Раздел 3. Электронные и импульсные устройства.

Усилители переменного напряжения; температурная стабилизация усилительного каскада; обратные связи в усилителях (пз); основные параметры.

Операционные усилители (ОУ); АЧХ ОУ; базовые схемы включения операционных усилителей; компараторы на ОУ.

Генераторы гармонических колебаний. Ключевой режим работы транзистора; параметры одиночного прямоугольного импульса и импульсной последовательности.

Генераторы прямоугольных импульсов (мультивибраторы).

Силовые транзисторные ключи MOSFETиIGBT.

Лекция 5.Усилители переменного напряжения; температурная стабилизация усилительного каскада; обратные связи в усилителях (пз); основные параметры;

Операционные усилители (ОУ); базовые схемы включения операционных усилителей.

5.1. Электронные усилители. Классификация

Усилитель – устройство, увеличивающее мощность элетрических сигналов. Они строятся на базе типовых усилительных каскадов. Структурная схема усилительного каскада приведена на рис. 5.1.Ко входу усилителя подключается источник входного сигнала, который показан в виде генератора напряжения Е_с с внутренним сопротивлениемR_с . Входной сигнал – гармонические колебания синусоидальной формы. Этот маломощный сигнал прикладывается к входному сопротивлениюR_вх каскада и управляет энергией источника питания большой мощности. В выходной цепи усилителя источник усиленного сигнала показан в виде генератора Е_вых с внутренним сопротивлениемR_вых. Внешняя нагрузкаR_н потребляет энергию усиленного сигнала.

По назначению различают усилители напряжения, тока и мощности.

Усилитель напряжения – когда входное сопротивление усилителяR_вх »R_с, а сопротивление нагрузкиR_н »R_вых. Это обеспечивает относительно большие изменения напряжения на нагрузке при небольших изменения токов во входной и выходной цепях.

Усилитель тока – привыполнении условий R_вх «R_с иR_н «R_вых. При этих условиях обеспечивается протекание тока заданной величины в выходной цепи при малых значениях напряжения и мощности входной и выходной цепях.

Усилитель мощности – привыполнении условий R_вх ≈R_с иR_н ≈R_вых.

По характеру изменения во времени усиливаемого сигнала – усилители постоянного и переменного тока.

В зависимости от рабочего диапазона частот:

- низкочастотные (НЧ) – 20 Гц – 1мГц;

- видеоусилители – 1 – 30 мГц;

- высокочастотные (ВЧ) – 30 – 100 мГц;

- сверхвысокочастотные (СВЧ) > 100 мГц.

По виду усиливаемых сигналов – усилители гармонических и импульсных сигналов.

В зависимости от схемы включения транзистора, усилительные каскады выполняются по схемам с общим эмиттером, с общей базой и с общим коллектором. Наибольшее распространение получила схема усилительного каскада с общим эмиттером.

5.2. Усилительный каскад по схеме с общим эмиттером

Усилительный каскад по схеме с общим эмиттером, его эквивалентная схема и временные диаграммы сигналов показаны на рис. 5.2.

Рис. 5.2. Усилительный каскад по схеме с ОЭ: а – принципиальная схема;

б – временные диаграммы сигналов; в – эквивалентная схема

Назначение элементов схемы:

е_с- источник сигналов с внутренним сопротивлением R_с.

R1, R2 – делитель напряжения, смещающий эмиттерный переход в прямом направлении и определяющий начальный режим работы усилителя совместно с резистором R_э. Через делитель течет ток делителя I_д, создающий падение напряжения на R2, приложенное минусом к базе, а плюсом через R_эк эмиттеру транзистора.

Ср1, Ср2 – разделительные конденсаторы небольшой емкости, пропускающие переменную составляющую соответственно входного и усиленного выходного сигналов и не пропускающие постоянную составляющую (для постоянной составляющей конденсатор Ср – разрыв цепи).

R_э, С_э- цепочка последовательной ООС по постоянному току эмиттера. Она служит для термостабилизации режима работы усилителя: постоянная составляющая тока I_э0создает на R_эпадение напряжения, плюс которого через R2 приложен к базе транзистора, а минус к эмиттеру. Величина этого падения напряжения зависит от температуры: с ростом

температуры – увеличивается, при снижении температуры – уменьшается. Переменная составляющая тока эмиттера проходит через конденсатор С_эбольшой емкости, сопротивление которого переменному току Х_смало. Поэтому ООС по переменному току практически отсутствует.

R_к- резистор коллекторной нагрузки усилителя. Совместно с транзистором VТ определяет коэффициент усиления усилителя.

С_ф- конденсатор фильтра большой емкости (блокировочный конденсатор), выполняет две функции:

- шунтирует источник питания Е_к, предотвращая прохождение переменных токов через большое внутреннее сопротивление источника Е_к;

- подпитывает схему усилителя энергией при возможных кратковременных перегрузках источника питания Е_к(С_фзаряжен постоянным напряжением, равным Е_к).

Поскольку транзистор является нелинейным элементом, для усиления сигнала без искажений амплитуды и частоты, его необходимо настроить в режиме покоя (при отсутствии входного сигнала) в одном из классов работы А, Б, В и т.д. Этот начальный режим работы усилителя характеризуется постоянными составляющими тока коллектора I_к.0 , напряжения коллектораU_кэ.0, напряженияU_бэ.0 и тока базыI_б.0.

В режиме покоя через транзистор текут токи

I_э0= I_к0+ I_б0.

Определим положение рабочей точки в режиме покоя с учетом R_э и класса работы А. Для этого на семействе выходных статических характеристик транзистора (рис. 5.3) необходимо построить динамическую характеристику. Уравнение динамической характеристики (линии нагрузки) усилителя ОЭ в этом случае

U_к= E_к– I_кR_к– I_эR_э= E_к– I_к(R_к+ R_э/ α).

Р

U_{бэ 0}

n

I_{к 0}

I_{б 0}

Для крайних случаев: при U_к= 0 I_к=; при I_к= I_э= 0 U_к= E_к. По этим двум крайним точкам -M (U_к = 0; I_к = ) и N (U_к = E_к; I_к = 0)строится линия нагрузки MN. При работе в классе «А» рабочую точку Р₀в режиме покоя выбирают в средней части линейного участка входной характеристики транзистора.

Ток I_Б0определяется из величины прямого смещения эмиттерного перехода:

, где U_б= Е_ки R_б=.

Таким образом, рабочей точке исходного режима Р₀соответствуют координаты I_б0 и U_бэ0 (рис.5.3.). Перенося точку Р₀ на выходные статические характеристики, можно получить рабочую точку усилителя Р₂и на нагрузочной прямой с координатамиI_к0 и U_кэ0. Пунктирные участки на входных и выходных характеристиках определяют линейный диапазон изменения входного и выходного сигналов.

Физические процессы в усилителе с ОЭ поясняют временные диаграммы (см. рис. 5.2, в). На них входное напряжение усиливаемого сигнала отличается от напряжения источника сигнала вследствие наличия R_си составляет величину

U_вх= Е_с ,

где R_вх– входное сопротивление усилителя.

Прямое напряжение на базе транзистора будет изменяться по закону входного сигнала. По этому же закону будут меняться и другие физические величины в транзисторе: в фазе с входным сигналом - потенциальный барьер эмиттерного перехода, токи транзистора I_э= I_к+ I_б, падение напряжения на R_к, создаваемое током коллектора; в противофазе по отношению к входному сигналу будет меняться напряжение на коллекторе транзистора, причем амплитудный размах I_кR_ки U_кбудет одинаков.

Например, положительная полуволна входного усиливаемого сигнала уменьшает величину прямого смещения эмиттерного перехода на величину входного сигнала, то есть увеличивается потенциальный барьер эмиттерного перехода. Это ведет к уменьшению инжекции основных носителей заряда из эмиттера в базу, то есть к уменьшению тока I_э= I_к+ I_б. Выходной ток транзистора I_ксоздает меньшее падение напряжения I_кR_к, то есть ведет к росту отрицательного напряжения на коллекторе. С выхода усилителя (с коллектора транзистора) через С_р2 снимается отрицательная полуволна усиленного сигнала.

При подаче на вход отрицательной полуволны усиливаемого сигнала физические процессы аналогичны: увеличится прямое смещение эмиттерного перехода, уменьшится его потенциальный барьер, увеличится инжекция основных носителей заряда из эмиттера в базу, то есть увеличатся токи транзистора, в том числе и выходной ток I_к, увеличится падение напряжения на R_к, уменьшится отрицательное напряжение на коллекторе, через С_р2 снимется положительная полуволна усиленного сигнала.

Таким образом, усилитель с ОЭ усиливает сигнал по напряжению и току и меняет фазу выходного сигнала на 180⁰по отношению к входному сигналу.

Основные параметры усилителя с ОЭ:

1. Входное сопротивление R_вхh₁₁(сотни Ом…единицы кОм).

2. Выходное сопротивление R_выхR_к (единицы…десятки кОм).

3. Коэффициент усиления по току

K_i==(десятки - сотни).

0. Коэффициент усиления по напряжению

К_u=(десятки - сотни)

знак минус указывает на изменение фазы выходного сигнала по отношению к входному.

0. Коэффициент усиления по мощности

K_p= |К_i|·|К_u| =R_н

5.3. Эмиттерный повторитель (усилитель с общимколлектором)

На рис. 5.4 приведены принципиальная и эквивалентная схемы эмиттерного повторителя и временные графики, поясняющие его работу. Эмиттерный повторитель - это усилитель с ОК, так как по переменной составляющей коллектор транзистора через блокировочный конденсатор Сф заземлен на корпус. Это усилитель со 100 % ООС, так как выходное падение напряжения IэRэ полностью приложено через R2 к входу транзистора в противофазе, то есть Uб = Uвх – Uвых, откуда Uвых = Uвх – Uб. Тогда коэффициент усиления по напряжению будет

K_U=.

Так как U_бсоставляет десятые доли вольта и U_вхчуть больше U_вых, то коэффициент усиления по напряжению получается чуть меньше единицы (K_u< 1). То есть по напряжению эмиттерный повторитель не усиливает.

Коэффициент усиления по току

K_i=,

то есть K_i= 1 + β.

Эмиттерный повторитель - это усилитель тока: K_iI>> 1.

Коэффициент усиления по мощности K_u= K_iK_uK_i.

Выходное сопротивление R_вых== R’_ночень мало (десятки Ом).

Входное сопротивление R_вх== R_вых(1 + β) велико и составляет сотни килоом.

С подачей на базу положительной полуволны входного сигнала отрицательный потенциал базы уменьшится, увеличится потенциальный барьер эмиттерного перехода. Транзистор призакроется: ток эмиттера уменьшится, уменьшится минус на эмиттере, с выхода через С_р2 снимется положительный выходной сигнал.

Отрицательная полуволна входного сигнала увеличит минус на базе, то есть уменьшит потенциальный барьер эмиттерного перехода, что приведет к приоткрытию транзистора: эмиттерный ток увеличится, увеличится минус на эмиттере, с выхода снимется отрицательный сигнал.

Таким образом, выходной сигнал снимается с эмиттера, сам усилитель повторяетсигнал по амплитуде (К_uчуть меньше единицы) и по фазе (по полярности); отсюда он и получил свое название – эмиттерный повторитель.

Так как U_б= U_вх– U_вых, то на вход эмиттерного повторителя можно подавать сигналы с большой амплитудой, вплоть до величины, равной Е_к.

Обладая очень высоким входным и очень малым выходным сопротивлениями, эмиттерный повторитель широко используется в блоках детектирования АД и РТК для согласования высокого сопротивления детектора ИИ с низким волновым сопротивлением коаксиального кабеля.