Контрольные вопросы

1. Привести условное графическое изображение полевого транзистора с каналом n–типа

2. Что представляет собой полевой транзистор?

3. Пояснить принцип действия полевого транзистора.

4. Что называется напряжением отсечки?

5. Основные параметры полевого транзистора?

6. Какие транзисторы с изолированным затвором вам известны?

7. Основные характеристики полевых транзисторов.

8. Принцип действия полевых транзисторов с изолированным затвором.

9. Какой канал называется индуцированным?

ЛЕКЦИЯ 6

УСИЛИТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

(2 часа)

План

1. Усилители. Эквивалентная схема. Основные технические показатели и характеристики усилителей.

2. Схема каскада ОЭ с термостабилизацией режима работы. Назначение элементов. Механизм термостабилизации.

3. Обратные связи в электронных усилителях. Влияние различных видов отрицательных обратных связей на основные показатели усилителя.

В технике часто встречается задача, когда сравнительно маломощный источник сигнала оказывается неспособным управлять работой исполнительного устройства. Для решения этой задачи между источником сигнала и исполнительным устройством (нагрузкой) помещают усилитель (рис. 6.1).

Усилителем называется устройство, в котором маломощный входной сигнал управляет потоком энергии большой мощности, поступающей от источника питания в нагрузку.

Рис. 6.1

Эквивалентная схема усилителя.

Рис. 6.2

Усилитель – это активный четырехполюсник, поэтому его можно представить как на рисунке 6.2.

Основные технические показатели усилителей

1. Коэффициент усиления. Кu = Uвых / Uвх

Если коэффициент усиления недостаточен, применяются многокаскадные усилители. В многокаскадных усилителях общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления каждого каскада.

2. Входное и выходное сопротивление. Rвх, Rвых.

Задача передачи максимальной энергии от источника сигнала на вход усилителя, а также с выхода усилителя на нагрузку называется согласованием. Для оптимального согласования входное сопротивление усилителя должно быть как можно больше, т. е. значительно больше внутреннего сопротивления источника сигнала, а выходное сопротивление значительно меньше сопротивления нагрузки. Вопросы согласования возникают и в многокаскадных усилителях. Если два усилительных каскада не согласованы между собой по входному и выходному сопротивлению, то между ними ставится эмиттерный повторитель, имеющий очень большое входное и малое выходное сопротивление.

3. Выходная мощность и КПД усилителя.

Выходная мощность может быть определена по формуле:

Рвых =Uвых /Rвых.

Значительно увеличить выходную мощность усилителя нельзя, т. к. при большом выходном напряжении появляются искажения усиливаемого сигнала за счёт нелинейности характеристик усилительных элементов. Поэтому вносится понятие номинальной выходной мощности. Это наибольшая выходная мощность, при которой сигнал не искажается.

КПД усилителя определяется по выражению η = Pвых/Pист.

4. Диапазон усиливаемых частот (полоса пропускания усилителя). Это полоса частот, в которой выходное напряжение уменьшается не более чем до 0,707 своей максимальной величины.

5. Коэффициент нелинейных искажений (или коэффициент гармоник).

Кг = 100%

Искажения усилителя возникают за счёт нелинейности характеристик транзисторов. Они происходят за счёт появления в спектре сигнала высших гармонических составляющих.

Основные характеристики усилителей.

Амплитудная характеристика – это зависимость амплитуды первой гармоники выходного сигнала от амплитуды синусоидального входного сигнала Uвых = f (Uвх).

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) представляет собой зависимость амплитуды выходного сигнала от частоты при постоянной амплитуде входного сигнала.

Коэффициент частотных искажений М устанавливает зависимость коэффициента усиления от частоты. Для низких частот определяется соотношением: Мн = Kuн/ Kuср, а для высоких Мв = Kuв/ Kuср.

Обычно принимают Мн = Мв = 0,707. При этом из АЧХ определяется рабочий диапазон частот. Он находится между низшей fн и высшей fв частотой (2 f), на которых Ku уменьшается в раза от своего значения на средних частотах.

Схема с ОЭ c термостабилизацией режима работы

Назначение элементов:

Ср1, Ср2 – разделительные конденсаторы. Ср1 – не пропускает на вход постоянную составляющую, если она присутствовала во входном сигнале. Кроме того Ср1 защищает маломощный источник входного сигнала от протекания тока от мощного источника Ек через резистор . Ср2 – пропускает в нагрузку только переменную составляющую сигнала с коллектора.

, – делитель напряжения, который задает потенциал базы покоя. также ограничивает ток базы, а – величину напряжения между базой и эмиттером транзистора, чтобы она не превышала указанную в паспортных данных на прибор. также участвует в термостабилизации режима работы.

Rк – определяет ток коллектора.

Rэ – основной термостабилизирующий элемент схемы. Через него осуществляется отрицательная обратная (ООС) связь по току, которая стабилизирует режим работы усилительного каскада.

Сэ – эмиттерный конденсатор. Исключает действие ООС по переменному току, что значительно увеличивает амплитуду выходного напряжения.

Механизм термостабилизации

При возрастании температуры, из за увеличения теплового тока Iк0, увеличивается ток коллектора транзистора Iк, следовательно, и ток эмиттера Iэ=Iк+Iб. За счёт этого напряжение URэ будет возрастать, а Uбэ уменьшаться, поскольку URб`` величина постоянная, не зависящая от изменения температуры. Уменьшение Uбэ согласно входной характеристике транзистора, приведет к уменьшению тока базы.

Uбэ ↑ = URб`` - URэ ↑ так как URб`` = Const;

Эмиттерный переход подзапирается, и рабочая точка на выходной характеристике транзистора сохраняет своё положение. Так как изменение напряжения на Rэ должно зависеть только от изменения температуры и не изменяться по закону переменной составляющей усиливаемого сигнала, резистор Rэ шунтируется конденсатором большой ёмкости Сэ. Через Сэ протекает переменная составляющая тока, а через Rэ – постоянная составляющая.

Обратные связи в усилителях

Обратной связью называется такая связь между входом и выходом, при которой часть энергии усиленного сигнала с выхода передаётся на вход.

По способу своего возникновения обратная связь может быть внутренней, паразитной и искусственной.

Внутренняя ОС возникает за счёт внутренних свойств элементов схемы. Паразитная ОС возникает за счёт паразитных ёмкостей и индуктивностей. Стараются внутреннюю паразитную обратную связь возможно сильнее уменьшить. Искусственная ОС вводится специально для улучшения основных характеристик усилителя. По признаку петлевого усиления различают положительную ОС (ПОС) и отрицательную ОС (ООС). При ПОС сигнал, на вход усилителя через цепь ОС, поступает в фазе со входным сигналом. При ООС сигнал, проходя цепь ОС, будет подаваться в противофазе с входным сигналом. В усилителях, в основном, применяется ООС; ПОС применяется в генераторах.

В зависимости от того, каким образом цепь ОС подключается к выходу усилителя, различают обратные связи по току (рис. 6.3) и по напряжению.

В зависимости от того, каким образом цепь ОС подключается к выходу усилителя, различают параллельную и последовательную ОС усилителя.

Параллельная ОС изображена на рисунке 6.4, а последовательная – на рисунке 6.5.

Рис. 6.3

Рис. 6.4 Рис. 6.5

β = U вых.oc/ U вх.oc – коэффициент передачи цепи ОС.

Поскольку в усилителях цепь ОС состоит, в основном, из пассивных элементов, то β обычно меньше 1.

Влияние ООС на основные показатели усилителя

Рассмотрим влияние ООС на работу усилителя на примере последовательной ОС по напряжению (Рис. 6.6)

K=Uвых / Uвх – коэффициент усиления усилителя без обратной связи.

Кос = Uвых /U1 – коэффициент усиления усилителя с ОС.

β = Uвых.oс / Uвх.oc = U вых.oс / U вых (1)

Кос = Uвых /U1 = Uвых / (Uвых.oc + Uвх) (2)

Из формулы (1) видно, что Uвых.ос = βUвых. Подставим в (2), тогда

Кос = Uвых / (βUвых + Uвх)

В знаменателе последней формулы вынесем Uвх за скобку:

Кос = Uвых / Uвх (1 + βUвых / Uвх) = К / (1 + βК)

Величина (1+βК) называется глубиной обратной связи.

Из последнего выражения для Кос видно, что ООС уменьшает коэффициент усиления усилителя.

Для положительной ОС: Кпос = (1 + β

Рис. 6.6

Охват усилителя обратной связью приводит к существенному изменению его показателей качества:

ООС стабилизирует режим работы усилителя и повышает его помехозащищенность при изменении напряжения источника питания, колебаниях температуры, замене усилительных элементов. Увеличивается полоса пропускания, уменьшаются нелинейные и частотные искажения, а также фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением. Единственным недостатком ООС является уменьшение коэффициента усиления усилителя.

ПОС повышает усиление охватываемых каскадов, а все остальные показатели усилителя изменяет в худшую сторону. При глубокой ПОС в усилителях могут возникать автоколебания. Поэтому, в основном используются ООС.

Влияние ООС на передаточный коэффициент по напряжению

ООС любого вида уменьшает Кос. Это связано с тем, что часть выходной энергии поступает на вход усилителя и во входной контур вводится дополнительная ЭДС – Uвых.oс, которая вычитается из входной ЭДС – U1. Кроме того, выходные и входные цепи усилителя дополнительно нагружаются сопротивлениями звена ОС.

Влияние ООС на коэффициент усиления по току

Это влияние зависит от способа введения энергии во входной контур, то есть от вида связи – параллельная или последовательная.

Последовательная ОС мало влияет на коэффициент усиления по току (Кi), так как она одновременно и в одну сторону изменяет передаточный коэффициент по напряжению и входной ток.

Параллельная ОС существенно уменьшает Кi. В этом случае Кос и входной ток изменяются в разные стороны. Входной ток возрастает, так как уменьшается входное сопротивление усилителя, поскольку параллельно ему включается цепь ОС. Причем полярность Uвых.oс такова, что ток, отдаваемый источником входного сигнала, определяется суммой ЭДС U1 и Uвых.oс.

При параллельной ООС коэффициент усиления по току уменьшается значительно больше чем передаточный коэффициент по напряжению.

Влияние ООС на входное сопротивление усилителя

Также существенно зависит от способа подачи энергии во входную цепь. Последовательная ОС увеличивает входное сопротивление за счет включения цепи ОС. Параллельная ООС уменьшает входное сопротивление, так как сопротивление звена ОС и Uвых.oс, подключаются параллельно входному сопротивлению усилителя.

Влияние ООС на выходное сопротивление усилителя

Величина выходного сопротивления зависит от схемы подключения звена ОС на выходе усилителя, то есть от того какая ОС по току или по напряжению.

ООС по напряжению уменьшает выходное сопротивление по двум причинам: 1) За счет того, что параллельно ему включается сопротивление звена ОС. 2) Главным образом за счет стабилизации выходного напряжения.

ООС по току стабилизирует ток нагрузки, что равноценно увеличению выходного сопротивления. Кроме того, последовательно с выходным сопротивлением включается сопротивление звена ОС, что также увеличивает внутреннее сопротивление усилителя.