Мороз_Электротехника

44

2.10.2.Графоаналитический анализ работы каскада на биполярном транзисторе с общим эмиттером (ОЭ)

Пренебрегаем влиянием вспомогательных элементов( RЭ ,СЭ , R1, R2 ). Расчет нелинейной цепи (определение IK ,URK ,UK для различных Iб , RK ) выполняем графически. Для этого на семействе выходных характеристик проводим ВАХ

Этот график называют статической линией нагрузки и строят по двум точкам:

За счет смещения базы (резисторами R1,R2 ) обеспечивают оптимальные значения Uбп, Iбп , чтобы рабочая точка покоя А находилась на середине

линейного участка переходной характеристики, которая строится по точкам пересечения линии нагрузки с выходными характеристиками. При подаче на вход U ВХ ток Iб будет изменяться, иметь переменную составляющую.

Одновременно будут изменяться эмиттерный и коллекторный токи транзистора. Перенеся изменения iK на линию нагрузки, получаем U ВЫХ . Благодаря тому, что

значительно больше U ВХ .

44

45

Рис.2.50. Характеристики усилителей с ОЭ

Рис.2.51. Схема усилителей в динамическом режиме

Схема замещения каскада в h-параметрах:

Рис.2.52. Схема замещения усилителя Уравнения для входной и выходной цепей :

Решая совместно эти два уравнения ,получим:

45

46

строится по двум точкам:

Таким образом, из принципа работы р -n перехода видно, что при приложении к нему прямого напряжения через него протекает прямой ток I ПР , величина которого пропорциональна концентрации основных носителей; при приложении напряжения обратной полярности - обратный ток , величина которого пропорциональна кон-

46

47

центрации неосновных носителей. Вследствие этого , т.е. р -nпереход обладает практически односторонней проводимостью.

Вольт - амперная характеристика электронно-дырочного перехода

описывается уравнением:

gU

Где I - ток через переход; IОБР обратный ток;g-заряд электрона.

Одним из распространенных методов получения электронно-дырочных переходов является сплавление.

Полупроводниковые диоды используются для выпрямления, детектирования,

переключения, модуляции, генерации и усиления электрических сигналов и для других целей. Выпрямительные диоды в настоящее время изготавливаются преимущественно из германия и кремния.

47

48

U 2 ВЫХ ..m.

PВЫХ 2RH .(2.68)

Рис.2.53. ВАХ усилителя

2.10.3.Амплитудная, амплитудно – частотная и фазочастотная характеристики каскада ОЭ

Если изменения UВХ ,iб ,iK укладываются в линейные участки переходной и входной характеристик, то форма U ВЫХ соответствует форме U ВХ .

Недостаток усилителей на биполярных транзисторах с ОЭ – низкое RВХ и высокое RВЫХ , что создает трудности при работе каскада с высокоомным источником и низкоомной нагрузкой.

2.10.4 .Температурная стабилизация

Недостаток усилителей - зависимость параметров транзисторов от температуры. Цепь RЭ СЭ уменьшает влияние температуры на режим. RЭ создает отрицательную обратную связь по постоянному току : с ростом температуры увеличиваются IK , IЭ , увеличивается RЭ IЭ и уменьшается UбЭ UR2 RЭIЭ ,

48

49

привело бы к уменьшению UбЭ и к снижению коэффициента усиления KU . Явление уменьшения усиливаемого напряжения называют отрицательной обратной связью. Для ослабления отрицательной ОС включают CЭ , чтобы

XСЭ RЭ , тогда падение напряжения на RЭ СЭ незначительно и UбЭ UВХ ).

1)Усиление сигнала связано с некоторыми отклонениями формы выходного сигнала от формы входного , т.е. усилитель вносит искажения. Зависимость величины выходного напряжения от входного определяют по

амплитудной характеристике, обозначающей динамический диапазон усилителя. При малых U ВХ min и больших UВХ max значениях входного напряжения характеристика отклоняется от прямолинейной. Рабочим сигналом является диапазон от UВХ. min до UВХ. max .(рис.2.54,а)

2)Амплитудно-частотная характеристика – это зависимость модуля коэффициента усиления от частоты тока пропускаемого сигнала K f ( f ) или K f ( ) . Если

бы не было искажения, то эта характеристика представляла бы прямую линию, т.е. одинаково усиливались бы сигналы с частотой от 0 до . Диапазон частот усилителя , в пределах которого он обеспечивает заданное значение К , называют полосой пропускания. Существует нижняя fНЧ и верхняя

fВЧ границы частот. Например полоса

пропускания звуковых частот находится в пределах 50÷10000 Гц и обеспечивает хорошее качество звучания. В телефонной связи используется диапазон частот 300÷3400Гц. Те Рис.2.54,а. Характеристики каскадов ОЭ усилителя

частоты, которые находятся за пределами диапазона приводят к частотным искажениям сигнала, которые определяются коэффициентом частотных искажений М:

MKСР .Ч , если М=1,то искажений нет.

К

3)Фазочастотная характеристика - это зависимость угла сдвига фазы между выходным и входным напряжениями усилителя от частоты f сигнала f ( f ) и

f ( ).

Пунктиром показана ФЧХ усилителя без фазовых искажений. В усилителях звуковых частот фазовые искажения не играют существенного значения, т.к. не воспринимаются на слух при прослушивании речи или музыки. В импульсных усилителях

фазовые искажения влияют на форму усиливаемых сигналов. Рис.2.54,б. Характеристики каскадов ОЭ усилителя

2.10.5. Понятие о многокаскадных усилителях напряжения

Когда для получения заданного KU

недостаточно одного каскада , применяют

49

50

многокаскадные усилители, для которых KU KU1 KU 2 KUn . Наиболее широко применяют усилители с резистивно – емкостной связью. Полоса пропускания АЧХ с увеличением числа каскадов уменьшается. Многокаскадные усилители выполняют в интегральном исполнении без конденсаторов. ИМС имеют специальные выходы для подключения конденсаторов. Реже применяют трансформаторную связь между каскадами.

Рис.2.55. Схема усилителя напряжения

В цепь стока включен резистор RC за счет которого осуществляется усиление сигнала.

Резистор RИ обеспечивает необходимое напряжение смещения между затвором (З) и

истоком (И) в режиме покоя. Резистор RЗ

обеспечивает равенство потенциалов

затвора и общей точки в режиме покоя, и Рис.2.56. Схема усилителя на полевых транзисторах

потенциал затвора будет ниже потенциала истока. При подаче U входа в канале появляются переменные токи iИ , iC (iИ iC ) . Резистор RИ образует

отрицательную обратную связь и приводит к снижению KU , поэтому параллельно RИ включают конденсатор CИ .

Анализ работы проводят графически с помощью стоковых характеристик. Преимущества каскадов на полевых транзисторах:

(Для биполярных RВХ от нескольких сотен Ом до нескольких Ком, RВХ RВЫХ ).

2.10.7. Режим работы усилительных каскадов

В зависимости от положения рабочей точки в режиме покоя и величины U ВХ различают 3 режима: А, В, С (режимы усиления) (рис.2.57).

Режим А - характеризуется тем , что рабочая точка находится на линейном участке переходной и выходной характеристик , величина U ВХ обеспечивает

работу только на линейном участке. Режим А используется в усилителях напряжения. Недостатокнизкий КПД, который определяется отношением выходной мощности к мощности, потребляемой усилителем от источника питания:

50

Рис.2.57,а. Характеристики режимов

усилителей Режим С – рабочая точка выбирается за точкой отсечки при отрицательном

смещении на базе, и ток в транзисторе возникает только в течение некоторой части положительного полупериода U ВХОДА . Каскад имеет большие искажения, но

высокий КПД. Используется режим С в выходных каскадах большой мощности PВЫХ 100 Вт, предназначенных для поддержания незатухающих колебаний в резонансных контурах.

Рис.2.57,б. Характеристики режимов усилителей

16.4.Транзисторы

Транзистором называют трехэлектродный полупроводниковый прибор,

имеющий два взаимодействующих р -n перехода. В транзисторе чередуются три области полупроводника. В зависимости от порядка чередования областей различают р-n- р и n-

р-n-транзисторы.

По принципу действия различают транзисторы, в которых используется инжекция носителей заряда через р -n переход (бездрейфовые и дрейфовые) и транзисторы без инжекции (полевые). Инжекционные транзисторы называются биполярными, т.к. в

процессе переноса тока участвуют два вида носителей заряда - основные и неосновные,

а полевые называются униполярными, т.к. они работают только с основными носителями.

Полевые транзисторы по типу управления делятся на транзисторы с р-n

переходом и с изолированным затвором. В бездрейфовых транзисторах неосновные носители переносятся через базовую область посредством диффузии, в то время как в

51

52

дрейфовых - посредством дрейфа носителей под действием внутреннего электрического поля в базе. В полевых транзисторах поток основных носителей заряда дрейфует вдоль ускоряющего электрического поля в управляемом канале.

По конструкции современные транзисторы выполняются плоскостными .

По методу получения р-n перехода их можно классифицировать на: сплавные,

диффузионные, микросплавные, меза, эпитаксальные, планарные, конверсионные.

16.5.Биполярный транзистор

Биполярный транзистор представляет собой электронный прибор, основой которого служит кристалл полупроводника трехслойной структуры. Крайние слои с одинаковым типом электропроводности называют эмиттером и коллектором /Э и К/,

средний слой с противоположным типом электропроводности - база. Все три области имеют выводы. В зависимости от типа электропроводности различают транзисторов типа р-n-р и n-р-n . Структурные схемы ,их условные обозначения с указанием положительных токов и напряжений приведены

германиевых диодов получают путем вплавления индия в германий n –типа. При получении переходов кремниевых диодов осуществляют вплавление алюминия либо золота с сурьмой в кремний р – типа. Электронно – дырочные переводы кремниевых диодов получают также путем диффузии бора в кристалл n -типа.

Достоинством германиевых выпрямительных диодов 1) высокий КПД 98-99 %

;2)малое падение напряжения в прямом направлении ; 3)плотность выпрямленного тока составляет величину примерно 10 6 А/м 2 .Рабочий диапазон температур -60 +75 °С.

Преимущества кремниевых диодов перед германиевыми являются :1) меньшая величина обратного тока; 2) более высокие предельные обратные напряжения; 3)большая

52

53

величина плотности выпрямленного тока (до 2 106 А/м 2 ); 4) более высокая рабочая температура (до +125 °С ).

Недостатком кремниевых диодов является большое, примерно в два раза по сравнению с германиевыми, прямое падение напряжения.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются :

1)Номинальный прямой ток I ПР - допустимое среднее значение прямого тока в однофазной схеме однополупериодного выпрямления;

2)Прямое падение напряжения на диоде при заданном значении прямого тока

- U ПР ;

3)Допустимое обратное напряжение UОБР. max ;

4)Обратный ток IОБР - -величина обратного тока при допустимом обратном напряжении;

2.10.8. Усилители мощности

Усилитель мощности обеспечивает усиление мощности выходного сигнала, всегда является выходным каскадом. Он должен развивать максимальную мощность Pmax в нагрузке. Для этого необходимо согласовать Rвых усилителя с RH. Согласование осуществляет понижающий трансформатор Т, чтобы выходное сопротивление каскада равнялось сопротивлению нагрузки:

усилитель мощности работает в режиме А. Используется на малые мощности (

53