Типовые узлы электронных схем
Электронные усилители 3.1.1. Классификация электронных усилителей
Электронный усилитель – устройство, увеличивающее мощность электрических сигналов. Формы выходного и входного сигналов совпадают, увеличение мощности выходного сигнала осуществляется за счет мощности источника питания. Структурная схема однотактного усилителя может быть представлена в виде:
Рис.3.1. Структурная схема однотактного усилителя
По назначению усилители делятся на: 2. Усилители напряжения: Rвх ≫ Rис и Rвых ≪ Rн. 3. Усилители тока: Rвх ≪ Rис и Rвых ≫ Rн. 4. Усилители мощности: Rвх ≈ Rис и Rвых ≈ Rн. Иногда режимы работы усилителя по входу и выходу не совпадают: усилитель мощности с потенциальным входом. По виду усиливаемых сигналов различают усилители гармонических и импульсных сигналов. По характеру изменения во времени усиливаемого сигнала различают усилители постоянного тока (УПТ) и переменного тока. В зависимости от рабочего диапазона частот различают усилители низкой частоты и высокой частоты. По ширине полосы усиливаемых частот различают: 1. Избирательные усилители f в / f н < 1,1. 2. Широкополосные f в / f н > 1000. Усилители постоянного тока и импульсные относятся к широкополосным. Под условной полосой пропускания понимают диапазон частот, на границах которого уровень сигнала не ниже К основным характеристикам ЭУ относятся: коэффициент усиления, входное и выходное сопротивления, коэффициент нелинейных искажений γ, частотная Коэффициент усиления и КПД (η):
Для многокаскадных усилителей:
Иногда коэффициент усиления выражают в логарифмическом масштабе.
Различают электрический и полный коэффициенты полезного действия. Электрический КПД: Р – полезная мощность, выделяемая в нагрузке; Р0 – мощность, потребляемая коллекторной цепью от источника. Полный КПД: где Робщ – мощность, потребляемая всеми цепями усилителя. Входное и выходное сопротивления:
Выходное сопротивление Rвых определяют между выходными зажимами усилителя при отключенной нагрузке и Евх = 0. В реальном усилителе выходной сигнал кроме временной задержки ∆t которая не вносит изменений в форму сигнала, содержит нелинейные и линейные искажения. Их источниками являются нелинейность ВАХ элементов и зависимость коэффициента передача по току α и сопротивлений реактивных элементов от частоты. Уровень нелинейных искажений характеризуется коэффициентом нелинейных искажений:
![]()
Нелинейные искажения растут с увеличение амплитуды входного сигнала. Амплитудная характеристика усилителя
Рис.3.2. Амплитудная характеристика усилителя
Характер линейных искажений оценивают по амплитудно-частотной (АЧХ) и фазово-частотной (ФЧХ) характеристикам усилителя. Обычно частотные искажения рассматривают на границах частотного диапазона и оценивают коэффициентами частотных искажений.
Рис.3.3. Амплитудно-частотная характеристика
Рис.3.4. Фазо-частотная характеристика
Фазовые искажения не вносят изменений в спектральный состав сигнала. Как и амплитудные искажения фазовые растут с ростом амплитуды входного сигнала. Нелинейные искажения определяются следующими причинами и факторами: 1. Уровнем входного напряжения (или ЭДС Евх.); 2. Нелинейностью входных ВАХ транзистора; 3. Отношением внутреннего сопротивления источника входного сигнала к входному сопротивлению усилителя Rвн ⁄ Rвх.ус.; 4. Нелинейностью выходных характеристик транзистора; 5. Схемой включения транзистора. Зависимость коэффициента нелинейных искажений
от отношения Rвн\Rвх.ус. имеет для схемы с ОЭ вид, изображенный ниже. Оптимальным является отношение
Рис.3.5. Уровень нелинейных искажений в функции отношения
Линейные искажения в усилителях в основном объясняются зависимостью коэффициента передачи по току α и реактивных сопротивлений элементов схемы от частоты. Линейные искажения оценивают по АЧХ и ФЧХ. Реально гармоники входного сигнала усиливаются усилителями не одинаково и в сумме дают искажение формы и амплитуды выходного сигнала.
3.1.2. Режимы работы транзистора в усилителе
Как было сказано ранее, электронные усилители предназначены для усиления электрических сигналов. Однако, прежде чем подать на вход усилителя подлежащий усилению сигнал, необходимо обеспечить начальный, статический режим по постоянному току. Например, в схеме с общим эмиттером начальный режим характеризуется положением так называемой начальной рабочей точки (НРТ) с координатами UКЭНи IКН. Для стабильной работы усилителя стремятся не допускать изменения положения НРТ. В настоящее время нашли применение три способа задания положения НРТ: 1. с фиксированным током базы; 2. с коллекторной стабилизацией; 3. с эмиттерной стабилизацией. 1. С фиксированным током базы
Рис.3.6. Схема задания положения НРТ фиксированным током базы
Из схемы следует:
Получено уравнение динамической нагрузочной характеристики. Совместно со статическими выходными характеристиками транзистора:
Рис.3.7. Динамическая нагрузочная характеристика
Для внешнего контура схемы:
Учитывая, что
Как следует, ток базы “фиксирован” и задается Rб и Ек. При этом:
Начальная рабочая точка определится пересечением выходной динамической характеристики и статической Iб = Iб3. Очевидно, при изменении Rб = 0···∞ положение НРТ будет меняться от А до В. Этот способ применяется редко, так как при воздействии дестабилизирующих факторов (Т,U) меняется и положение НРТ, а во вторых – требуется индивидуальный подбор Rб для транзисторов с разными β.
2. С коллекторной стабилизацией
Рис.3.8. Схема с коллекторной стабилизацией.
Эта схема обеспечивает лучшую стабилизацию начального режима. В схеме имеет место отрицательная обратная связь по напряжению. Например, с ростом температуры Т°К начнет расти ток IK и падение напряжения URK, что в свою очередь вызовет уменьшение Uэк = ЕK – URKи, следовательно, тока базы:
Это будет препятствовать значительному росту тока IK: 3. С эмиттерной стабилизацией
Рис.3.9. Схема с эмиттерной стабилизацией.
Основная идея – стабилизация тока эмиттера Iэ ≃ Iк. Падение напряжение URэ= UR2– Uэб ≃ (0.2 Eк) Если под воздействием дестабилизирующих факторов увеличится Iк ≈ Iэ2., то уменьшится ток базы, что вернет ток Iк к его прежнему значению: В схеме используется низкоомный делитель напряжения R1 – R2, чтобы Если одно из сопротивлений делителя [R (t)] взять нелинейным R(t), то при изменении температуры автоматически будет изменяться и напряжение смещения в нужном направлении. Различают такие режимы работы усилителя: А, АВ, В, С и D. Степень нелинейных искажений усиливаемых сигналов и КПД усилительного каскада определяются выбором режима его работы (класса).
В режиме класса A рабочая точка не выходит за пределы линейного участка проходной динамической характеристики [Iвых = f (Uвх)], а точка покоя НРТ находится примерно на середине этого участка.
Рис.3.11. Проходная динамическая характеристика. Режим класса A
Напряжения начального смещения UВХнв этом режиме всегда по модулю больше амплитуды входного сигнала: UВХн> UВХ т ; (3.24)
и ток покоя IВЫХнне больше амплитуды выходного тока: IВЫХн > IВЫХ т . (3.25)
Так как в выходной цепи усилителя протекает ток в течение всего периода изменения напряжения усиливаемого сигнала, КПД невелик ≤30%. В этом режиме работают каскады предварительного усиления. В режиме класса B напряжение начального смещения UВХнвыбирается таким, чтобы НРТ находилась в самом начале проходной динамической характеристики. При наличии входного сигнала ток в выходной цепи каскада протекает в течение половины периода изменения входного сигнала с углом отсечки 2ϴ ≃ π. Так как при отсутствии входного сигнала выходной ток пренебрежимо мал IВЫХн≈ 0, то КПД усилителя значительно выше η = 60 – 70%. Однако этот режим – класс B – характеризуется значительно большими нелинейными искажениями.
Рис.3.12. Проходная динамическая характеристика. Режим класса B
При работе усилительного каскада в режиме класс С начальное напряжение смещения UВХнвыбирается таким, чтобы НРТ лежала левее начала проходной динамической характеристики. При этом ток покоя равен нулю. Здесь угол отсечки При такой нагрузке уровень нелинейных искажений выходного сигнала значительно снижается.
Рис.3.13. Проходная динамическая характеристика. Режим класс C
3.1.3. Однокаскадный усилитель на биполярном транзисторе с ОЭ
Наиболее распространенная схема включения транзистора p-n-p типа в усилительный каскад с ОЭ.
Рис.3.14. Схема включения транзистора p-n-p типа в усилительный каскад с ОЭ
При выполнении схемы на транзисторе n-p-n типа изменяют полярность источника питания Ек. Усилительный каскад содержит: транзистор с сопротивлением коллекторной нагрузки Rк; цепь напряжения смещения (делитель R1 и R2); цепь температурной стабилизации положения точки покоя (Rэ и Сэ) и две переходные цепи С2Rн и С1Rвх.пер.
где
R – эквивалентное сопротивление параллельно включенных резисторов R1 и R2 по переменному току.
Входное усиливаемое переменное напряжение подводится к входу усилителя через разделительный конденсатор С1, который препятствует передаче постоянной составляющей напряжения входного сигнала на вход усилителя, поддерживая неизменным режим работы транзистора по постоянному току. При анализе свойств усилителя применим метод наложения: раздельно рассмотрим работу в режиме постоянного тока и режиме переменного тока. Расчет по постоянному току. В схеме с эмиттерной стабилизацией ток базы определяется при отсутствии входного переменного сигнала (Еи = 0) напряжением
Предположим, что при заданном значении ЭДС питания (Ек), мощности каскада требуется обеспечить начальный режим работы (класс) при заданном начальном постоянном токе IКН. Напряжение на резисторе RЭ стабилизации положения НРТ принимают равным:
Учитывая, что IЭ = IК, находят RЭ:
Затем находят сумму сопротивлений RК + RЭ:
Резистор RК определяют из суммы:
Максимальный ток базы, соответствующий максимальному коэффициенту передачи тока базы в схеме с ОЭ.
Для уменьшения влияния тока базы на положение НТР ток делителя принимают на порядок больше:
При этом сумма сопротивлений R1 + R2 определяется так:
Напряжение на резисторе R2 (UR2) зависит от материала транзистора: - для кремниевых транзисторов UБЭ ≃ (0,6…0,7)V, - для германиевых транзисторов UБЭ ≃ (0,3…0,4)V. Тогда
и
Окончательно сопротивление резистора R1:
Изложенный порядок позволяет определить RК, RЭ, R1 и R2 на предварительном этапе проектирования до применения математического моделирования. Для анализа работы усилительного каскада по переменному току воспользуемся эквивалентной схемой транзистора в области средних частот:
Рис.3.15. Эквивалентная схема транзистора в области средних частот
Обратный ток теплового насыщения Для анализа усилительных свойств каскада по переменному току воспользуемся эквивалентной схемой замещения транзистора с ОЭ.
![]()
Рис.3.16. Т – образная схема замещения транзистора в сочетании с эквивалентной схемой усилительного каскада
Здесь rэ – дифференциальное сопротивление прямосмещенного эмиттерного перехода (единицы-десятки Ом) rБ – сопротивление цепи базы (единицы десятки Ом) rк´ – дифференциальное коллекторное сопротивление по схеме с ОЭ (сотни килом):
rк – дифференциальное сопротивление коллекторного перехода по схеме с ОБ. β – коэффициент передачи тока базы в схеме с ОЭ. βIБ – эквивалентный источник тока (базы) – характеризует передачу тока из базы в коллектор. Из схемы замещения можно получить:
Подставим
Из (3.32) с учетом (3.35): Из (3.31) с учетом (3.36):
и
Полное входное сопротивление усилителя:
Обычно rк´≫ Тогда Выходное напряжение находится в противофазе с входным. Коэффициенты усиления по напряжению:
если rк´≫ Коэффициенты усиления по току при
Если rк´≫
если
или если rк´≫ Учитывая связь физических параметров транзистора с его h-пара-метрами
получим:
Данный анализ проведен в области средних частот, в которой можно пренебречь реактивными сопротивлениями емкостей. В области малых частот происходит уменьшение KU и возрастают частотные искажения. Для расширения частотного диапазона следует увеличивать С1, С2. Максимальный коэффициент усиления по мощности имеет схема с ОЭ.
3.1.4. Эмиттерный повторитель
Рис.3.17. Схема усилителя на БП (Эмиттерный повторитель)
Назначение элементов схемы то же, что и в схеме с ОЭ. Сопротивление нагрузки переменному току
Выходное напряжение, снимаемое с Rэн находится в фазе с входным Uвх. Кроме того, Vвых < Vвх на величину UБ. Так как сопротивление участка эмиттер-база значительно меньше Rэн, то Uвых ≫ UБ и Uвых ≈ Uвх т.е. KU ≈ 1. Входное сопротивление значительно больше, чем в схеме с ОЭ:
где Поэтому эмиттерный повторитель, в основном, используют для согласования сопротивлений усилительных каскадов, источников сигнала и нагрузки. Для увеличения входного сопротивления начальное смещение часто задают фиксированным током базы I0Б, при этом R = RБ велико т.к. IБ – мал. Выходное сопротивление невелико:
Рис.3.18. Схема эмиттерного повторителя с повышенным входным сопротивлением
3.1.5. Усилители на полевых транзисторах
Рассмотрим RC-усилитель на полевом транзисторе с p-n переходом. Транзистор имеет канал n-типа.
Рис.3.19. Усилительный каскад на полевом транзисторе с включенным общим истоком
Начальное напряжение на затворе должно быть запирающим т.е. Uиз > 0, а Uзн < 0 (3.68)
Для его получения в цепь истока включают сопротивление Rи, на котором возникает падение напряжения URиот прохождения по нему начального тока истока Iин. Это напряжение через резистор R3 передается на затвор. Учитывая, что ток затвора полевого транзистора пренебрежимо мал, можно считать, что и UR3≈ 0. Тогда: URи– UR3– Uиз = 0 (3.69)
Uи3= URи (3.70)
Рассмотренную схему обеспечения начального режима работы транзистора называют схемой с автоматическим смещением. Если задан начальный ток стока (Iсн = Iин) и начальное напряжение Uизн, то сопротивление Rи следует выбирать из соотношения
Сопротивление затвора R3 ≈ 1МΩ. Рассматриваемая схема обладает повышенной стабильностью. Модуль коэффициента усиления каскада в области средних частот:
![]()
Рис.3.20. Стоко-затворная характеристика с НРТ
3.1.6. Обратные связи в усилителях
Под обратной связью (ОС) понимают введение сигнала с выхода устройства на его вход, где он суммируется или вычитается из входного сигнала.
Рис.3.21. Структура обратных связей в усилителях
Сигнал на входе устройства, охваченного ОС, находят из выражений:
Знак плюс “+” соответствует положительной ОС, знак минус – отрицательной ОС. Петлёй обратной связи называется контур, включающий цепь ОС и часть усилителя между точками подключения цепи обратной связи. В электронных усилителях используют отрицательные обратные связи – (ООС). В зависимости от способа получения сигнала ОС различают: ОС по напряжению, ОС по току и комбинированные. В зависимости от способа введения сигнала ОС во входную цепь различают: параллельную, последовательную и смешанную ОС. Для количественной оценки степени влияния ОС используют коэффициент ОС – βОС, который показывает, какая часть выходного напряжения (тока) поступает на вход усилителя.
ОС оказывает влияние практически на все характеристики усилителя. Отрицательная ОС повышает стабильность основных характеристик усилителя. Так, относительная нестабильность коэффициента усиления при введении ООС описывается выражением:
т.е. уменьшается в (1+К·βОС) раз. Входное сопротивление при введении последовательной ООС увеличивается в (1+К·βОС) раз, что является благоприятным фактором. Однако, при этом снижается и коэффициент усиления
Следует также отметить, что введение ООС расширяет полосу пропускания ∆ f. Величина (1+К·βОС) называется глубиной обратной связи. В эмиттерных повторителях сопротивление Rэ не шунтируется ёмкостью Сэ, поэтому ООС действует и по переменному току – последовательная по входу 100% отрицательная обратная связь, чем и объясняется увеличение входного сопротивления по сравнению со схемой с ОЭ.
3.1.7. Усилители постоянного тока (УПТ)
Основное отличие усилителей постоянно тока от усилителей переменного тока заключается в том, что нижняя граница частоты полосы пропускания соответствует f н = 0. В таких усилителях можно использовать только гальваническую связь между каскадами, поэтому их называют также усилителями с непосредственной связью. В схемах УПТ отсутствуют реактивные элементы, поэтому в них наряду с полезным сигналом одновременно может проходить и сигнал помехи.
ω
Рис.3.22. Частотная характеристика УПТ
На выходе УПТ эти сигналы складываются и невозможно определить уровень истинного сигнала. Непостоянство выходного сигнала при неизменном уровне входного сигнала, обусловленное влиянием внутренних процессов, называется дрейфом нуля УПТ. Качественная оценка различных УПТ по уровню дрейфа нуля производится на основании дрейфа, приведенного к входу усилителя.
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|