Усилительные устройства Конспект лекций (1083281), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Для задания величины Iб₀ тока базы в режиме покоя в цепь база-эмиттер необходимо включить резистор Rб(или делитель Rб Rб^//), что показано на рис.5.

При наличии резистора Rэ увеличение эмиттерного тока Iэ₀=Iб₀+Iк₀ из-за повышения температуры приводит к увеличению падения напряжения на резисторе Rэ. Это вызывает понижение потенциала базы по отношению к потенциалу эмиттера, поскольку напряжение Uбэ₀ равно разности напряжений на резисторе Rб и резисторе Rэ, а напряжение на резисторе Rб^// задается делителем и практически постоянно при колебаниях температуры. Уменьшение Uбэ вызывает уменьшение тока Iб₀ и следовательно тока Iк₀. За счет этих противоположно воздействующих влияний происходит стабилизация токов Iб₀ и Iк_0. Резистор Rэ шунтируется конденсатором Сэ, емкость которого выбирается таким образом, чтобы для всех частот усиливаемого переменного сигнала его сопротивление было много меньше Rэ, тогда переменная составляющего тока эмиттера проходит через конденсатор Сэ, почти не вызывая падения напряжения на резисторе Rэ. В результате падение напряжения на резисторе Rэ от постоянной составляющей тока практически не меняется а, следовательно, переменное напряжение на входе каскада оказывается равным переменному напряжению между базой и эмиттером UвхUбэ, т.е. усиливаемое напряжение не меняется за счет цепочки RэСэ (стабильно при изменении температуры).

Приведенная схема усилительного каскада хорошо стабилизирована в диапазоне температур от –60C до +60C, при условии, что напряжение на участках Rк, между коллектором и эмиттером и на участке Rэ-Cэ примерно одинаковы. Значение сопротивлений резисторов Rк и Rэ выбираются примерно одинаковыми от 1 до 10 кОм.

uвх Uк₀+uвых

а) 0 t е)

uвх + Uб₀ Uk_o 0 t

б) u_вых

Uб_о ж) 0

0 t t

i_{б +} Iбо

в)

Iб_о 0 t

iк +Iк_о

г)

Iк_о 0 t

u_Rк+U_Rк0

Рис.6. Временная диаграмма изменений токов и напряжений в усилительном каскаде

д)

U_Rk0 0 t

Работа усилительного каскада может быть показана с помощью рис.6.

На вход усилителя подается синусоидальное напряжение u_вх (рис.6а) Оно складывается с постоянной составляющей напряжения смещения на базе транзистора Uб₀ (рис.6б), в результате чего получаем пульсирующее напряжение базы, совпадающее по фазе со входным напряжением. Ток базы совпадает по фазе с переменным напряжением на эмиттерном переходе и имеет как переменную, так и постоянную составляющую от источника питания Ек (рис. 6в). Изменение коллекторного тока следует за изменением тока базы, причем коллекторный ток также имеет постоянную и переменную составляющие (рис. 6г). Изменение тока i_к вызывает совпадающее с ним по фазе изменение напряжения на резисторе Rк (рис 6д). Изменение напряжения на коллекторе относительно земли находиться в противофазе по отношению к изменению напряжения на Rк (согласно 2-му закону Кирхгофа), а, следовательно, и по отношению ко входному напряжению uвх (рис. 6е). Это напряжение состоит из постоянного смещения Uк₀ за счет источника питания Ек и переменной составляющей. На выходных клеммах усилителя получаем только переменную составляющую, uвых, отделяемую разделительным конденсатором С₂, находящуюся в противофазе со входным напряжением. Т.е. между uвх и uвых существует сдвиг по фазе на 180^о. Это означает, что вход усилительного каскада с коллекторной нагрузкой является инвертирующим. Благодаря тому, что ток коллектора во много раз превышает ток базы, а сопротивление Rк больше Rвх, выходное напряжение усилительного каскада с коллекторной нагрузкой получается во много раз больше входного больше входного напряжения; коэффициент усиления по напряжению этого каскада составляет Кu = 10  100 и каскад называют усилителем напряжения.

Входное сопротивление усилительного каскада Rвх  h_II и обычно лежит в пределах от нескольких сотен до нескольких кОм.

Выходное сопротивление обычно больше входного и может достигать нескольких десятков кОм.

Анализ работы усилительного каскада проводится по статическим входным и выходным характеристикам транзистора и называется графоаналитическим методом. Для коллекторной цепи усилительного каскада в соответствии со вторым законом Кирхгофа можно записать следующее уравнение электрического состояния:

Ек = Uк + RкIк

На выходных статических характеристиках биполярного транзистора строится линия нагрузки, т.е. вольтамперная характеристика коллекторного резистора Rк, получаемая из предыдущего выражения (рис. 7).

Uк = Ек – RкIк

Эту прямую строят по двум точкам, в которых она пересекает оси:

ось абсцисс в точке Uк = Ек при Iк = 0

ось ординат в точке Iк = Ек/Rк при Uк = 0

Наклон линии нагрузки определяется резистором Rк, а именно:

tg = m_i / Rк*m_u

где  - угол наклона линии нагрузки к оси абсцисс, m_i и m_u – масштабные коэффициенты для тока и напряжения. Значения токов iк, i_б, напряжений на коллекторе uк и на транзисторе u_Rк определяются точкой пересечения линии нагрузки с соответствующей выходной характеристикой, причем эта точка при пульсациях входного напряжения перемещается вдоль линии нагрузки.

В режиме покоя (u_вх = 0) положение рабочей точки выбирается в середине рабочей области характеристик, ограниченной гиперболой PQ допустимой мощности, рассеиваемой транзистором, а также максимально допустимыми током Iк_max и напряжением транзистора Uкэ_max (рис. 7а).

Такое положение рабочей точки В на линии нагрузки, когда отрезки АВ и ВС равны, обусловлено стремлением получить высокую степень линейности режима усиления при минимальном потреблении мощности каскадом в режиме покоя. Снизу участок линейного усиления на линии нагрузки ограничен минимально допустимым током коллектора (точка С), соответствующий ему минимальный ток базы (точка С на рис. 7б) определяется началом линейного участка входной характеристики. Все входные характеристики транзистора располагаются достаточно близко, поэтому в качестве динамической входной характеристики используется положение средней при Vкэ0 (например, при Vкэ = 5 В). Точка А на линии нагрузки соответствует уменьшению коэффициента передачи по току  транзистора при больших величинах тока Iк (т.е. нарушению линейности).

Iк P Pк_max I_б6

Iк_max I_б5

Eк/Rк

i_к A I_б4

I_б3

Iк_m

t В(р.т.)

I_б2

Iк₀ С I_б1

Q

Vкэ

Uкэ₀ Um_вых Ек Uкэ_max

а) u_вых

t

I_б

Uкэ =0 Uкэ = 0

Iб5 А

i_б Iб_m

t B P.T.

Iб₀

Iб₁

С

Uбэ

Vбэ₀

Uвх

t

б)

Рис. 7 Определение рабочего режима усилителя с помощью входных (а) и выходных (б) статических характеристик транзистора.

Точке А на выходных характеристиках соответствует точка А^/ на входных характеристиках транзистора, определяющая максимальный ток базы. Точка B^/ (рабочая точка РТ) соответствует значению тока покоя базы Iб₀.

По положению рабочей точки определяются параметры режима покоя ( Iк_0, Iб_0, Vкэ_0, Vбэ₀), а рабочий участок характеристик (АС и А^/С^/) позволяет определить амплитуды переменных составляющих токов базы i_б, коллектора i_к, напряжений uбэ=uвх и uкэ=uвых, и вычислить коэффициенты усиления каскада.

Описаный режим работы усилителя соответствует классу А. В зависимости от положения рабочей точки покоя на динамической характеристике различают режимы работы транзистора в схеме – классы А, В, АВ и С.

При работе в режиме класса А рабочая точка покоя выбирается посередине. Этот режим обеспечивает минимальные нелинейные искажения но к.п.д. каскада мал.

С целью повышения к.п.д. усилителя используются классы усиления В, АВ и С, однако в этих классах велики нелинейные искажения сигнала.

В классе В напряжение смещения Uбэ₀ равно нулю и точка покоя располагается в нижнем конце линии нагрузки.

Класс АВ – промежуточный между классами А и В.

В классе С точка покоя выбирается в области отсечки и при отсутвии входного сигнала транзистор заперт.

Усилительный каскад на полевом транзисторе.

Большое распространение получили усилительные каскады на полевых
транзисторах, так как они обладают значительно большим входным сопротивлением по сравнению с усилительными каскадами на биполярных транзисторах. Наиболее часто используется каскад с общим истоком, схема которого приведена на рис.8.

+Ec

Характеристики

Список файлов книги