Студопедия

КАТЕГОРИИ:

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника



Общие сведения. Усилителем называют устройство, позволяющее увеличить напряжение, ток, мощность слабых электрических сигналов




Читайте также:
  1. B. Общие выводы
  2. I. Краткие теоретические сведения.
  3. I. Краткие теоретические сведения.
  4. I. Краткие теоретические сведения.
  5. I. Краткие теоретические сведения.
  6. I. ОБЩИЕ ДАННЫЕ АНАМНЕЗА
  7. I. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
  8. I. Общие правила
  9. I. Общие правила
  10. I. Общие принципы фармацевтической опеки.

Усилителем называют устройство, позволяющее увеличить напряжение, ток, мощность слабых электрических сигналов. В усилителях используют биполярные и полевые транзисторы, а последние годы – интегральные микросхемы (ИМС). Усилители на ИМС обладают высокой надежностью и экономичностью, большим быстродействием, имеют малые размеры и массу, высокую чувствительность. Они обеспечивают усиление очень слабых сигналов (напряжение порядка 10–13 В, токи до 10–17 А, мощность порядка 10–24 Вт).

Многие усилители состоят из нескольких ступеней, осуществляющих последовательное усиление сигнала и называемых каскадами. В зависимости от выполняемых функций усилительные каскады подразделяют на каскады предварительного усиления, предназначенные для повышения уровня сигнала по напряжению, и выходные каскады – для получения требуемых тока или мощности в нагрузке.

Рассмотрим принцип построения и работы усилительного каскада на структурной схеме рис. 4.1. Основными элементами являются управляемый элемент УЭ (биполярный или полевой транзистор) и резистор R, которые совместно с источником питания Е образуют выходную цепь каскада. Усиление выходного сигнала uвых происходит за счет энергии источника постоянного напряжения Е. При подаче входного сигнала uвх изменяются сопротивление УЭ и ток выходной цепи iвых по закону, задаваемому uвх. Переменная составляющая iвых создает переменный сигнал uвых. Усилительные свойства каскада зависят от степени влияния uвх на ток управляемого элемента. Чем больше изменяется ток, тем больше будет падение напряжения на резисторе R, а значит, и сигнал uвых, который также зависит и от величины R.

Основные параметры усилительного каскада:

- коэффициент усиления по напряжению

KU = Uвых / Uвх;

- коэффициент усиления по току

KI = Iвых / Iвх;

- коэффициент усиления по мощности

KP = Pвых / Pвх = Uвых Iвых / Uвх Iвх = KU KI

(в соотношениях используются амплитуды тока и напряжения).

В настоящей работе исследуется усилитель на биполярном транзисторе, который выполняет роль управляемого элемента. Транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя p–n–переходами, имеющий три вывода. В зависимости от чередования областей полупроводников с различными типами электропроводности различают транзисторы типа p–n–p и типа n–p–n. Их схематическое устройство и условное графическое обозначение показаны на рис. 4.2.



Центральный слой транзистора называют базой (Б), наружный слой, являющийся источником зарядов (электронов или дырок), – эмиттером (Э), а наружный слой, принимающий заряды, –
коллектором (К).

На переход эмиттер – база напряжение источника Еэ подается в прямом направлении, и прямое сопротивление перехода мало, поэтому даже при малых Еэ возникает значительный ток эмиттер – база Iэ. На переход коллектор – база напряжение источника Ек подается в обратном направлении.

Рассмотрим работу транзистора типа p–n–p (рис. 4.2) (транзистор типа n–p–n работает аналогично). При отсутствии источника Еэ эмиттерный ток Iэ = 0, и в транзисторе через коллекторный переход в обратном направлении протекает малый ток (у кремниевых транзисторов Iко = 0,1...10 мкА).

 
 

При подключении источника Еэ возникает эмиттерный ток Iэ: дырки преодолевают переход эмиттер – база и попадают в область базы, где частично рекомбинируют со свободными электронами базы. Убыль электронов в базе пополняется электронами, поступающими из внешней цепи, образуя ток базы Iб. Благодаря диффузии часть дырок в базе, продолжая движение, доходит до коллектора и под действием электрического поля источника Ек проходит коллекторный p–n–переход. В цепи база – коллектор протекает ток Iк = Iэ Iб.



Соотношение между приращениями эмиттерного и коллекторного токов характеризуют коэффициентом передачи тока

 

.

 

Так как DIк < DIэ, то для биполярных транзисторов a = 0,9...0,995 и ток коллектора Iк = Iко + a Iэ » Iэ.

Рассмотренная схема включения транзистора, где база является общим электродом для эмиттерной и коллекторной цепей, называется схемой с общей базой. Ее применяют крайне редко из-за низкого коэффициента передачи тока.

Существует три способа включения транзистора: с общей базой, с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (электрод, находящийся на входе и выходе схемы одновременно, определяет название схемы). Основной является схема с общим эмиттером (рис. 4.3,а), в которой входной ток равен току базы:

 

Iб = Iэ Iк = Iэ – (Iко + aIэ) = (1 – a) Iэ Iко << Iэ » Iк.

 

   
 

 

 


Широкое применение схемы с общим эмиттером обусловлено малым входным (управляющим) током Iб. Коэффициент передачи (усиления) тока для схемы с общим эмиттером b = DIк / DIб колеблется в пределах 10...200.

Входные характеристики транзистора с ОЭ (рис. 4.3, б) отражают зависимость тока базы от напряжения, приложенного между базой и эмиттером, при Uкэ = const. Они мало зависят от Uкэ, поэтому обычно приводят одну характеристику Iб(Uбэ).

Выходные характеристики отражают зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при Iб = const (рис. 4.3, в).



Рассмотрим один из наиболее распространенных усилительных каскадов на транзисторах – каскад с общим эмиттером (рис. 4.4, а).

Источник усиливаемого сигнала подключается к входной цепи каскада (между базой и эмиттером) через конденсатор С1, а нагрузка Rн – к выходу каскада через конденсатор С2. Конденсаторы С1 и С2 разделяют эти цепи по постоянному току и связывают их по переменному. В выходную цепь включается источник Ек, за счет которого происходит усиление мощности выходного сигнала.

 
 

Напряжение покоя между базой и эмиттером Uбэп определяется делителем напряжения R1 – R2 и резистором Rэ, в результате возникают токи базы Iбп и коллектора Iкп. Режим работы усилителя при
uвх = 0 называют режимом покоя.

При подаче входного сигнала uвх на постоянную составляющую тока Iбп накладывается переменная составляющая iб~, и ток базы становится пульсирующим iб (рис. 4.4, б). Он вызывает пульсацию тока коллектора iк = biб и коллекторного напряжения uк. Переменная составляющая напряжения uк~ через конденсатор С2 передается в нагрузку: uн = uвых.

По второму закону Кирхгофа для выходной цепи

 

Ек = uк + Rк iк = (Uкп + uк~) + Rк (Iкп + iк~).

 

Так как Ек = const и режим по постоянному току не меняется, то видно, что с увеличением тока iк~ напряжение uк~ уменьшается, оно сдвинуто по фазе относительно входного напряжения на 180° (рис. 4.4, б).

Недостатком полупроводниковых усилителей является зависимость их параметров от температуры. Для уменьшения влияния температуры в рассмотренном усилительном каскаде с ОЭ применена эмиттерная температурная стабилизация: в цепь эмиттера включен резистор Rэ, шунтированный конденсатором Сэ. С увеличением температуры возрастают токи транзистора Iкп, Iэп, но возникающее падение напряжения на резисторе Rэ уменьшает напряжение Uбэп = UR2 Rэ Iэп (при UR2 = const), что повлечет уменьшение токов Iбп, Iэп, Iкп. Стабилизация тем эффективнее, чем больше Rэ.
Но падение напряжения на Rэ уменьшает Uбэ и снижает коэффициент усиления, что нежелательно. Это явление называют отрицательной обратной связью (ООС). Для ослабления ООС по переменному напряжению резистор Rэ шунтируют конденсатором Сэ, сопротивление которого Хсэ << Rэ для всех частот uвх. Тогда падение напряжения на участке Rэ Сэ от переменной составляющей iэ незначительно, и усиливаемое напряжение практически не меняется: uбэ » uвх.

Основные характеристики усилителя: амплитудная Uвых (Uвх) и амплитудно-частотная КU (f), определяющая зависимость модуля коэффициента усиления напряжения от частоты усиливаемого сигнала.

Амплитудная характеристика (рис. 4.5) позволяет определить диапазон входного напряжения, в пределах которого зависимость Uвых (Uвх) линейная. При большой амплитуде входного напряжения Uвх > Uвх.max появляются нелинейные искажения uвых, обусловленные нелинейностью входной и выходной характеристик транзистора (рис. 4.3, б, в).

Амплитудно–частотная характеристика (рис. 4.6) важна при усилении несинусоидальных сигналов, так как гармонические составляющие uвх усиливаются в различной степени, и форма uвых искажается. По амплитудно-частотной характеристике определяют полосу пропускания усилителя – диапазон от низших fн до высших fв частот, в котором коэффициент усиления КU ³ К0 / , где К0 – максимальный коэффициент усиления.

Уменьшение КU при низших частотах обусловлено влиянием конденсаторов С1, С2, Сэ. С понижением частоты увеличивается, и возрастают падения напряжения на конденсаторах. В диапазоне средних частот влиянием разделительных конденсаторов можно пренебречь из-за малости их сопротивления, и коэффициент усиления максимален. В области высших частот усилительные свойства ухудшаются, так как изменяется сопротивление межэлектродной емкости коллекторного перехода и уменьшается коэффициент усиления тока транзистора b.


Дата добавления: 2015-04-16; просмотров: 7; Нарушение авторских прав







lektsii.com - Лекции.Ком - 2014-2022 год. (0.013 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав
Главная страница Случайная страница Контакты