектором (б)
Схема представленная на рисунке 17а называется схемой с
фиксированным напряжением смещения на базе. Напряжение
смещения снимается с резистора, входящего в делитель напря-
жения
R
,
R
. Ток делителя выбирается достаточно большим,
значительно больше тока базы в режиме покоя. Это необходимо
для того, чтобы температурные изменения токов эмиттера и
коллектора незначительно влияли на ток базы. Резисторы делителя определяются из формул:
)/()(
IIUER
+−=
',1 бдк
= ;
2
IUR /
дбэ
II )52( ÷= .
дд
;
Схема рисунка 17а менее экономична, чем схема рисунка 15, но стабильность режима работы ее выше. Из схемы ри-
сунка 17а видно, что ее резистор
R
подключен параллельно
входному сопротивлению транзистора вхR . Источник питания
всегда имеет малое внутреннее сопротивление, поэтому, пре-
небрегая им, можно считать, что резисторы
R
и вхR включены
между собой параллельно. Поэтому делитель
-58-
R
,
R
должен
иметь большое сопротивление (несколько кОм) и обеспечивать
⋅
к
−
−=−
выполнение условия:
RR
21
>>вхR .
RR
+
21
Температурная стабилизация режима работы транзи-
сторов.
Изменения температуры окружающей среды разброс характеристик транзисторов приводят к изменению положения рабочей точки на нагрузочной прямой. При этом резко возрастают
искажения. Для стабилизации тока коллектора очень часто применяется отрицательная обратная связь по постоянному току
или напряжению. На рисунке 17б приведена схема, где резистор
смещения подключен непосредственно к коллектору транзистора. Если по каким-либо причинам ток коллектора увеличился,
рабочая точка переместится по нагрузочной кривой вверх. Это
вызовет возрастание падения напряжения на резисторе
R
, что
приведет к снижению напряжения коллектор - эмиттер и, соответственно к снижению кбU .Ток базы уменьшится:
U
I
кб
б
==
R
б
UU
бэкэ
R
б
URIE
бэккк
R
б
,
а при уменьшении тока базы рабочая точка смещается вниз по
нагрузочной прямой, в свое прежнее положение. В этой схеме
часть напряжения усиленного сигнала через резистор смещения
Rб поступает на базу — вход транзистора находится в противо-
фазе с входным напряжением сигнала. Это означает, что в схеме
рисунка 17б действует отрицательная обратная связь по напряжению. Такая стабилизация рабочей точки получила название
коллекторной.
-59-
а б
1
2
2
R
2
1
2
2
R
Рисунок 18 - Схемы со стабилизацией рабочей точки с делителем
напряжения (а) и терморезистором (б)
В схеме рисунка 18а стабилизация наиболее эффективна.
Стабилизация рабочей точки по постоянному току в этой схеме
осуществляется применением делителя напряжения
R . Напряжение, управляющее током коллектора, состоит из
3
R
,
R
и
двух напряжений, включенных встречно. Одно из них - прямое
фиксированное напряжение
U
, снимаемое с резистора
R
делителя
R
,
R
, а другое - напряжение на резисторе от тока
эмиттера эI . Если при изменении температуры увеличится ток
коллектора, то увеличится и падение напряжения на эR от тока
эмиттера, так как
III += . Напряжение же
кбэ
U
остается
постоянным. Напряжение между базой и эмиттером бэU
уменьшится:
бэ
UUU −=
. Это вызывает уменьшение тока
R
R
2
э
базы и тока коллектора. Рабочая точка вернется в начальное положение. К резистору эR подключается параллельно конденса-
тор эС большой емкости. Величина емкости конденсатора выбирается так, что бы реактивное сопротивление конденсатора на
самой низшей частоте усиливаемых частот были бы значительно
меньше сопротивления резистора эR :
-60-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]