Сдам Сам

ПОЛЕЗНОЕ


КАТЕГОРИИ







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 MOSFET и IGBT.

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 Ес с внутренним сопротивлением Rс . Входной сигнал – гармонические колебания синусоидальной формы. Этот маломощный сигнал прикладывается к входному сопротивлению Rвх каскада и управляет энергией источника питания большой мощности. В выходной цепи усилителя источник усиленного сигнала показан в виде генератора Евых с внутренним сопротивлением Rвых. Внешняя нагрузка Rн потребляет энергию усиленного сигнала.

По назначению различают усилители напряжения, тока и мощности.

 
 


Усилитель напряжения – когда входное сопротивление усилителя Rвх » Rс, а сопротивление нагрузки Rн » Rвых. Это обеспечивает относительно большие изменения напряжения на нагрузке при небольших изменения токов во входной и выходной цепях.

Усилитель тока – привыполнении условий Rвх «Rс и Rн «Rвых. 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 Rвх ≈ Rс и Rн ≈ Rвых.

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:

ес - источник сигналов с внутренним сопротивлением Rс.

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

Rэ, Сэ - цепочка последовательной ООС по постоянному току эмиттера. Она служит для термостабилизации режима работы усилителя: постоянная составляющая тока Iэ0 создает на Rэ падение 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 Сэ большой емкости, сопротивление которого переменному току Хс мало. Поэтому ООС по переменному току практически отсутствует.

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

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

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

- подпитывает схему усилителя энергией при возможных кратковременных перегрузках источника питания Екф заряжен постоянным напряжением, равным Ек).

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 Iк.0 , напряжения коллектора Uкэ.0, напряжения Uбэ.0 и тока базы Iб.0.

В режиме покоя через транзистор текут токи

 

Iэ0 = Iк0 + Iб0.

 

Определим положение рабочей точки в режиме покоя с учетом Rэ 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

Uк = Eк – IкRк – IэRэ = Eк – Iк (Rк + Rэ / α).

       
   
 
 
Uбэ 0 n
Р

 


Для крайних случаев: при Uк = 0 Iк = ; при Iк = Iэ = 0 Uк = Eк. По этим двум крайним точкам - M (Uк = 0; Iк = ) и N (Uк = Eк; Iк = 0) строится линия нагрузки MN. При работе в классе «А» рабочую точку Р0 в режиме покоя выбирают в средней части линейного участка входной характеристики транзистора.

Ток IБ0 определяется из величины прямого смещения эмиттерного перехода:

, где Uб = Ек и Rб = .

 

Таким образом, рабочей точке исходного режима Р0 соответствуют координаты Iб0 и Uбэ0 (рис.5.3.). Перенося точку Р0 на выходные статические характеристики, можно получить рабочую точку усилителя Р2 и на нагрузочной прямой с координатами Iк0 и Uкэ0. 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 Rс и составляет величину

Uвх = Ес ,

 

где Rвх – 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 Iэ = Iк + Iб, падение напряжения на Rк, создаваемое током коллектора; в противофазе по отношению к входному сигналу будет меняться напряжение на коллекторе транзистора, причем амплитудный размах IкRк и Uк будет 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 Iэ = Iк + Iб. Выходной ток транзистора Iк создает меньшее падение напряжения IкRк, то есть ведет к росту отрицательного напряжения на коллекторе. С выхода усилителя (с коллектора транзистора) через Ср2 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 Iк, увеличится падение напряжения на Rк, уменьшится отрицательное напряжение на коллекторе, через Ср2 снимется положительная полуволна усиленного сигнала.

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

Основные параметры усилителя с ОЭ:

1. Входное сопротивление Rвх h11 (сотни Ом…единицы кОм).

2. Выходное сопротивление Rвых Rк (единицы…десятки кОм).

3. Коэффициент усиления по току

 

Ki = = (десятки - сотни).

 

Коэффициент усиления по напряжению

 

Кu = (десятки - сотни)

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

Коэффициент усиления по мощности

Kp = |Кi|·|Кu| = Rн

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

 

KU = .


Так как Uб составляет десятые доли вольта и Uвх чуть больше Uвых, то коэффициент усиления по напряжению получается чуть меньше единицы (Ku < 1). То есть по напряжению эмиттерный повторитель не усиливает.

Коэффициент усиления по току

 

Ki = ,

то есть Ki = 1 + β.

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

Коэффициент усиления по мощности Ku = KiKu Ki.

Выходное сопротивление Rвых = = R’н очень мало (десятки Ом).

 

Входное сопротивление Rвх = = Rвых(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 Ср2 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 повторяет сигнал по амплитуде (Кu чуть меньше единицы) и по фазе (по полярности); отсюда он и получил свое название – эмиттерный повторитель.

Так как Uб = Uвх – Uвых, то на вход эмиттерного повторителя можно подавать сигналы с большой амплитудой, вплоть до величины, равной Ек.

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.







Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...





Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:


©2015- 2024 zdamsam.ru Размещенные материалы защищены законодательством РФ.