Ю П Колонтаєвський - Електроніка імікросхемотехніка - страница 10

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60 

Найважливішими характерис­тиками підсилювачів є амплітуд­на та аплітудно-частотна, наве­дені на рис. 3.2 та рис. 3.3 від­повідно.

Амплітудна характеристика являє собою залежність вихідної напруги від вхідної Ueux=f (UJ. На рисунку позначено: аб - робоча ділянка, на якій змінам вхідного сигналу відпо­відають пропорційні зміни вихід­ного;

Uex max

Величина D = -

Uex min

називається динамічним діапазоном підсилювача.

(3.2)

( U„msK - Umin) - робочий діапазон вхідної напруги. Нелінійність характеристики при вхідних напругах, менших за U пояснюється наявністю шумових сигналів. Амплітудно-частотна ха-

рактеристика (АЧХ) - це за­лежність коефіцієнта підсилення KU від кругової частоти w (w = 2pf; f - частота сигналу, що підсилюється).

На рисунку позначено: KUo - найбільший коефіцієнт підсилення;

4 Ки

V2

- таке знижен-

■ж-

Ж­со

Рис. 3.3 - Амплітудно-частотна характеристика K=f(w) підсилювача

ня підсилення звукового сигна­лу не фіксується чітко вухом людини.

Із АЧХ визначають робочий діапазон частот підсилюваного сигналу -від w до w (від нижньої частоти до верхньої).

3.3. Принципи побудови підсилювачів

Як правило, підсилювачі складаються із декількох каскадів, що ви­конують послідовне підсилення сигналу. При цьому загальний коефіцієнт підсилення становить

K -K K2.....Кп. (3.3)

Вхідні каскади та каскади попереднього підсилення виконуються, як правило, у вигляді підсилювачів напруги.

Вихідні каскади - кінцеві - зазвичай є підсилювачами потужності або струму.

Підсилювачі відрізняються один від одного кількістю каскадів, ре­жимом роботи. Але усім їм притаманні загальні принципи побудови. Розглянемо їх на прикладі підсилювача сигналів напруги змінного струму, показаного на рис. 3.4.вв

ЕЛЕКТРОНІКА І МІКРОСХЕМОТЕХНІКА

а) б) в)

Рис. 3.4 - Структурна схема підсилювача напруги змінного струму (а) та часові діаграми його вхідного (б) і вихідного (в) сигналів

Основним елементом підсилювача є ПЕ (біполярний або польовий транзистор), що разом із навантаженням R та джерелом живлення по­стійного струму Е утворюють головне вихідне коло підсилювача.

Принцип підсилення полягає у перетворенні енергії джерела постійної напруги Е в енергію змінного вихідного сигналу шляхом зміни про­відності ПЕ за законом, зумовленим формою вхідного сигналу.

Оскільки вихідне коло підсилювача живиться постійною напругою, у ньому може протікати струм лише однієї полярності. Для забезпечення отримання підсиленого сигналу змінного струму необхідно задати його на фоні постійного сигналу зміщення Un , як це показано на рис. 3.4,в. При цьому для нормальної роботи підсилювача амплітудні значення вихідних напруги та струму повинні бути меншими за постійні рівні на­пруги та струму Um £ Un; I £ І (постійного струму зміщення).

Постійні рівні струму та напруги у вихідному колі задаються пода­чею постійного рівня вхідної напруги U   > U   ; (І   > І ).

1 ^ ґ-' вх n вх mm ^  вх n       вх тп'

Режим роботи підсилювача за постійним струмом називається ре­жимом спокою. Він характеризується струмом спокою та напругою спокою вихідного кола. Щоб задати режим спокою, використовують спеціальні схеми зміщення напруги.

Вихідна напруга U подається на навантаження, що ним зазвичай є наступний каскад підсилення. Зверніть увагу: за такої побудови підсилювача його навантаженням (корисним) є не резистор R, а вхідний опір наступного (наприклад, такого ж) каскаду підсилення, на який подається напруга Ueux.

3.4. Основні режими (класи) роботи підсилювачів

Режим спокою (режим роботи за постійним струмом) характери­зує клас роботи підсилюючого каскаду. Ним визначаються призначен­ня, к.к.д., ступінь нелінійних спотворень (порушення пропорційності вхідного і вихідного сигналів) та інші параметри каскаду.

Найбільш широко застосовують три класи, які називають - А, В і С.

ік

Ек

Iqk

І

і Б = Q

Uke

При роботі підсилювача у режимі класу А точку спокою Р, якій відповідають струми Іок, иор іоб; вибирають посе­редині вихідної динамічної ха­рактеристики за постійним струмом, як показано на рис. 3.5 (транзистор увімкнений за схе­мою з СЕ).

а]б1 - ділянка активного ре­жиму роботи транзистора, де нелінійні спотворення міні­мальні; к.к.д. h=0,25 ,0,3, бо в режимі спокою споживається значна потужність Тому клас А застосовують пе­реважно у каскадах поперед­нього підсилення.

Якщо підсилювач працює у режимі класу В, точка спокою виби­рається на межі між активним режимом та режимом відтинання: її по­ложення приблизно відповідає точці а на рис. 3.6. У цьому режимі нелінійні спотворення великі, а к.к.д. h=0,6 , 0,7.

При роботі підсилювача в режимі класу С точка спокою Р лежить на ділянці відтинання а^. Кут відтинання q» p/2, h » 0,85.

Класи В і С застосовують при побудові підсилювачів потуж­ності, причому підсилення позитивної та негативної півхвиль сигна­лу забезпечується у даному випадку окремими найпростішими кас­кадами, що разом являють собою єдиний каскад підсилення змін-

Рис. 3.5 - Вихідна динамічна характеристика підсилювача в режимі класу А

ного струму.

ВО

ЕЛЕКТРОНІКА І МІКРОСХЕМОТЕХНІКА

а ік

Клас АВ є проміжним між класами А і В: має менші викривлення сигна­лу, ніж клас В, у якому вони зумовлені нелінійністю по­чаткової ділянки вхідної ха­рактеристики транзистора (див. рис. 2.16), але еконо­мічніший, ніж клас А.

Наостанок зазначимо, що все більшого розпов­сюдження набувають підсилювачі класу D. У Рис. 3.6 - Вихідна динамічна характеристика таких підсилювачах тран-підсилювача в режимах класів В і С зистори працюють в клю­човому режимі, формуючи на виході послідовність імпульсів різної три­валості, після фільтрування якої на навантаженні відтворюється анало­говий сигнал. К.к.д. таких підсилювачів надзвичайно високий за малих габаритів і незначного виділення тепла.

3.5. Кола зміщення підсилюючих каскадів

+ Як було зазначено, щоб задати режим Ек спокою каскаду, на його вхід необхідно по­дати певне значення постійної напруги, що має назву напруги зміщення. Кола, які за­безпечують подачу цієї напруги, назива­ються колами зміщення (робоча точка Р

Re

VT1 +

Uqk

Y

Рис. 3.7 - Зміщення допоміжним джерелом напруги

зміщується з положення, що відповідає І = 0 у положення, зумовлене класом).

Існує два способи задання початкової на­пруги: фіксованим струмом або фіксованою напругою.

Перший спосіб реалізується за допомогою двох схем. Одну з них зображено на рис. 3.7 (вважаємо джерело вхідного сигналу умовно закороченим). У цій схемі напруга зміщеннязадається допоміж­ним джерелом напру­ги is що разом з опо­ром RБ утворює коло зміщення.

Параметри кола зміщення розрахову­ють за допомогою ви­хідної динамічної ха­рактеристики тран­зистора за постійним струмом, показаної на

І

і QK

Uk

Ек

Рис. 3.8 - Динамічні характеристики транзистора за постійним струмом: а - вхідна, б - вихідна

рис. 3.8,б. Клас режиму роботи підсилювача визначає положення точки спокою Р, а отже, значення I0K, U0K, ІдБ.

Знайшовши величину І і користуючись вхідною характеристикою транзистора (рис. 3.8,а), визначають иоБ. Після цього знаходять RE.

Re

ОБ

Езм — Uо e

(3.4)

Схему зміщення фіксованим струмом бази за наявності одного дже­рела напруги зображено на рис. 3.9. Режим спокою забезпечується напругою джерела ER і опором RE:

Re

і qk

VT1

Re

+ Ek

ЕК - U

о e

Rk

1-

1 о e

(Is* іое)

(3.5)

+

і qE

Uqk

і

—о

+ Ек

о +

Рис. 3.9 - Зміщення за одного джерела напруги

Рис. 3.10 - Зміщення фіксованою напругою

Is

Э2

ЕЛЕКТРОНІКА І МІКРОСХЕМОТЕХНІКА

Спосіб задания зміщення фіксованою напругою реалізується дільни­ком напруги, як показано на рис. 3.10 - резистори R; і Rr Для розрахун­ку параметрів дільника використовують такі співвідношення:

Ri

Ек - U

0 Б

R2

І0 б + Ід

U0б

Ід

Ід = (2 + 5)1

0 Б

(3.6)

(3.7)

(3.8)

Остання схема знайшла найширше використання при побудові підси­люючих каскадів.

3.6. Температурна стабілізація підсилювачів

Як випливає із попередніх викладів, положення точки спокою на вихідній характеристиці залежить від коефіцієнта передачі транзисто­ра за струмом (І = bl ). При підвищенні температури навколишнього середовища він зростає, при зниженні - зменшується. В результаті поло­ження точки спокою транзистора змінюється залежно від температу­ри навколишнього середовища або при заміні транзистора на інший (кое­фіцієнти передачі різних екземплярів транзисторів навіть одного типу можуть суттєво різнитися).

■IoB=const

ик

Рис. 3.11 - Температурний дрейф точки спокою транзистора

Переміщення (дрейф) точки спокою зі змінами температури навколишнього середовища по­казано на рис. 3.11.

Щоб забезпечити темпе­ратурну стабілізацію режи­му спокою, застосовують так звані кола температурної ста­білізації.

У підсилювачах за схемою з СЕ для цього послідовно із емі­тером транзистора вмикаєтьсярезистор RE, шунтований конденсатором СЕ, як по­казано на рис. 3.12.

Розглянемо, яким чи­ном резистор RE стабілі­зує режим спокою, ско­риставшись рівняннями (3.9), (3.10), а також тим, що Uд = const (задаєть­ся дільником R;, R2 і від температури не зале­жить).

Ud = Uoб + еRe, (3-9) звідки

Uo б = Ud - е Re - (3-Ю)

о+Іоб)

V

ud

v

і

V

r1

i об

i 0К

ї

vt1

Ек

rK

r2

I0e

+

Се

Uok

V -o

Рис. 3.12 - Підсилювач із температурною стабілізацією

Так, наприклад, при зростанні температури транзистора, збільшуєть­ся його коефіцієнт передачі b, що призводить до зростання колектор­ного струму спокою І0К =b І0Е, а отже, і струму емітера ІйЕ=(ІйК + І0Е). Падіння напруги на RE збільшується, а це, виходячи з (3.10), викликає зменшення U0E , що, у свою чергу, зменшить І0Е , а значить і І0К (при­близно до попереднього значення).

Таким чином, спроба відхилення І від заданого значення припи­няється за рахунок наявності у схемі RE, що у даному випадку здійснює негативний зворотний зв'язок за струмом.

Зрозуміло, що при зменшенні температури струм І також прак­тично не змінить свого значення.

Зазвичай задають RE=(0,1 . 0,2)RK.

Конденсатор CE забезпечує виключення негативного зворотно­го зв'язку за вхідним сигналом. Його ємність визначається зі співвідношення 1/wnCE«RE, де w - нижня межа діапазону робо­чих частот підсилюваного сигналу. Отже за змінним струмом ре­зистор RE є зашунтованим малим отвором CE - маємо схему з CE. А за постійним струмом - це схема з негативним зворотним зв'язком.

3.7. Каскади попереднього підсилення

3.7.1. Каскад попереднього підсилення на біполярному транзисторі з СЕ

Найбільш розповсюджена схема каскаду попереднього підси­лення на біполярному транзисторі з СЕ наведена на рис. 3.13.

+

(3) О-

Rh

Ueux

v

(4)

Рис. 3.13 - Каскад попереднього підсилення на біполярному транзисторі з СЕ

Розглянемо склад схеми та призначення елементів.

VT1 - біполярний транзистор - підсилюючий елемент.

Rb - навантаження, на якому виділяється підсилений сигнал.

RK - колекторне навантаження транзистора за постійним струмом.

EK - джерело живлення каскаду (колекторного кола).

Зазначимо: VT1 разом із RK і EK утворюють головне коло підсилюва­ча, у якому здійснюється підсилення сигналу. Решта елементів схеми виконують допоміжну роль.

Так, дільник напруги R1,R2 задає режим спокою класу А, подаючи на вхід каскаду постійну напругу U.

- забезпечують температурну стабілізацію режиму спокою.

- розділяючі конденсатори: С1 виключає потрапляння постій­ної напруги Ud на джерело вхідного сигналу; С2 виключає потрапляння постійної напруги з колектора U0K на навантаження (конденсатори роз­діляють кола за постійним струмом і з'єднують за змінним).

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60 


Похожие статьи

Ю П Колонтаєвський - Електроніка імікросхемотехніка