Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Б.И. Дубовик. Конспект лекций по электронике для студентов направления 550200 (Автоматизация и управ.doc
Скачиваний:
183
Добавлен:
22.01.2014
Размер:
980.99 Кб
Скачать

Лекция № 12. Выбор рабочей точки усилителя. План лекции.

 

 

1.     Аналитический способ выбора рабочей точки;

2.     Графический метод расчета рабочей точки.

 

Рабочую точку часто называют также ТОЧКОЙ ПОКОЯ, т.е. точкой, в которой находится усилитель при отсутствии усиливаемого сигнала.

Рассмотрим выбор рабочей точки для усилителя на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером. При этом рассмотрим простейшую схему, представленную на рис. 2.3.1.

 

 

рис. 2.3.1. Схема простейшего усилителя.

 

Используя модель 1 биполярного транзистора, эту схему можно представить в следующем виде (рис. 2.3.2).

 

 

рис. 2.3.2. Эквивалентная схема усилителя.

 

Для выходной цепи приведенной схемы можно записать:

 

UКЭ = UП - iК*RК (2.3.1)

 

Переменные UПи iК, входящие в это уравнение должны удовлетворять, в соответствии с предельными паспортными параметрами транзистора, следующим условиям:

 

UП < UКЭmax

 

iК  iКmax (2.3.2)

 

UКЭ*iК < РРmax,

 

а для работы транзистора в линейном режиме необходимо выполнить следующие условия:

 

UКЭ> UКЭнас(2.3.3)

 

Положение рабочей точки будем определять координатами U0, . Примем

 

UКЭнас< U0< UП

 

iКо< iКmax

 

Для того, чтобы использовать весь линейный участок ВАХ транзистора, необходимо выбирать U0и по следующим зависимостям:

 

U0= (UП- UКЭнас)/2 + UКЭнас(2.3.4)

 

iКо= UП/(2*RК) (2.3.5)

т.к.  то

iбо=iКо/= UП/(2*RН*) (2.3.6)

 

Для входной цепи в соответствии с эквивалентной схемой можно записать:

 

Uбэ = UГ - iбRГ (2.3.7)

или

iбо = (UГ - Uбэ)/RГ (2.3.8)

и тогда

(UГ - Uбэ)/RГ = UП/(2*RН*) (2.3.9)

 

Т.о. выражения (2.3.4), (2.3.5), (2.3.6) и (2.3.8), составленные по схеме (рис.2.3.2) можно использовать при расчетах рабочей точки усилителя.

Очень часто весьма полезным для решения задачи выбора рабочей точки каскада является графический метод. Для использования этого метода необходимо иметь выходные и входные ВАХ транзистора. Выходные ВАХ транзистора представлены на рис. 2.3.3.

 

 

рис. 2.3.3. Выходные ВАХ транзистора.

 

На рис. 2.3.3 заштрихована область, в которую не должна заходить рабочая точка. Эта область построена в соответствии с выражениями (2.3.2) и (2.3.3) и называется рабочей областью характеристики.

На плоскости iКUКЭграфик уравнения (2.3.1) есть прямая с наклоном – 1/RК, которая называется линией выходной нагрузки. Она пересекает оси координат в следующих точках:

 

UКЭ= UП, приiК= 0

 

iК = UП/RК , при UКЭ = 0

 

Для нахождения положения рабочей точки необходимо найти координаты пересечения линии выходной нагрузки с выходной характеристикой транзистора, соответствующей определенной величине тока базы.

Для нахождения тока базы используют входные характеристики транзистора, которые представляют собой зависимость тока базы транзистора от напряжения Uбэ. Эта характеристика имеет вид (рис. 2.3.4):

 

 

рис. 2.3.4. Входные ВАХ транзистора.

 

Уравнение (2.3.7) представляет собой аналитическое описание линий входной нагрузки. График этого уравнения на плоскости Uбэ, iб, Uбэпредставляет собой прямую с наклоном – 1/RГи пересекает ось в точке Uбэ= UГ, а ось iбв точке UГ/RГ.

Положение рабочей точки определяется пересечением линий входной нагрузки с входной характеристикой транзистора. Из графика можно определить UГmaxи UГmin.

Как видно из рисунка UГдолжно содержать некоторую положительную постоянную составляющую, называемую обычно = Uсмсоответствующую середине выбранного участка UГmin– UГmax. Т.о., если известны пределы изменения UГ,то проводя нагрузочные прямые при UГmaxи UГminможно найти пределы изменения тока базы, а затем по выходным характеристикам для найденных пределов изменения тока базы найти пределы изменения коллекторного тока и UКЭ. Найденные пределы в случае линейного режима работы усилителя, должны лежать в рабочей области характеристики. В заключении заметим, что построенные характеристики могут быть использованы для оценки коэффициентов усиления по току и напряжению. Действительно, задаваясь изменением тока базыiбпо выходной нагрузочной характеристике можно найти изменение тока коллектораiКи Кi=iК/iб. Аналогично дляKU, задаваясьUГпо графикам находимUКЭи тогда:

KU = - UКЭ/UГ

Лекция № 13.Методы стабилизации режима работы усилителя.

 

План лекции.

 

1.     Использование ООС по напряжению;

2.     Использование ООС по току.

 

Простейший рассмотренный выше усилитель с общим эмиттером имел следующий вид (рис. 2.3.5):

 

 

рис. 2.3.5. Схема простейшего усилителя.

 

Выходной ток усилителя iК в выбранной рабочей точке в соответствии с моделью 1 равен:

 

iК = *iб (2.3.10)

 

а напряжение между коллектором и эмиттером

 

UКЭ= UП-*RК*iб(2.3.11)

 

Как видно из выражений (2.3.10) и (2.3.11) iКи UКЭзависят оттранзистора и от UП. Т.к. существует неизбежный разброс параметров транзисторов от образца к образцу, а также их изменение от температуры, то для данной схемы характерна очень низкая стабильность положения рабочей точки усилителя.

Существуют несколько методов, обеспечивающих стабилизацию рабочей точки. Во всех этих методах используется один из видов ООС. Принцип ООС применительно к транзистору заключается в том, что любое изменение токов, протекающих через транзистор, приводит к соответствующему изменению тока и напряжения, которые хотят скомпенсировать начальное изменение. Существует два основных метода подачи ООС: ООС по напряжению и ООС по току, называемая также эмиттерной ОС.

а) Отрицательная обратная связь по напряжению.

На рис. 2.3.6 показана схема усилителя с отрицательной ОС по напряжению:

 

 

рис. 2.3.6. Схема усилителя с отрицательной обратной связью по напряжению.

 

Проведем качественный анализ этой схемы. С помощью UГна базу подается смещение, задающее положение рабочей точки транзистора. Резистор RОСвключен между эмиттером и базой. Коллекторное напряжение положительно, поэтому часть этого напряжения, подаваемая через резистор ОС на базу, увеличивает прямое смещение. Нормальное прямое смещение перехода эмиттер-база (или рабочая точка) представляет собой результат всех напряжений, воздействующих на этот переход (т.е. UГи UОС). Если коллекторный ток увеличивается (из-за роста температуры, изменениятранзистора), то падение напряжения на резисторе RКвозрастает. В результате коллекторное напряжение падает, что вызывает уменьшение напряжения ОС, поступающего на базу через RОС. При этом уменьшается смещение перехода Э-Б в прямом направлении, снижается эмиттерный ток, и ток коллектора падает, возвращаясь к нормальному значению. Если вместо увеличения коллекторного тока происходит его уменьшение, возникает противоположный процесс и коллекторный ток воз растает до своего нормального значения, соответствующего рабочей точке.

Проведем теперь количественный анализ работы схемы. Используя модель 1 транзистора можем построить эквивалентную модель усилителя. Для этой модели справедлива следующая система уравнений:

 

iб = iОС + iГ

 

UГ = iГ*RГ + Uбэ

 

UП = RК*i + RОС*iОС + Uбэ

 

i = iОС + iК

 

UП = RК*iОС + RК*iК + RОС*iОС + Uбэ =

 

= iОС(RК + RОС) + RК*iК + Uбэ

 

iОС = iб – iГ  iг = (UГ – Uбэ)/RГ;  iОС = iб - (UГ – Uбэ)/RГ;

 

UП - Uбэ =  iб(RК + RОС) - ((RК + RОС)(UГ - Uбэ))/RГ + RК*iК

 

iб = iК/

 

(UП - Uбэ) + ((RК + RОС)(UГ - Uбэ))/RГ = iК[(RК + RОС)/ + RК]

 

(2.3.12)

 

При *RК >> RК + RОС

 

iК = (UП - Uбэ)/RК + ((RК + RОС)/RКRГ)(UГ - Uбэ)  (2.3.12а)

 

UКЭ = UП - i*RК = UП - (iОС + iК)RК =

 

= UП - iК*RК - (iб – iГ)RК = UП - iК*RК - iб*RК + RК(UГ - Uбэ)/RГ =

 

= UП - i*RК*(1 + 1/) + RК(UГ - Uбэ)/RГ =

 

= UП + RК(UГ - Uбэ)/RГ - (( +1)/)*

 

(2.3.13)

 

При *RК >> RК + RОС

 

UКЭ = UП + RК(UГ - Uбэ)/RГ - UП + Uбэ - ((RК + RОС)/RГ)(UГ - Uбэ)  (2.3.13а)

 

Как видно из выражений (2.3.12) и (2.3.13) при достаточно большом коэффициенте передачи тока базы (у хороших транзисторов > 100) они могут быть представлены выражениями (2.3.12а) и (2.3.13а). Из последних выражений можно сделать вывод: положение рабочей точки при достаточно большомне зависит от параметров транзистора, а определяется только внешними цепями транзисторного усилителя.

б) Отрицательная обратная связь по току.

Наиболее часто в полупроводниковых усилителях используется обратная связь по току. Это вызвано тем, что транзистор является прибором, управляемым, главным образом, током, а не напряжением. На рис. 2.3.7 представлена схема усилителя с ООС по току.

 

 

рис. 2.3.7. Схема усилителя с отрицательной обратной связью по току.

 

Обратная связь по току осуществляется с помощью резистора RЭПроведем качественный анализ работы схемы. Базовый ток, а следовательно, и коллекторный ток зависит от разности напряжений между базой и эмиттером. Если это разностное напряжение снижается, уменьшается величина базового тока и, следовательно, коллекторного тока. В случае увеличения разностного напряжения справедливо противоположное утверждение.

Практически весь ток, протекающий через коллектор, протекает также и через эмиттерный резистор (разница равна малой величине iб). Поэтому падение напряжения на эмиттерном резисторе зависит, в частности, от величины коллекторного тока.

Пусть по какой-либо причине величина коллекторного тока возросла. При этом эмиттерный ток и падение напряжения на резисторе в цепи эмиттера также увеличатся. Под действием ООС разностное напряжение между базой и эмиттером уменьшится, что приведет к снижению базового тока. В свою очередь уменьшившийся базовый ток вызовет падение величины коллекторного тока, и это скомпенсирует начальное увеличение коллекторного тока.

Проведем теперь количественный анализ схемы. Для этого воспользуемся моделью 1 транзистора и тогда можем записать следующую систему уравнений:

 

iЭ = iК + iб = iК(1 + 1/)

 

ЕГ = RГ*iб + Uбэ + Rэ*iэ

 

iб = iК/

 

ЕГ = RГ*iК/ + Uбэ + Rэ*iК(1 + 1/)

 

iК*[RГ/ + Rэ(1 + 1/)] = ЕГ - Uбэ

 

iК = (ЕГ - Uбэ)/(RГ + Rэ( + 1))* (2.3.14)

 

UВЫХ = UП - iК*RК   (2.3.15)

 

Как видно из выражений (2.3.14) и (2.3.15) при достаточно большом коэффициенте они принимают вид:

 

iК(ЕГ- Uбэ)/Rэ(2.3.14а)

 

UВЫХ= UП- RКГ- Uбэ)/Rэ(2.3.15а)

 

Отсюда можно заключить, что положение рабочей точки в этом случае также не зависит от параметров транзистора и определяется внешними цепями.

Лекция № 14.Выбор и расчет цепей смещения.

 

План лекции.

 

1.     Простейшая схема смещения;

2.     Смещение с использованием ООС.

 

Для всех полупроводниковых усилителей необходима та или иная форма смещения. Как минимум следует сместить в обратном направлении переход К-Б любого полупроводникового усилительного каскада, т.е. должен отсутствовать ток между базой и коллектором. При отсутствии входного сигнала эмиттерный переход усилителя может быть смещен в прямом или обратном направлении или может иметь нулевое смещение (отсутствие смещения). Однако во время работы усилителя при некоторых условиях через переход Э-Б должен протекать ток. Например, ток протекает в течение всего времени в усилителях класса А и АВ. В усилителях классов В и С ток идет только при наличии рабочего сигнала. Т.о. необходимо задать эмиттерному переходу такое смещение, чтобы при некоторых условиях мог протекать ток.

Желаемый режим устанавливается путем подачи напряжений на соответствующие выводы транзистора через цепи смещения. Последние обычно состоят из резисторов. Цепи смещения (или образующие их резисторы) служат одновременно для выполнения нескольких функций. Главное назначение цепи смещения – установка напряжений на базе, коллекторе и эмиттере и соотношений между токами в рабочей точке схемы.

Другая функция цепи смещения, помимо задания требуемой рабочей точки – стабилизация режима каскада в данной точке.

Основная цепь смещения должна поддерживать желаемые соотношения токов при наличии изменения температуры и напряжений питания, а также при возможной замене транзистора.

Резисторы, используемые в цепях смещения, выполняют еще одну функцию: они задают величины входного и выходного сопротивлений усилительной схемы.

Рассмотренные в разделе методы стабилизации режима и их реализация с помощью ООС по току и напряжению уже частично выполняет функции цепей смещения. Здесь рассмотрены некоторые типовые схемы смещения в усилителях и проведем их анализ. На рис. 2.3.8 представлена самая простая схема задания смещения.

 

 

рис. 2.3.8. Схема усилителя с простейшим смещением.

 

В этом случае положение рабочей точки в соответствии с моделью 1 транзистора будет определяться зависимостью:

 

iКо=(UП- Uбэ)/Rб(2.3.16)

 

Используя выражение (2.3.16), можно определить сопротивление цепи смещения:

 

Rб=(UП- Uбэ)/iКо(2.3.17)

 

Заметим, что величина iКо(2.3.16) в рабочей точке прямо пропорциональна.

Следовательно, если изменится, например, в пять раз, что на практике может быть, то и коллекторный ток изменится в пять раз. В одних случаях это допустимо, в других нет. Поэтому часто требуются более совершенные и более стабильные схемы задания рабочей точки.

Рассмотрим улучшенный вариант этой схемы за счет введения эмиттерного сопротивления (рис. 2.3.9).

 

 

рис. 2.3.9. Схема усилителя с улучшенным смещением.

 

Используя модель 1 транзистора, iкодля этой схемы можно записать в следующем виде:

 

UП = iбо*Rб + Uбэ + Rэ*iэо

 

iбо = iКо/

 

iэо = iбо + iКо = iКо(1 + )/

 

(UП - Uбэ)/(Rб/ + Rэ(1 + )/) = (UП - Uбэ)/(Rб/ + Rэ(1 + )) (2.3.18)

 

Rб << Rэ(1 + )

 

Используя (2.3.18) можно получить приближенную зависимость для ориентировочного определения Rб

 

Rб = (UП - Uбэ)/iКо - Rэ(1 + ) (2.3.19)

 

Для выбора Rэможно использовать следующее приближенное эмпирическое правило: падение напряжения на Rэпри заданном коллекторном токе должно лежать в пределах 1 – 2 В или . Очень часто смещение задается с помощью резисторного делителя как показано на рис. 2.3.10.

 

 

рис. 2.3.10. Схема усилителя с простейшим смещением с помощью делителя.

 

При данном смещении достигается повышенная стабильность рабочей точки, по сравнению со схемой рис.2.3.8. В этой схеме благодаря делителю напряжения R1, R2на переход Б-Э подается напряжение UП*R2/(R1+ R2), а эквивалентное сопротивление смещения равно:

 

 

Тогда ток коллектора равен:

 

 

(2.3.20)

 

Из этого соотношения видно, что схема на рис.2.3.10 также не свободна от недостатка, присущего схеме рис.2.3.8, т.е. пропорциональная зависимость iКотне может обеспечить стабильного положения рабочей точки. Резисторы R1и R2ориентировочно для этой схемы можно рассчитать из зависимости:

(2.3.21)

где

Uбэ = UП*R2/(R1 + R2)

 

Если в рассмотренной схеме ввести ООС по току с помощью эмиттерного сопротивления, то получим схему усилителя, которая чаще всего используется на практике.

 

 

рис. 2.3.11. Схема усилителя с улучшенным смещением.

 

Запишем выражение для iКо

 

 

iэо = iбо + iКо = iКо/ + iКо = iКо*( + 1)/

 

 

iКо =  (2.3.22)

 

В этом выражении имеется как в числителе, так и в знаменателе. Если Rэа также сопротивления делителей R1и R2выбраны таким образом, что , то зависимостью iКоотможно пренебречь.

После того как величина выбрана , сопротивления R1и R2могут быть найдены из условия:

 

(2.3.23)

 

где max и min – наибольшая и наименьшая ожидаемые величины , а iКmax – наибольшее допустимое значение iК.

Заметим, что улучшение стабильности в схемах рис. 2.3.9 и рис. 2.3.11 приводит к заметному уменьшению коэффициента усиления сигнала. Т.к. по сопротивлениям RКи Rэпротекает ток сигнала примерно одной и той же величины, равной переменной компоненте коллекторного тока, то для данной схемы

 

KU  - RК/Rэ (2.3.24)

 

Дело в том, что через Rэосуществляется ООС. Но известно, что ООС уменьшает усиление и увеличивает стабильность системы. Если усиливается изменяющийся во времени сигнал, то параллельно Rэможно включить так называемый блокировочный конденсатор, который шунтирует Rэпо переменному току, но не влияет на положение и стабильность рабочей точки, определяемые постоянным током через RэЕсли усиливаемый сигнал имеет частоты, для которых емкость С является коротким замыканием, то коэффициент усиления этой схемы по напряжению будет равен -*RК/(RГ+ rбэ).

Хотя схема смещения, показанная на рис. 2.3.11 оказывается удобной для однокаскадного усилителя, она редко используется в низкочастотных усилителях, состоящих из нескольких каскадов. Включение конденсатора связи между каждой парой каскадов и блокировочного конденсатора, шунтирующего каждое эмиттерное сопротивление приводит к падению коэффициента усиления схемы на очень низких частотах. Вследствие этого в многокаскадных усилителях цепи смещения часто конструируются таким образом, что один транзистор питается непосредственно через другой, а для стабилизации рабочей точки используется общая цепь ООС по постоянному току. Пример такой схемы представлен на рис.2.3.12.

 

 

рис. 2.3.12. Схема двухкаскадного усилителя.

Лекция № 15.Анализ схем усилителей на биполярных транзисторах.

 

План лекции.

 

1.     Анализ схемы с общим эмиттером;

2.     Анализ схемы эмиттерного повторителя.

 

Рассмотрим общую схему полупроводникового усилителя (рис. 2.3.13) и проведем ее анализ, используя П-образную модель транзистора.

 

 

рис. 2.3.13. Типовая схема усилителя на транзисторе.

 

На входе усилителя действует источник сигнала UВХс эквивалентным внутренним сопротивлением RГ. Сигнал поступает на транзистор через конденсатор связи С1. Будем считать, что емкость этого конденсатора достаточно велика, так что для изменяющегося во времени сигнала UВХон представляет собой короткое замыкание, а для постоянного тока – разрыв цепи. Благодаря этому весь ток от постоянного источника UПтечет через резисторы R1и R2в базу транзистора и, следовательно, определяет его рабочую точку iбо. Между коллектором и источником питания UПвключено сопротивление RК, с которого через второй конденсатор связи С2снимается усиленный сигнал. Этот конденсатор изолирует входную цепь следующего каскада от постоянной составляющей тока, протекающего через RК. Далее будем считать, что исходя из модели 1 транзистора определены iбои iКо, соответствующие рабочей точке транзистора и определены цепи смещения усилителя, т.е. рассчитаны резисторы R1, R2, и Rэ. Используя найденное значение iКоопределяем параметры П-образной модели транзистора и строим эквивалентную схему усилителя (рис. 2.3.14).

 

 

рис. 2.3.14. Эквивалентная схема усилителя.

 

На эквивалентной схеме транзистор заменен П-образной моделью, источник постоянного напряжения – коротким замыканием. Т.к. конденсаторы связи С1и С2представляют собой короткое замыкание для UВХи UВЫХ, то на эквивалентной схеме они опущены.

Определим основные параметры рассматриваемой схемы, а именно коэффициент усиления по напряжению KUи току Ki, входное RВХи выходное RВЫХсопротивления, используя построенную эквивалентную схему.

Коэффициент усиления можно найти следующим образом. Выходное напряжение получаем из равенства:

 

UВЫХ = - gRКUбэ

 

Затем Uбэвыражаем через UВХ. Т.к. входная цепь усилителя представляет собой делитель напряжения, образованный резистором Rби соединенными параллельно резисторами R1, R2и Rэ+ rбэ, то можем записать:

 

 

где

но т.к.

U0 = Uбэ + iэ*Rэ

а

iэ = iб + gUбэ = Uбэ/rrбэ + gUбэ = Uбэ/rrбэ + 0*Uбэ/rrбэ =

 

= Uбэ/rrбэ(1 + 0)

то

U0 = Uбэ[1 + Rэ(0 + 1)/rrбэ]

и тогда

 

Окончательно,

 

(2.3.25)

 

Знак "-" в этом соотношении указывает на то, что входной и выходной сигналы находятся в противофазе, т.е. если на входе усилителя сигнал положительный, то на выходе – отрицательный и наоборот.

Если выполняется условие R12>> (rбэ+ Rэ), то соотношение (2.3.25) можно записать в виде:

 

 

если RГ << (rбэ + Rэ)

 

(2.3.26)

 

Приближенное выражение (2.3.26) справедливо для усилителей с общим эмиттером содержащих Rэ. Если жеRэотсутствует, т.е.Rэ= 0 и нет обратной связи по току, то (2.3.25) принимает вид:

 

(2.3.25а)

 

а приближенное выражение для оценки KUпри условии, что R12>> rбэбудет

 

(2.3.26а)

 

Если известны величины элементов цепи (RК, Rэи RГ) и0, rбэто из соотношений (2.3.25) или (2.3.26), (2.3.25а) или (2.3.26а) легко вычислить коэффициент усиления схемы по напряжению. Типичное значение этого коэффициента в усилителе с общим эмиттером лежат в пределах от -5 до -100. Если, однако, в результате вычисления величина коэффициента получается больше -100, то к такому значению следует относиться с некоторым сомнением, т.к. для правильного представления работы усилителя с таким большим усилением необходимо рассматривать более сложную модель транзистора, чем те, которые мы рассматривали.

Определим коэффициенты усиления по току для рассматриваемой схемы.

 

Ki = iК/iВХ

 

iК = - gUбэ

 

Uбэсвязано с iВХследующей зависимостью:

 

 

U0 = Uбэ + iэ*Rэ = Uбэ[1 + Rэ(1 + 0)/rбэ]

 

 

(2.3.27)

 

При отсутствии Rэ , т.е. Rэ = 0

 

(2.3.28)

 

Если R12 >> rбэ, то

 

Ki  - 0 (2.3.28а)

 

Далее вычислим входное и выходное сопротивления, по переменному току. Входное сопротивление RВХпредставляет собой эквивалентное сопротивление цепи, включающее параллельно соединенные R12и (rбэ+ Rэ)

 

(2.3.29)

При Rэ = 0

(2.3.30)

 

Выходным сопротивлением RВЫХназывают эквивалентное сопротивление усилителя со стороны выходных клемм. Для того, чтобы рассчитать это сопротивление, обратимся к схеме рис.2.3.14. Эквивалентное сопротивление участка цепи определим, приложив к этому участку некоторое напряжение UИЗМи вычислив ток iИЗМ, когда источники выходного напряжения замкнуты, т.е. UВХ= 0, а источники тока разомкнуты. Т.к. UВХ= 0, то и Uбэи iК= - gUбэ– также рано 0.

Следовательно

iИЗМ= UИЗМ/RК

и выходное сопротивление усилителя по переменному току равно

 

RВЫХ= UИЗМ/iИЗМ= RК(2.3.31)