Схемы включения транзистора и коэффициент передачи по току

3.2.1. Схема с общей базой (об)

В схеме с ОБ входной цепью является цепь эмиттера, а выходной цепью – цепь коллектора, следовательно, коэффициент передачи по току . Таким образом, схема с ОБ не усиливает по току.

Рис. 3.4. Схема включения транзистора с ОБ

3.2.2. Схема с общим эмиттером (оэ)

В схеме с ОЭ входной цепью является цепь базы, а выходной цепью – цепь коллектора, следовательно, .

Рис. 3.5. Схема включения транзистора с ОЭ

3.2.3. Схема с общим коллектором (ок)

В схеме с ОК входной цепью является цепь базы, а выходной цепью – цепь эмиттера, следовательно, .

Таким образом, схема с ОК имеет наибольший коэффициент передачи по току. Если ß >> 1, то Кi ≈ ß.

Рис. 3.6. Схема включения транзистора с общим коллектором

Оптоэлектронные приборы

Обратный ток утечки в р-п переходе обусловлен, как мы видели, неосновными носителями. Обычно пары электрон-дырка возникают только за счет тепловой

энергии. Но если на р-п переход падает свет, то это приводит к значительному

увеличению плотности неосновных носителей. Электроны и дырки, освобожденные энергией падающих фотонов, вызывают значительное увеличение обратного тока утечки.

Фотодиод - это простой р-п переход, помещенный в корпус с прозрачным окном. Обычно такой диод работает со смещением в обратном направлении, и типичное значение его тока в темноте равно 1 нА; при освещении с интенсивностью 1 мВт/см2 ток увеличивается до 1 мкА. Такую интенсивность дает лампа мощностью 60 Вт на расстоянии около 30 см B00 люкс).

Фототранзистор — это просто обычный транзистор с прозрачным окном в корпусе. Некоторые фототранзисторы, такие как TIL78, залиты в прозрачный пластик; верх его обычно выпуклый и действует как линза, фокусирующая свет на транзистор, это увеличивает эффективную чувствительность прибора и делает его направленным.

Когда свет падает на транзистор, в обоих р-п переходах освобождаются неосновные носители, но увеличение фототока дают те из них, которые образуются у смещенного в обратном направлении перехода коллектор-база. Точно так же, как тепловой ток утечки 1_СВ0перехода коллектор-база усиливается транзистором и дает больший ток утечки коллектор-эмиттер 1_СЕ0, подобным образом усиливается и фототок, возникающий в переходе коллектор-база. Чувствительность фототранзисторов обычно в сто раз выше, чем у фотодиода. Базовый вывод, как правило, не используется; и в самом деле, дешевые фототранзисторы, такие как TIL78, имеют выводы только коллектора и эмиттера.

Раздел, посвященный оптоэлектронике, будет неполным без упоминания о светодиодах (Light-Emitting Diode, LED), p-n переходы некоторых составных полупроводников, особенно фосфида галлия и арсенида галлия, излучают свет, когда смещены в прямом направлении. Обычно прямой ток составляет от 5 мА до 80 мА и для ограничения этого тока последовательно с диодом включают резистор. Имеются светодиоды с красным, зеленым, желтым и довольно слабым синим свечением, достаточно яркие, чтобы их использовать в качестве световых индикаторов с практически неограниченным сроком службы. В схемах на рис. 1.3, 1.4 и 1.5 лампу с напряжением 6 В и током 0,04 А можно заменить светодиодом с последовательно включенным резистором 100 Ом, ограничивающим ток. Помните, что катод светодиода

надо подключать к точке с более низким потенциалом, чтобы получить прямое смещение перехода.

Объединение светодиода и фототранзистора дает полезный прибор, называемый оптопарой (оптроном). Направив светодиод на фототранзистор, мы получаем возможность передавать сигналы из одной цепи в другую с полной электрической изоляцией. Развитием принципа оптической связи стала передача сигналов по

оптоволоконным линиям.

Тестирование транзисторов

В экспериментальной электронике полезно иметь простой метод тестирования транзисторов.

Двумя параметрами, которые лучше всего указывают на исправность транзистора, являются ток утечки коллектор-эмиттер 1_СЕ0 и коэффициент усиления постоянного тока h_fF Оба они измеряются в схеме, приведенной на рис. 1.17. Когда ключ S разомкнут, ток базы не течет и миллиамперметр в коллекторной цепи показывает ток утечки I_CEg. Когда ключ замкнут, базовый ток около 10 мкА течет через резистор R (около 0,6 В падает на переходе база-эмиттер, так что 1_В = (9 - 0,6) / 820000 = 10 мкА).

Таким образом, усиленный ток в коллекторной цепи равен h_fE /100 миллиампер.

Чтобы упростить измерения, можно взять микроамперметр со шкалой 0—100 мкА и шунтом R_S включаемым с помощью S при замыкании ключа S.

Таким образом, маленький ток утечки измеряется в диапазоне 100 мкА, затем прибор шунтируется так, чтобы его полная шкала соответствовала 10 мА для измерения hFE. Для тестирования р-п-р транзисторов полярность батареи и измерительного прибора изменяют на противоположные.

Тиристор [4]

Общие сведения о тиристоре

Рассмотрение источников питания и регуляторов мощности не будет полным, если не сказать о тиристорах — полупроводниковых переключателях, обладающих как высоким напряжением пробоя, так и очень большим коэффициентом усиления тока. Слово тиристор происходит от греческого thyra, означающего дверь, и указывает на то, что он может быть или открыт, или закрыт. Другое название у этого прибора — кремниевый управляемый вентиль (КУВ). Последнее название указывает на то, что тиристор ведет себя как диод с дополнительной возможностью управлять мощностью, направляемой в нагрузку.

Тиристор не будет проводить до тех пор, пока не протечет импульс тока в цепи запуска. Если запуск произошел, то в действие вступает регенеративный процесс и тиристор продолжает проводить до тех пор, пока источник напряжения не будет удален. Рис. 9.40 иллюстрирует это свойство на простой схеме, где выпрямляется некоторая часть входного переменного напряжения. Проводящее состояние тиристора не наступает до тех пор, пока импульс тока не протечет от управляющего электрода к катоду; поэтому фаза последовательности запускающих импульсов по отношению к переменному напряжению источника определяет долю периода, в пределах которой открывшийся тиристор пропускает сигнал. Тиристор автоматически выходит из состояния проводимости в конце каждого полупериода, поскольку входное напряжение уменьшается до нуля.

Конструкция и принцип действия тиристора.

Тиристор, как показано на рис. 9.41 (а), является четырехслойным устройством {р-п-р-п). Однако его условное обозначение (рис. 9.41(A)) выглядит просто как выпрямляющий диод с дополнительным управляющим электродом.

Наиболее удачным подходом к объяснению принципа действия тиристора является представление четырех его слоев в виде двух взаимно связанных транзисторов, как показано на рис. 9.41(с, d). Мы сейчас придем к выводу о совместном регенеративном поведении р-п-р и п-р-п транзисторов, опираясь на схему, приведенную на рис. 9.42, где указаны ток нагрузки I_L, пусковой ток 1g, коллекторный ток транзистора T₁ (I_c1) и коллекторный ток транзистора Т₂ (I_c2)). Обозначим через h_m и h_Fn коэффициенты усиления постоянного тока транзисторов T₁, и Т₂, включенных по схеме с общим эмиттером.

Очевидно, что по мере приближения величины h_FE]h_FE2 к единице, ток нагрузки, согласно равенству (9.10), стремится к бесконечности; фактически, конечно, он будет ограничен внешней нагрузкой, а тиристор при этом ведет себя просто как замкнутый ключ.

У всех транзисторов коэффициент усиления тока уменьшается при малых значениях базового тока, и тиристор сконструирован так, чтобы в случае, когда внешний ток запуска примерно равен нулю, произведение коэффициентов усиления тока транзисторов было меньше единицы. По мере увеличения тока запуска до нескольких миллиампер, произведение h_FElh_FE2 быстро достигает единицы и тиристор включается.

Внутренняя обратная связь делает тиристор чрезвычайно эффективным и быстрым переключающим устройством (типичное время включения 1 мкс).

Им можно воспользоваться для управления очень большими мощностями, поскольку р-п переходы можно сделать такими, чтобы они выдерживали многие сотни вольт при смещении в обратном направлении. При соответствующих размерах р-п переходов с помощью тиристора можно переключать токи величиной в сотни ампер и при этом на нем падает напряжение всего лишь порядка вольта или около этого. Такого сочетания высокого напряжения пробоя с большим эффективным коэффициентом усиления тока нельзя достичь в мощном транзисторе: большой коэффициент усиления тока требует, чтобы область базы была тонкой, а это приводит к низкому напряжению пробоя.

Управление мощностью с помощью транзистора

Усовершенствования в производстве транзисторов и улучшение его температурных характеристик привели к расширению использования мощных биполярных транзисторов и МОП-транзисторов в схемах для переключения постоянных токов до 100 А. Такие устройства, конечно, свободны от трудностей с выключением, свойственных тиристору, когда он проводит постоянный ток: база или затвор транзистора управляют им все время.

Распространенное применение МОП-транзистора демонстрирует автомобильная система зажигания; здесь коммутируются токи вплоть до 10 А, а противо-э.д.с. на катушке зажигания достигает сотен вольт.

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) является интересным «гибридом» биполярной и МОП-технологий и успешно применяется в качестве переключателя средней и большой мощности. Подобно МОП- транзистору его затвор не потребляет ток от управляющего сигнала; в других отношениях он ведет себя как мощный биполярный транзистор. Интересно отметить, что IGBT обладает тем преимуществом по сравнению с МОП-транзистором, что в меньшей степени подвержен тепловому пробою при переключении непредвиденно больших переходных токов. Это обстоятельство обусловлено тем, что у МОП-транзистора положительный температурный коэффициент сопротивления: чем горячее он становится, тем большая мощность рассеивается на нем, и это приводит к катастрофическим повреждениям при перегрузке. У IGBT, напротив, температурный коэффициент отрицателен, и за него можно не беспокоиться, поскольку падение напряжения на нем действительно уменьшается при его разогреве.

Модуль 2. Электронные устройства - ПК-3,5.

Тема № 1: Аналоговые устройства. [5].

Усилители различного назначения.

Усилитель — устройство, увеличивающее мощность (напряжение, ток) входного сигнала за счет энергии внешнего источника питания посредством усилительных элементов (полупроводниковых приборов, электронных ламп и др.).

На рис. 3.1. представлена структурная

схема включения усилителя в цепь усиления электрического сигнала,

где 1 — источник входного сигнала;

2 — усилитель;

3 — источник питания;

4 — нагрузка.

В качестве источника питания усилителя используют стабильные источники энергии постоянного тока. Источник входного Рис. 3.1сигнала (датчик) формирует изменяющееся во времени напряжение u_вх (ток i_вх) различной амплитуды, частоты и формы. Нагрузка усилителя — устройство, которое можно представить в виде линейного пассивного двухполюсника. Сам усилитель с парой входных и парой выходных зажимов обычно представляют в виде нелинейного четырехполюсника вследствие нелинейности характеристик входящих в него элементов.

Усиление входного сигнала по мощности (по напряжению, по току) происходит за счет преобразования электрической энергии источника питания в энергию выходного сигнала вследствие изменения сопротивления усилительных элементов (транзисторов, электронных ламп и др.) по закону, задаваемому входным сигналом.

Условное обозначение усилителей на схемах изображено на рис. 3.2. Напряжение входа u_вх и напряжение выхода u_вых измеряют относительно общего вывода (рис. 3.2, а).

При упрощенном изображении усилителя в виде прямоугольника, на нем изображают только вход и выход (рис. 3.2, б), опуская выводы напряжения питания Un и общий вывод.

Важнейшим параметром усилителя является коэффициент усиления по мощности, равный отношению изменения мощности выходного сигнала к изменению мощности входного сигнала, т. е.

Помимо коэффициента усиления по мощности вводят также:

коэффициент усиления по напряжению;

коэффициент усиления по току

Тогда коэффициент усиления по мощности Kp=KuKi . В некоторых схемах усиления один из двух коэффициентов (Ku или Ki) может быть меньше единицы.

Электронные усилители классифицируют по следующим признакам:

по усиливаемой величине: усилители напряжения (УН), тока (УТ),

мощности (УP);

по назначению: измерительные; для устройств теле и радиовещания; общепромышленного использования;

операционные, используемые в аналоговых и аналого-цифровых устройствах;

по характеру усиливаемых сигналов: усилители гармонических, импульсных и другой формы сигналов;

по частоте усиливаемых сигналов: усилители постоянного тока (УПТ); усилители звуковой частоты (УНЧ, f < 30 кГц); усилители высокой частоты (УВЧ, f < 300 МГц); усилители сверхвысокой частоты (УСВЧ, f < 300 ГГц);

по ширине частотного спектра выходного сигнала: широкополосные и узкополосные (резонансные); по схеме включения транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ); с общей базой (ОБ);

с общим коллектором (ОК); с общим истоком (ОИ); с общим стоком (ОС); с

общим затвором (ОЗ);

по количеству каскадов усиления: однокаскадные; многокаскадные (каскад предварительного усиления, промежуточные и выходной каскады);

по типу связи между каскадами и между оконечным каскадом и нагрузкой: резистивная (гальваническая), ёмкостная, трансформаторная.

У многокаскадного усилителя общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов:

K = K1 ⋅K2 ⋅...⋅Kn.

На практике обычно используют логарифмическую (десятичную) меру оценки коэффициентов усиления, измеряемую в децибелах (дБ):

Kp(дБ) =10lg(Рвых /Рвх) =10lgKp ; Ku(дБ) =20lgKu и Ki(дБ) =20lgKi .

Например, для двухкаскадного усилителя с коэффициентами Ku1 =100 и Ku2 =10

Ku(дБ) =20lgKu1+20lgKu2=20⋅2+20⋅1=60дБ.

3.2 Характеристики усилителей

Важнейшими характеристиками усилителя являются амплитудная и частотные. Амплитудная характеристика описывает усилитель при фиксированной нагрузке и подаче на вход синусоидального напряжения фиксированной частоты:

u_вх =U_msinωt, ω=const .

Амплитудная характеристика — это зависимость амплитуды (или действующего значения) выходного сигнала от амплитуды (или действующего значения) входного синусоидального сигнала, т. е. U_вых= f (U_вх).

Типичный вид амплитудной характеристики усилителя изображен на рис. 3.3.

Пунктиром показана амплитудная характеристика идеального усилителя. Отклонение реальной характеристики от идеальной объясняется наличием шумов и нелинейностям характеристик усилительных элементов при слабых и больших входных сигналах.

Динамическим диапазоном усилителя в децибелах называют отношение максимального значения входного напряжения к минимальному на линейном участке ab амплитудной характеристики (см. рис. 3.3):

Коэффициент усиления по напряжению на этом участке

Уровень шума — это отношение напряжения шумов U_ш в режиме покоя (приведенного к входу усилителя) к максимальному значению выходного напряжения U_вых.max, выраженное в децибелах:

Коэффициент нелинейных искажений

где U_m1 — амплитуда первой гармоники; U_m2, U_m3, ј — амплитуды высших гармоник выходного напряжения.

Частотные характеристики усилителя строят при фиксированной нагрузке и входном синусоидальном напряжении:

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) — это зависимость коэффициента усиления, например, по напряжению Ku от частоты f входного сигнала.

Обычно АЧХ строят на двойной логарифмической сетке: по оси ординат откладывают значения Ku в децибелах, а по оси абсцисс — частоту в логарифмическом масштабе, однако около делений записывают значения частоты без логарифма (рис. 3.4).

Полоса пропускания усилителя определяет диапазон частот f (или w), в пределах которой коэффициент усиления на средней частоте не снижается ниже

своего уровня:

где fв и fн — верхняя и нижняя частоты среза АЧХ усилителя.

Фазочастотная характеристика (f) — зависимость угла сдвига фаз между выходным и входным напряжениями усилителя от частоты f (см. рис. 3.4). Фазовые искажения в усилителе отсутствуют, когда фазовый сдвиг линейно зависит от частоты.

Входное и выходное сопротивления усилителя:

Выходная мощность при сопротивлении нагрузки R_н

Типичная схема однокаскадного усилителя на биполярном транзисторе.

На принципиальной схеме усилителя на биполярном транзисторе VT, включенного по схеме с общим эмиттером (рис. 3.5), обозначено:

Ec, Rc и En, Rвт — источники входного сигнала и питания транзистора с соответствующими внутренними сопротивлениями;

u_вх — напряжение входного сигнала;

R_Б1 и R_Б2 — резисторы делителя напряжения питания Un (обычно напряжение Un = 10-30 В), предназначенные для установки тока базы IБ транзистора (по постоянному току), т. е. рабочей точки (точки покоя) на линии нагрузки;

R_Э — резистор отрицательной обратной связи транзистора VT по постоянному току, подбором сопротивления которого обеспечивается температурная стабилизация его режима усиления. Так, при увеличении температуры возрастают постоянные составляющие токов коллектора I_К и эмиттера I_Э и происходит падение напряжения R_ЭI_Э. В результате напряжение U_БЭ уменьшается, что вызывает уменьшение тока базы I_Б, и, следовательно, тока I_К, стабилизируя его;

C_Э — конденсатор большой ёмкости (десятки микрофарад), шунтирующий сопротивление резистора R_Э по переменному току, что исключает ослабление усиливаемого сигнала по переменному току цепью обратной связи;

R_К — нагрузочный резистор, сопротивление которого ограничивает ток коллектора I_К транзистора VT;

С₁ и С₂ — разделительные конденсаторы входной и выходной цепей, обеспечивающие гальваническую развязку усилителя по постоянному току (предотвращающие прохождение постоянной составляющей тока от источника сигнала к усилителю и от усилителя к нагрузке).

Для удобства анализа работы усилителя отдельно рассматривают его схемы замещения по постоянному (рис. 3.6) и переменному току (рис. 3.8).В режиме работы усилителя по постоянному току для получения наименьших нелинейных искажений усиливаемого сигнала рабочую точку а (рис. 3.7) выбирают посередине рабочего участка bc линии нагрузки по постоянному току, описываемой уравнением

Линию нагрузки строят следующим образом. Из приведенного уравнения следует, что при I_Kn = 0, U_Kn =Un , а при U_Кn =0, I_К.max =Un /R_K . Через две найденные точки проводят прямую (нагрузочную) линию. Задав ток базы в режиме покоя I_Бn, находят на пересечении линии нагрузки по постоянному току с выходной характеристикой транзистора при IБ = IБп точку покоя а(U_Кn, I_Кn).

Сопротивление резистора R_Б1 рассчитывают по формуле

При этом UБn = 0,3 В для германиевых и UБn = 0,65 В для кремниевых транзисторов.

Приближенно токи покоя коллектора и эмиттера в рабочей точке а рассчитывают по формулам:

Линию нагрузки строят следующим образом. Из приведенного уравнения следует, что при

Через две найденные точки проводят прямую (нагрузочную) линию. Задав ток базы в режиме покоя I_Бn, находят на пересечении линии нагрузки по постоянному току с выходной характеристикой транзистора при I_Б = I_Бп точку покоя а(U_Кn, I_Кn).

Приближенно токи покоя коллектора и эмиттера в рабочей точке а рассчитывают по формулам:

В режиме работы усилителя по переменному току принимают

пренебрегают также внутренним сопротивлением Rвт и ёмкостью Сn источника питания, т. е. источник питания в схеме замещения замыкают накоротко (рис. 3.8, а).

При подаче на вход усилителя переменного напряжения u_вх происходит изменение тока базы i_Б, тока коллектора i_К и напряжения на коллекторе u_K = Un − R_KiK (см. рис. 3.7). Амплитуда переменного коллекторного тока I_mK примерно в h21 раз больше амплитуды тока базы I_mБ, а амплитуда коллекторного напряжения U_mK во много раз больше амплитуды входного напряжения. Таким образом, в схеме усилителя с ОЭ усиливается ток и напряжение входного сигнала.

Пользуясь графиками, изображенными на рис. 3.7, нетрудно определить входное сопротивление и коэффициенты усиления каскада:

Следует обратить внимание, что положительному полупериоду входного напряжения u_вх соответствует отрицательный полупериод выходного напряжения

u_K » u_вых.

Иначе говоря, между входным и выходным напряжениями существует сдвиг фаз, равный 180°, т. е. схема усилителя с ОЭ является инвертирующим устройством, усиливающим и изменяющим фазу входного напряжения на 180°. Обычно рассмотренный тип усилительного каскада работает в режиме усиления слабых сигналов (постоянные составляющие тока базы и коллектора существенно превосходят аналогичные переменные составляющие). Эти особенности позволяют использовать аналитические методы расчета параметров усилительного каскада на низких частотах по известным h параметрам транзистора (рис. 3.8, б), полагая, что транзистор работает в линейном режиме. При этом сигнал, поданный на вход усилителя, практически не искажается на его выходе.

На входе и выходе усилителя (см. рис. 3.8, а) включены разделительные конденсаторы C1 и С2. Наличие в усилителе ёмкостей приводит к частотным искажениям усиливаемых сигналов в области низких частот; с уменьшением частоты входного сигнала увеличивается сопротивление конденсатора XС1 =1/ωC1, падение напряжения С1 на нем, следовательно, снижается входное u_вх и выходное u_вых напряжения. Это приводит к уменьшению коэффициента усиления Ku с уменьшением частоты (см. рис. 3.4). Наличие в усилителе междуэлектродных ёмкостей транзистора и монтажных ёмкостей приводит к возникновению частотных искажений усиливаемых сигналов в области высоких частот.

При подаче на вход усилителя синусоидального сигнала большой амплитуды возникают искажения выходного сигнала, основной причиной которых является нелинейность входных и выходных характеристик транзистора. Как отмечалось, при расчёте усилительного каскада в области верхних частот учитывают ёмкость С_К коллекторного пpn - перехода, условно включаемую между коллектором и базой.

Входное сопротивление определяют по формуле

Входное сопротивление усилительного каскада на биполярном транзисторе с ОЭ обычно имеет значение порядка нескольких сотен ом. Выходное сопротивление обычно на порядок больше входного. Это обстоятельство необходимо учитывать при подключении к усилителю высокоомного источника сигнала ( Rc >> Rвх) и низкоомной нагрузки ( Rн ≤ RK ).

В этом случае при расчете основных параметров усилительного каскада учитывают сопротивления Rc и Rн:

Реальный коэффициент усиления по напряжению Ku всегда меньше коэффициента усиления ненагруженного усилителя ( Rн >> RК). Эта разница тем заметнее, чем больше выходное сопротивление и меньше сопротивление нагрузки Rн. На практике реальный коэффициент усиления каскада Ku может достигать нескольких сотен, а коэффициент усиления по мощности Kp =KuKi в схеме с ОЭ — нескольких тысяч.

Дифференциальный усилитель

Дифференциальный усилитель — это балансный (мостовой) усилитель постоянного тока с параллельным включением транзисторов с одинаковыми характеристиками (рис.3.10, а), в котором коллекторные сопротивления R_К1 и R_К2 и внутренние сопротивления транзисторов VT1 и VT2 образуют плечи моста. Резистор R_К0 служит для балансировки каскада (установки нуля). Цепи смещения транзисторов не показаны.

Если левая и правая части усилителя с симметричным входом и выходом идентичны, то повышение (понижение) температуры или напряжения питания вызывает одинаковое изменение коллекторных токов в обоих транзисторах, потенциалы коллекторов u_К1 и u_K2 изменяются почти одинаково и, следовательно, выходное напряжение u_вых останется неизменным. При этом дрейф (медленное, самопроизвольное изменение исходного (нулевого) выходного напряжения) в усилителе составляет 30…100 мВ в диапазоне изменения температуры от 10 до 60 °С. Для уменьшения дрейфа напряжения в общую эмиттерную цепь транзисторов включают резистор RЭ с большим сопротивлением (с целью получения в эмиттерной цепи режима генератора тока) или включают источник стабильного тока, собранный на транзисторах. При изменении температуры потенциал в точке а (см. рис. 3.10, а) изменяется незначительно, токи через транзисторы почти не изменяются, как и напряжения u_K1 и u_K2.

В то же время схема усиливает разностное входное напряжение, поскольку на базы транзисторов поступают противофазные напряжения, приводящие к изменению токов эмиттеров. Относительно изменения напряжения uвх1 напряжение u_K2 изменяется в фазе (синхронно, не инвертируется), а напряжение uK1 изменяется в противофазе, инвертируется.

Дифференциальный усилитель используется также, когда требуется усилить не

разность напряжений, а только входное напряжение u_вх (рис. 3.10, б). При этом один из двух входов имеет нулевой потенциал. Если используется напряжение u_K2, то такую схему называют дифференциальным усилителем с несимметричным входом и выходом.

При использовании полевых транзисторов дрейф по напряжению может быть примерно 0,05…0,3 мВ/град при T < 100 °С.

Дифференциальные усилители с симметричным входом и выходом широко применяются в быстродействующих коммутаторах, кодерах и декодерах и в аналоговых вычислительных машинах.

Режимы работы усилительных каскадов

В зависимости от положения рабочей точки а в режиме покоя на семействе выходных характеристик транзисторов и уровня входных сигналов (u_вх, i_вх) различают три основных режима (или класса) работы усилителей: А, В и С. Класс А характеризуется тем, что рабочую точку а выбирают посередине участка bc линии нагрузки (рис. 3.11, а), а максимальное значение амплитуды переменной составляющей входного тока (тока базы i_Б) не приводит к увеличению тока коллектора i_К за пределы участка bc. В этом случае нелинейные искажения усиливаемого сигнала будут минимальными, т. е. при подаче на вход синусоидального напряжения (тока) форма выходного напряжения u_вых будет практически синусоидальной. Основной недостаток этого класса усиления — очень низкий КПД η = P2 / Pn = U_выхI_вых / E_nI _n.

Для работы усилителя в режиме В рабочую точку а' устанавливают на пересечении линии нагрузки и выходной характеристики транзистора при I_Бn = 0 (рис. 3.11, б). В этом режиме переменные составляющие тока i_вых и напряжения uвых возникают лишь в положительные полупериоды тока базы i_Б. При синусоидальном входном напряжении (токе) выходное напряжение u_K имеет форму полу-синусоиды, т. е. нелинейные искажения очень большие. Этот режим часто используют в двухтактных усилителях мощности. КПД усилителя, работающего в режиме В, может достигать 0,8.

Иногда используют режим работы усилительного каскада, промежуточный между режимами А и В. Его называют режимом АВ. В этом режиме КПД усилителя больше, чем в режиме А, а нелинейные искажения меньше, чем в режиме В. В режиме С рабочая точка выбирается за точкой отсечки а' (см. рис. 3.11, б) и ток i_К (напряжение u_K) в транзисторе возникает только в течение некоторой части положительной полуволны входного тока базы i_Б (рис. 3.11, в). В этом режиме усиления возникают очень большие искажения усиливаемого напряжения (тока), но КПД устройства может быть очень высоким и приближаться к единице. Режим С используют в избирательных усилителях и автогенераторах, которые благодаря наличию колебательных контуров или других частотно-зависимых звеньев выделяют лишь основную гармонику из несинусоидального напряжения u_K.

Каскадное соединение усилителей

Каскадное (последовательное) соединение усилителей используют для получения заданных высоких коэффициентов усиления по напряжению, току и мощности, которых невозможно достигнуть с помощью одного усилительного каскада. Структурная схема многокаскадного усилителя представлена на рис. 3.12, а.

При каскадном соединении применяют различные схемы связи между каскадами, назначение которых состоит в согласовании напряжений, соответствующих режимам покоя предыдущего и последующего усилителей. При этом должны выполняться соотношения:

где m и m + 1 — номера предыдущего и последующего каскадов.

На рис. 3.12 представлены наиболее часто используемые виды связи: непосредственная (б), резисторная (в), ёмкостная (г) и трансформаторная (д). Коэффициент усиления по напряжению каскада

Усилители мощности на транзисторах

Усилители мощности предназначены для отдачи максимальной мощности в заданную нагрузку при допустимых нелинейных и частотных искажениях. Они содержат один или несколько каскадов усиления. Выходной (оконечный) каскад работает в режиме больших сигналов и, следовательно, потребляет большую мощность от источника питания. Он должен иметь достаточно высокий КПД.

Выходные каскады выполняют на специальных мощных транзисторах, включенных обычно по схеме с общим эмиттером. Согласование выходного сопротивления R_вых усилителя с сопротивлением нагрузки Rн обеспечивают с помощью трансформатора, коэффициент трансформации которого рассчитывают по формуле

где w1 и w2 — числа витков первичной и вторичной обмоток трансформатора;

h — КПД трансформатора.

Выходные каскады усилителя мощности выполняют по однотактной и двухтактной схемам. Маломощные однотактные усилители мощности (рис. 3.13, а) обычно работают в режиме класса А. По постоянному току сопротивление в коллекторной цепи транзистора VT определяется только сопротивлением первичной обмотки трансформатора Тр.

По переменному току транзистор VT нагружен на оптимальное сопротивление, что достигается соответствующим выбором коэффициента трансформации n = w1/w2 трансформатора Tp. Максимальная мощность отдается каскадом при эффективном использовании транзистора как по току, так и по напряжению.

Схема двухтактного усилителя мощности (рис. 3.13, б), работающего в режиме В, содержит два транзистора VT1 и VT2 разных типов проводимости, с близкими характеристиками, работающими по очереди (каждый в своём полупериоде), так как напряжения u₂' и u₂'' вторичной обмотки трансформатора Tр1 подаются в противофазе на транзисторы VT1 и VT2. Трансформатор Тр2 обеспечивает связь с нагрузкой Rн.

Режимы В работы транзисторов достигаются выбором небольшого напряжения смещения с помощью резисторов R_Б1 и R_Б2 для попадания в точку а', где в режиме покоя отсутствует входной ток базы. Транзисторы в режиме В эффективно используются по току и напряжению. При этом КПД двухтактного усилителя может достигать 78%. При большой мощности, выделяемой в виде тепла на коллекторах транзисторов, используют радиаторы для отвода избыточного тепла, которое не могут рассеивать транзисторы непосредственно.

С разработкой интегральных схем усилителей мощности и дискретных мощных транзисторов появилась возможность изготовления бестрансформаторных усилителей мощности (рис. 3.14, а). Совместное применение разнотипных транзисторов позволяет существенно упростить схему усилителя. В схеме используется последовательное включение выходных цепей с источником питания Un и параллельное включение входов. По переменному напряжению выходы транзисторов через конденсатор С параллельно соединены между собой и с нагрузкой Rн. При положительной полуволне напряжения u_вх в усилении участвует транзистор VT1, при отрицательной полуволне — транзистор VT2. Выходная мощность усилителя может быть рассчитана по формуле

В рассматриваемом усилителе используется один источник питания Un, что является его достоинством, а недостаток устройства — наличие большой ёмкости С (2...4 мФ).

Избежать этого недостатка позволяет выполнение схемы усилителя мощности с двумя источниками питания (рис. 3.14, б). В таком усилителе используются однотипные транзисторы, для управления которыми требуются фазоинверсные каскады на входах. При этом транзисторы включены разными способами: VT1 — по схеме с общим коллектором; VT2 — по схеме с общим эмиттером.

Так как усилительные свойства транзисторов при разных способах включения различны, необходимо принять меры для выравнивания коэффициентов усиления обе их полуволн входного сигнала. При одинаковых транзисторах это может быть достигнуто выбором необходимых величин напряжений u_вх1 и u_вх2.

Операционные усилители

Операционный усилитель (ОУ) — это малогабаритный (в интегральном исполнении отечественных серий К140, К544, К553, КР1040УД, КР1435 и др. и импортных серий AD8041, OP275, LM339 и др.) многокаскадный усилитель постоянного тока с непосредственными связями между каскадами и большим коэффициентом усиления.

Операционные усилители предназначены как для усиления электрических сигналов, так и для осуществления различных операций над сигналами: сложение, вычитание, логарифмирование и др. Такие усилители имеют дифференциальный высокоомный вход, высокий коэффициент усиления, низкоомный (сравнительно мощный) выход и сконструированы таким образом, что к ним могут быть подключены различные корректирующие цепи и цепи обратной связи.

Функциональная схема типового ОУ представлена на рис. 3.15, а его условное обозначение — на рис. 3.15, б.

Операционный усилитель имеет два входа: инвертирующий (И) и неинвертирующий (Н). Их название связано с тем, что в первом случае выходное напряжение находится в противофазе с входным, а во втором случае — в фазе с входным напряжением. Для питания ОУ обычно используют два разнополярных источника питания +Un и Un или один биполярный источник, средняя точка трансформатора которого соединена с общей шиной, относительно которой измеряются напряжения +Un и Un, равные (±6,3)...(±15) В.

Для получения нужных свойств к дополнительным выводам ОУ подключают звенья обратной связи.

Подключив звено отрицательной обратной связи (ООС), состоящее из двух резисторов (делителя), например, Roc » 1 МОм и R1 » 5 кОм, между выходом и инвертирующим входом, и соединив вход Н с общей точкой, получим инвертирующий усилитель (рис. 3.16, а), статическая амплитудная характеристика которого

изображена на рис. 3.16, б. Максимальное значение напряжения

т. е. на 1…3 В меньше напряжения питания Un.

Схема неинвертирующего усилителя и его амплитудная характеристика U_вых(U_вх) изображены на рис. 3.16, в, г.

Коэффициент усиления инвертирующего ОУ c ООС Ku.ос приближенно определяется отношением сопротивлений резисторов Roc и R1 звена ООС и не зависит от коэффициента усиления самого ОУ (Ku = 10^5…10⁶). Без обратных связей ОУ не применяется из-за его практически бесконечного значения коэффициента Ku (для идеального ОУ Ku = ; Rвх = ; Rвых = 0).

Основными параметрами ОУ наряду с коэффициентом Кu являются:

входное сопротивление R_вх » 10⁴…10⁷ Ом;

выходное сопротивление R_вых » 10² Ом;

входное напряжение смещения нуля Uсм (единицы милливольт);

частота единичного усиления f₁ (единицы и десятки мегагерц), т. е. частота, при

которой Ku = 1;

скорость нарастания выходного напряжения (v » 0,1 … 100 В/мкс) от Uвых = 0

до Uвых = Uвых.max;

время установления выходного напряжения (tуст = 0,05…2 мкс) от Uвых = 0 до

Uвых = Uвых.max.

На основе ОУ строят функциональные узлы для выполнения различных математических операций (рис. 3.17): повторитель (а), интегратор (б), дифференциатор (в), сумматор (г) и др. Кроме этого, операционные усилители часто используют при конструировании компараторов, генераторов гармонических колебаний и сигналов различной формы, избирательных усилителей, аналогово-цифровых и цифроаналоговых преобразователей и других устройств.

Тема №2: Импульсные устройства[5].

Особенности и преимущества передачи информации в импульсном режиме.

В импульсной технике используются кратковременные, прерывистые электрические колебания. Импульсная техника служит, в частности, базой радиолокации, радионавигации, телевидения, многоканальной связи. На основе импульсной техники созданы современные ЭВМ.

К импульсным устройствам относят функциональные узлы, предназначенные для формирования импульсных сигналов требуемой формы и выполнения над ними различных операций и преобразований (интегрирования, дифференцирования, задержки по времени, изменения формы, длительности, селекции по амплитуде и т. п.).

Импульсными сигналами принято называть электрические колебания, существующие в пределах конечного отрезка времени. Электронные узлы (устройства) функционируют в импульсном режиме, при котором кратковременная работа устройства чередуется с паузой. Большую группу импульсных устройств составляют генераторы прямоугольных сигналов, для обозначения которых согласно ГОСТ 18682273 используют буквы ГГ,

например, К218ГГ1 серии 218, генераторы линейно изменяющихся сигналов обозначаются ГЛ, а генераторы смешанной формы — ГФ.

Группа импульсных устройств, работающих с одиночными прямоугольными импульсами, выделилась в самостоятельный класс цифровых устройств.

Отметим преимущества устройств, работающих в импульсном режиме, по сравнению с устройствами непрерывного действия:

в импульсном режиме достигается большая мощность в импульсе при малом

значении потребляемой средней мощности устройства;

меньшее влияние разброса параметров полупроводниковых элементов и температуры, так как они работают в ключевом режиме (включение — выключение);

большая пропускная способность передачи информации и лучшая помехоустойчивость (меньшее искажение информации);

удобство разработки сложных устройств на основе нескольких однотипных элементов, получаемых методами интегральной технологии.

Импульсные сигналы и виды модуляции

В импульсных устройствах используются следующие виды электрических сигналов:

импульсы;

перепады напряжения (тока).

Электрический импульс — это отклонение напряжения (тока) от первоначального значения в течение короткого промежутка времени, соизмеряемого с длительностью переходных процессов в импульсном устройстве. При этом предполагается автовозврат в исходное состояние.

Перепад напряжения (тока) — это переход на другой уровень. Возврат в исходное состояние происходит только после подачи дополнительного сигнала.

Рассмотрим несколько примеров.

Идеальный импульс прямоугольной формы (рис. 4.1) имеет следующие участки: ab — фронт (нарастание) импульса; cd — срез импульса; be — вершина; ad — основание импульса.

Параметры импульса: Um — амплитуда; tu — длительность импульса; tф = 0 — длительность фронта; tс = 0 — длительность среза импульса.

Идеальный импульс трапецеидальной формы (рис. 4.2) имеет tф № 0 и tc № 0. Длительность импульса tи измеряют или на уровне 0,1Um от основания, или на уровне 0,5Um.

Параметры реального импульса (рис. 4.3) определяют следующим образом: время фронта t_ф равно времени нарастания импульса от уровня, равного 0,1Um, до момента, когда уровень достигнет значения 0,9Um, а время среза tc равно времени спада импульса от уровня 0,9Um до уровня 0,1Um.

На вершине bc импульса наблюдается выброс b1 и завал DU вершины, а на основании — выброс b2 после выключения устройства. Длительность импульса tи измеряют между значениями 0,1Um его нарастания и спада.

Ключевой режим работы транзистора.

Насыщенный транзисторный ключ с ОЭ

Ключ выключен, когда (режим отсечки), при этом .

Ключ включен, когда (режим насыщения), при этом .

Так как и , то .

а б в

Рис. 6.6. Насыщенный транзисторный ключ с ОЭ (а), его эквивалентная схема в режиме насыщения (б) и выходные характеристики транзистора (в)

При расчете ключа выбирают , определяют , находят , а затем . Поскольку для насыщения необходимо , то выбирают . Степень (качество насыщения) характеризуется коэффициентом насыщения: .

При быстродействие схемы и, наоборот, при быстродействие схемы.

Компараторы и триггер Шмитта

Простейший компаратор

Компаратор – устройство, определяющее момент равенства двух входных напряжений:

.

На временных диаграммах (рис. 10.1) приведены варианты сравнения входных сигналов. В первом случае опорное напряжение, с которым сравнивается изменяющийся во времени сигнал, постоянно: U0 = const. Во втором случае для измерения величины UВХ в качестве опорного используется линейно возрастающее напряжение U0 и в момент равенства производится считывание его значения.

Рис. 10.1. Примеры сравнения двух сигналов на компараторе

Простейшим компаратором является дифференциальный усилитель с большим коэффициентом усиления, построенный на основе транзисторов или операционных усилителей. За счет большого коэффициента усиления такой дифференциальный усилитель при равенстве двух входных сигналов практически мгновенно переходит либо в режим насыщения (на выходе высокий потенциал ), либо в режим отсечки (на выходе высокий потенциал ). Переход в тот или иной режим определяется знаком разности входных напряжений.

Компараторы обладают малым временем задержки, высокой скоростью нарастания выходного напряжения и сравнительно высокой устойчивостью к большим перегрузкам. Ниже, на рис. 10.2, а, приведена схема простейшего компаратора с опорным напряжением U0 = 0. Для задания 0  U0  U используют делитель напряжения, который может быть регулируемым (рис. 10.2, б).

а б в

Рис. 10.2. Схемы (а), (б) и временные диаграммы работы простейшего компаратора (в)

Недостатком простейшего компаратора является так называемый «дребезг» (многократные переключения) из-за наличия шума в реальном входном сигнале. Избавиться от «дребезга» позволяет триггер Шмитта.

Рис. 10.3. Иллюстрация «дребезга» в простейшем компараторе