Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электронные и микропроцессорные устройства. Учебное пособие
.pdf
второй элемент – буква, обозначающая подвид тиристора по коммутационным характеристикам: Ч – высокочастотный (быстровыключающийся) тиристор; Б – быстродействующий; И – импульсный;
третий элемент – цифра (от 1 до 9), обозначающая порядковый номер модификации;
четвертый элемент – цифра (от 1 до 9), обозначающая классификационный размер корпуса прибора;
пятый элемент – цифра (от 0 до 5), обозначающая конструктивное
исполнение (0 – без корпуса, 1 – штыревой
с гибким выводом, 2 –
штыревой с жестким выводом, 3 – таблеточный, 4 – под запрессовку,
5 – фланцевый);
шестой элемент – число, равное значению максимально допусти-
мого тока в открытом состоянии;
седьмой элемент – буква Х для приборов с обратной полярностью
(основание корпуса – катод);
восьмой элемент – число, обозначающее класс по повторяющемуся
импульсному напряжению в закрытом состоянии (класс, умноженный
на 100, определяет напряжение в вольтах);
девятый элемент – группа цифр, обозначающая сочетание классификационных параметров (dU/dt
, t
, t
кр
выкл
вкл
).
Пример: ТЛ171-320-10-6 – тиристор лавинный первой модифика-
ции, размер шестигранника «под ключ» 7 (41 мм – по справочнику),
исполнение – штыревое с гибким катодным выводом, максимально
допустимый средний ток в открытом состоянии 320 А, повторяющееся
импульсное напряжение в закрытом состоянии 1000 В, критическая
скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии (dU/dt
) 6, что
кр
по справочнику соответствует 500 В/мкс.
31
III. УСИЛИТЕЛИ
Усилитель – это устройство, предназначенное для усиления мощности (тока, напряжения) электрического сигнала.
Усиление мощности происходит за счет источника электрической
энергии, к которому подключен усилитель. Обычно усилители выполняют по многокаскадным схемам. Эти каскады подразделяются: на
каскады предварительного усиления мощности, предназначенные для
повышения уровня сигнала по напряжению, и выходные каскады – для
получения требуемого тока или мощности сигнала в нагрузке. Принцип построения главных цепей усилительных каскадов один и тот же.
Основные параметры усилительного каскада:
k
= U
U
k
= I
I
k
= P
P
R
вх
При расчете или выборе усилителя для конкретного случая предпочтение может отдаваться одному из параметров, но коэффициент
усиления по мощности всегда должен быть больше единицы. Для
справки: усилители на ИМС позволяют усиливать напряжения порядка
–13
10
В, токи – 10
Важнейшим показателем усилителя является его амплитудночастотная характеристика (АЧХ), отражающая зависимость модуля
коэффициента усиления по напряжению от частоты, при синусоидальном входном сигнале. В зависимости от диапазона частот, на которых
усилитель должен обеспечить требуемый коэффициент усиления, различают несколько типов усилителей. Усилители постоянного тока
(УПТ) обеспечивают требуемый коэффициент усиления
входного сигнала примерно 10
работают в диапазоне от 10 Гц до 20 кГц. Усилители высоких частот
предназначены для работы на частотах от 10 кГц до 10
полосные усилители (ШПУ) работают на частотах от 10 до 10
Узкополосные усилители (УПУ) усиливают выбранную частоту и
обеспечивают малую добротность. Это подразделение довольно
условное, но часто используемое, для того чтобы показать, для какого
диапазона частот рекомендуется применять данный усилитель.
/ Uвх – коэффициент усиления по напряжению;
вых
/ I
вых
, R
– коэффициент усиления по току;
вх
/ Pвх – коэффициент усиления по мощности;
вых
– входное и выходное сопротивления каскада.
вых
–17
А, мощности – 10
–24
Вт.
8
Гц. Усилители звуковых частот (УЗЧ)
до частоты
8
Гц. Широко-
8
Гц.
32
1. ОДНОКАСКАДНЫЕ УСИЛИТЕЛИ
1.1. Усилительный каскад с общим эмиттером
Рассмотрим наиболее часто встречающуюся схему усиления – каскад с общим эмиттером (ОЭ). «Схема с общим эмиттером» означает,
что эмиттер является общим для входного и выходного сигнала. Существует несколько вариантов выполнения этого каскада, связанных
главным образом с особенностями задания режима покоя. Работу каскада рассмотрим на примере (рис.18), получившем наибольшее рас
пространение при реализации на дискретных элементах.
Конденсатор С
тания в цепь источника сигнала и предотвращает шунтирование
входной цепи транзистора источником сигнала. В то же время этот
конденсатор не пропускает постоянную составляющую тока источника сигнала на вход транзистора. Нагрузка подсоединяется к коллектору транзистора и общей шине. Конденсатор С
цепь нагрузки постоянную составляющую тока коллектора. Тем самым конденсаторы С
каскады по постоянному току и исключают их взаимное влияние на
параметры режима покоя.
не пропускает постоянный ток от источника пи-
1
не пропускает в
2
, С2 разделяют последовательно включенные
1
-
Рис. 18. Каскад с ОЭ
Режим покоя
При отсутствии переменного входного сигнала в цепи коллектора
протекает постоянный ток, значение которого зависит от напряжения
источника питания (U
сопротивлений делителя в цепи базы транзистора (R
), сопротивления в цепи коллектора (Rк) и от
п
, R2). Этот режим
1
33
называется режимом покоя усилителя. Таким образом, режим покоя –
это режим работы каскада по постоянному току в отсутствие входного
сигнала. Резисторы R
местно с R
VT R
задают ток базы покоя. По главной цепи: +Еп Rк
э
«земля» протекает ток коллектора покоя.
э
В режиме холостого хода (ХХ) транзистора (R
, R2 задают потенциал базы в этом режиме и сов-
1
) ток коллек-
VT
тора равен нулю, а напряжение коллектор–эмиттер равно напряжению
питания.
В режиме КЗ транзистора (R
равно нулю, а ток коллектора определится по закону Ома: I
поскольку R
>> Rэ.
к
= 0) напряжение коллектор–эмиттер
VT
= Еп / Rк,
к
По двум точкам КЗ и ХХ строится линия нагрузки по постоянному
току. Совмещая линию нагрузки по постоянному току с выходными
характеристиками транзистора, получаем рабочую область транзистора в режиме покоя. Характерными точками на этом отрезке являются:
точка насыщения (т. Н) и точка отсечки (т. О). Режим насыщения характеризуется неизменностью
входного сигнала (I
). Режим отсечки наступает при закрытии транзи-
б
выходного тока (Iк) при увеличении
стора для силового тока (по переходу коллектор–эмиттер), но по переходу коллектор–база протекает ток утечки.
Температурная стабилизация режима покоя
При возрастании температуры в полупроводнике образуется большее число свободных носителей заряда. Это приводит к изменению
коллекторных характеристик, т. е. при том же токе базы в транзисторе
будет протекать больший коллекторный ток.
Изменение режима покоя, вызванное температурными изменениями параметров транзистора, может привести к нежелательным нелинейным искажениям выходного сигнала. Поэтому
стабилизация режима покоя. Стабилизирующее действие резистора в
эмиттерной цепи осуществляется за счет отрицательной обратной связи (ООС) по постоянному току.
Например, при увеличении тока коллектора увеличивается падение
напряжения на резисторе в цепи эмиттера (R
ние база–эмиттер покоя и уменьшает ток базы, а следовательно, и ток
коллектора.
Полной компенсации достичь не удается, но влияние температуры
снижается на несколько порядков.
в каскад вводится
), что снижает напряже-
э
34
На отрезке (ОН) транзистор работает в линейном режиме, т. е.
на линейном участке своих характеристик. В зависимости от положения точки покоя различают несколько режимов работы или классов
усиления.
Усиление сигнала в классе А
Данный класс усиления характеризуется выбором точки покоя на
середине линейного участка входной и переходной характеристики.
Значение входного напряжения должно быть таким, чтобы работа каскада происходила на линейном участке характеристик, т.е. транзистор
не должен входить в насыщение или закрываться. В этом случае нелинейные искажения минимальны. Благодаря этому класс А
применяется в усилителях. Недостаток: низкий КПД (<0.5) вследствие
больших потерь в усилителе. На рис. 19 изображены эпюры, поясняющие работу усилительного каскада в классе А.
широко
Рис. 19. Класс усиления А
При включении на входе источника синусоидального напряжения в
цепи базы возникает переменная составляющая тока базы, которая
приводит к возникновению переменной составляющей тока коллектора, что приводит к появлению переменного напряжения на нагрузке.
Причем напряжение на выходе каскада с ОЭ находится в противофазе
со входным напряжением.
35
Линия (НО) – линия нагрузки по переменному току. Общая точка с
линией нагрузки по постоянному току – точка покоя. Наклон линии
нагрузки по переменному току больше, чем линии нагрузки по постоянному току, так как выходное сопротивление каскада по переменному
току меньше, поскольку по переменному току резисторы R
и Rн вклю-
к
чены параллельно. Линию нагрузки по переменному току можно построить из отношения
U
/ Iк = Rк \\ Rн .
кэ
Из теории автоуправления известно, что введение отрицательной
обратной связи (ООС) снижает коэффициент усиления. Для исключения обратной связи по переменному току резистор в цепи эмиттера
(R
) шунтируют конденсатором (Сэ). Емкость конденсатора должна
э
быть достаточно большой, чтобы можно было пренебречь падением
напряжения от переменной составляющей. В связи с малым сопротивлением конденсатора переменному току эмиттер является общей
точкой для входного и выходного сигнала, что и обусловливает
название схемы.
Особенности каскада: входное сопротивление относительно мало
(от сотен ом до нескольких килоом
); выходное сопротивление больше
входного и определяется величиной сопротивления коллектора.
Усиление сигнала в классе В
Точку покоя в этом классе усиления выбирают в точке отсечки.
Переменные составляющие тока и напряжения возникают лишь в положительные полупериоды входного напряжения.
Нелинейные искажения достаточно велики. КПД схемы высок
(свыше 80 %). Режим В используется в двухтактных усилителях мощности, где каждый каскад усиливает одну полуволну входного напряжения. Соответствующие эпюры
приведены на рис. 20.
Усиление сигнала в классе АВ
Точку покоя выбирают между положением точек покоя в классах А
и В, но ближе к точке покоя класса В. Режим характерен меньшими
нелинейными искажениями по сравнению с классом В и большим КПД
относительно класса А. Используется, как и класс В, в двухтактных
усилителях, но в области малых напряжений входного сигнала усили
тель, работающий в этом классе, не дает искажений как в классе В.
36
-
Эпюры для этого режима предлагается построить самостоятельно по
аналогии с предыдущими режимами.
Рис. 20. Класс усиления В
Усиление сигнала в классе С
Точка покоя выбирается далеко за точкой отсечки, и ток в транзисторе возникает только при достаточно большой амплитуде положительного полупериода входного сигнала. КПД высок и приближается к
единице, но выходной сигнал сильно искажен. Применяется в избирательных усилителях и автогенераторах, а также в радиотехнических
устройствах.
Ключевой режим работы
Режим характерен тем, что транзистор может находиться лишь в
двух положениях: закрыт и полностью открыт. В этом режиме используется переход из точки отсечки (т. О) в точку насыщения (т. Н) при
действии входного сигнала большой амплитуды. Таким образом, ключ
замыкается, т. е. транзистор открывается. Обратный переход из т. Н
в
т. О аналогичен размыканию ключа, поскольку транзистор закры-
вается.
Качество транзисторного ключа определяется падением напряжения на транзисторе в замкнутом (открытом) состоянии и остаточным
током транзистора в выключенном (закрытом) состоянии.
37
При отпирании транзистора ток коллектора и напряжение коллектор–эмиттер изменяется не скачкообразно, а примерно по экспоненте с
постоянной времени, определяемой сопротивлением в цепи коллектора
и емкостью коллекторного перехода.
С приложением запирающего напряжения ток коллектора и напряжение коллектор–эмиттер в течение некоторого интервала остаются
неизменными, а транзистор открыт. Задержка в
запирании транзистора
вызвана тем, что транзистор находится в насыщении. Только после
рассасывания избыточных носителей и перехода транзистора в активный режим ток коллектора начинает уменьшаться, а напряжение коллектор–эмиттер – возрастать. Длительность интервала спада тока
определяет время заднего фронта.
Время нарастания тока (передний фронт), время рассасывания и
время спада тока (
задний фронт) характеризуют быстродействие транзисторного ключа. Оно зависит от частотных свойств используемого
транзистора и параметров импульса базового тока.
1.2. Усилительный каскад с общим коллектором
Коллектор транзистора в каскаде с общим коллектором (ОК) является общей точкой для входного и выходного сигнала через источник
постоянной ЭДС (рис. 21).
Эту схему можно рассматривать по аналогии с каскадом с ОЭ. Все
сказанное о режимах работы и классах усиления справедливо и для
этого усилительного каскада.
Рис. 21. Каскад с ОК
38
Резистор R1 задает режим покоя (совместно с Rэ). Причем для повышения входного сопротивления каскада резистор делителя R
ставят. С
, С2 – разделительные конденсаторы, как и в схеме с ОЭ. Ре-
1
не
2
зистор в цепи эмиттера в этом каскаде кроме функций, аналогичных
эмиттерному резистору схемы с ОЭ, выполняет функции коллекторного резистора схемы с ОЭ.
Особенности усилительного каскада с ОК. Во-первых, высокое
входное сопротивление, что дает преимущество при работе от источника
с высоким внутренним сопротивлением.
Во-вторых, коэффициент усиления по напряжению приближенно
равен единице (0,9…0,99). Это свойство используют, когда надо повысить мощность сигнала без усиления напряжения. В силу этого свойства, а также того, что каскад с ОК не инвертирует фазу входного
напряжения, данный каскад часто называют эмиттерным повторителем.
В-третьих, выходное
сопротивление каскада мало (10…50 Ом), что
удобно использовать при низкоомной нагрузке. Очень часто этот каскад
используют как выходной каскад многокаскадного усилителя, а также для
согласования высокоомных источников сигнала с низкоомной нагрузкой.
1.3. Усилительный каскад на составном транзисторе
Схема, изображенная на рис. 22, так называемая схема Дарлингтона,
является разновидностью каскада с ОК, но имеет больший коэффициент
усиления по току за счет двух последовательно включенных транзисторов. Общий коэффициент усиления по току равен произведению коэффициентов усиления по току каждого транзистора: k
ментов схемы и работа подобны схеме с ОК. Недостаток этого каскада –
сильная зависимость режима покоя от температуры.
= 12. Назначение эле-
I
Рис. 22. Схема Дарлингтона
39
1.4. Усилительный каскад с общей базой
Достоинством этого вида каскада являются выходные характеристики с большей, чем у схем с ОЭ и ОК, линейностью; транзистор может использоваться при большем коллекторном напряжении.
Недостатки: коэффициент усиления по току меньше единицы;
входное сопротивление – мало; выходное сопротивление относительно
велико. Вследствие этого каскад с общей базой (ОБ) применяют очень
редко (рис
Назначение элементов: R
. 23).
, Rб – задают режим покоя; через Сб, база
1
является общей точкой для входного и выходного сигнала; назначение
остальных элементов аналогично схеме с ОЭ.
Рис. 23. Каскад с ОБ
1.5. Усилительный каскад с общим истоком
Особенность каскадов на полевых транзисторах в том, что ПТ
управляется по входной цепи напряжением, а не током. Существенно
большее входное сопротивление является преимуществом по сравнению с усилительными каскадами на биполярных транзисторах.
Рис. 24. Каскад с ОИ
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]