загрузка...
загрузка...
На головну

Підсилювачі з ОЕ

  1. балансної УСИЛИТЕЛИ
  2. ВОЛОКОННО-ОПТИЧНІ УСИЛИТЕЛИ
  3. Волоконно-оптичні підсилювачі
  4. Гідропідсилювачі, принцип дії, пристрій, класифікація.
  5. ДИФЕРЕНЦІАЛЬНІ УСИЛИТЕЛИ
  6. ВИБОРЧІ УСИЛИТЕЛИ
  7. Інвертують і неінвертуючий масштабуючі підсилювачі

Підсилювачі низької частоти (УНЧ) найбільш широко застосовуються для посилення сигналів, що несуть звукову інформацію, в цих випадках вони називаються також підсилювачами звукової частоти. Діапазон частот зазвичай від 20 Гц до 20 кГц.

Підсилювач звукових частот складається з попереднього підсилювача і підсилювача потужності (УМ). Попередній підсилювач призначений для підвищення потужності і напруги та доведення їх до величин, потрібних для роботи крайового підсилювача потужності.

Підсилювач потужності повинен віддавати в ланцюг навантаження (споживача) задану потужність електричних коливань. Його навантаженням можуть бути випромінювачі звуку: акустичні системи (колонки), навушники (головні телефони); радіотрансляційна мережа або модулятор радіопередавача. Підсилювач низьких частот є невід'ємною частиною всієї звуковідтворювальної, звукозаписної і радіотранслірующей апаратури.

Типова схема одиночного підсилювального каскаду з ОЕ.Транзистор є трехполюсніком, тому він включається в схеми трьома різними способами. Для біполярного транзистора це включення із загальною базою (ПРО), із загальним емітером (ОЕ), із загальним колектором (ОК). Ці три схеми відрізняються основними параметрами: коефіцієнтами передачі по струму і напрузі, вхідним і вихідним опорами.

У підсилювачах змінного струму широкого поширення набули каскади з ємнісний зв'язком (RC-підсилювач), причому найбільш широко застосовується каскад з ОЕ. Типова схема каскаду ОЕ приведена на малюнку 2.1.

Призначення елементів.опору R1 и R2 -подільники, що забезпечують позитивний зсув на емітерний перехід.СР1 и СР2 - Розділові конденсатори, завдяки яким на вхід підсилювального каскаду і на вихід проходять тільки змінні складові сигналів. За рахунок них постійні складові джерела сигналу не впливають на режим по постійному струму каскаду, а на вихід потрапляє тільки підсилюється сигнал і не проходять допоміжні постійні складові.

Розділові конденсатори утворюють RC-ланцюг з послідовними опорами, при цьому утворюється фільтр високих частот, який пригнічує низькочастотні складові вхідного сигналу (і тим більше постійну складову). Однак найнижчі частоти підсилюється діапазону повинні пропускатися з частотними спотвореннями не більш заданих.

RК -опір колекторної навантаження, з якою знімається підвищена напруга. Струм спокою біполярного транзистора, а, отже, і положення робочої точки спокою на навантажувальної прямої визначаються параметрами транзистора, які залежать від температури. До таких параметрів належать: зворотний струм колекторного переходу; коефіцієнт передачі струму b; напруга на емітерний перехід Uбе.

Зміна зазначених параметрів транзистора в діапазоні температур викликає зміщення робочої точки на навантажувальної прямої, що може привести до нелінійних спотворень або відсічення вихідного сигналу підсилювача. зміна ?Iк колекторного струму з температурою визначається залежністю:

,

де ? - коефіцієнт передачі струму бази; I*до - Наскрізний струм колектора. Найбільш сильно струм колектора змінюється за рахунок Iдо* (Експоненціальна залежність).

Мал. 2.1. Типова схема підсилювального каскаду ОЕ

Тому при роботі транзисторних підсилювачів в широкому діапазоні температур необхідно вжити заходів щодо забезпечення стабільності робочої точки спокою. Найбільш широко застосовуються негативні зворотні зв'язки по постійному струму і напруги.

RЭ - Елемент негативного зворотного зв'язку (ООС) по постійному струму. Із зростанням температури збільшуються струми спокою IКП и IЕП, При цьому збільшується падіння напруги URЭ і емітерний перехід подзапірается, що викликає зменшення струму бази і колектора. Таким чином, ООС стабілізує струм спокою; щоб не було ООС по змінної складової, RЭ шунтируется конденсатором СЭ, при цьому якщо 1 / ?нСэ « RН ООС по змінної складової практично немає.

Вибір робочої точки.Робоча точка - точка площині вхідних, вихідних та інших характеристик підсилювача, що зв'язує поточні значення струму і напруги. При відсутності вхідного сигналу в схемі протікають постійні струми, звані струмами спокою. Залежно від вихідних значень струмів (і напруг) задається початкова робоча точка (далі - просто робоча точка). Розрізняють декілька режимів роботи підсилювачів (рисунок 2.2).

 
 


 Мал. 2.2. Вхідні характеристики транзистора в схемі ОЕ

розглянуті RC - Підсилювачі зазвичай працюють в режимі А (див. Рисунок. 2.2). В режимі А вхідний струм (струм бази Iб) І пов'язаний з ним ток колектора завжди більше нуля (Iдо> 0). При цьому він збільшується або зменшується в залежності від вхідного сигналу, тобто в режимі А має місце лінійне посилення(При малій амплітуді вхідного сигналу, зрозуміло).

В режимі В початковий струм колектора (Iк = 0), тому струм колектора може тільки збільшуватися. При синусоидальном вхідному сигналі в ланцюзі колектора протікають тільки позитивні напівхвилі струму. Цей режим економічний, так як не витрачається потужність на зміщення, але при цьому потрібно двотактнийрежим роботи підсилювача з двома транзисторами. Крім того, з'являються нелінійні спотворення, обумовлені роботою на нелінійному ділянці характеристики.

Режим АВ є проміжним між режимами А и В. У початковому стані протікають невеликі струми бази і колектора. Нелінійних спотворень менше, але в цьому режимі також потрібно двотактне посилення,

Попередні каскади підсилювачів зазвичай працюють в режимі класу А, Потужні вихідні каскади - в режимі класу В, Але частіше (для зменшення нелінійних спотворень) - в режимі АВ.

Вибір робочої точки в режимі А.Спочатку потрібно правильно вибрати робочу точку транзистора, тобто сукупність струму спокою IКПі напруги спокою UКП. (На малюнку 2.2 - точка А, на лінійній ділянці). Через цю точку, проходить лінія навантаження: статичне, обумовлена RК, і динамічна, що визначається RК|| RН (Рисунок 2.3). Робоча точка вибирається виходячи із заданих максимальних амплітуд вихідної напруги (Um) І пов'язаного з ним струму [Im= Um/ (RК|| RН)], а саме:

; .

Крім цього, робоча точка повинна задовольняти умовам:

UKП+ Umkдоп ; IKПUKПkдоп,

тобто повинна лежати лівіше вертикалі UKдоп і нижче гіперболи РКдоп, де Ukдоп и РКдоп допустимая напруга і потужність.

У разі малого сигналу виконання цих співвідношень не зустрічається труднощів, так що робоча точка може вибиратися з умов максимального коефіцієнта b, Максимального динамічного діапазону, вимог, що випливають з динамічного розрахунку і т.д. Найчастіше використовується режим, рекомендований в довідниках.

Визначивши бажані координати робочої точки (UKП, IKП), Потрібно забезпечити їх в реальній схемі, обравши відповідні напруги джерел живлення і зсуву, а також номінали режимних резисторів. Такі розрахунки можна виконати аналітично.

Робота підсилювача ОЕ на змінному струмі.На малюнку 2.3. за допомогою вольтамперних характеристик пояснюється робота підсилювального каскаду на змінному струмі. При подачі на вхід каскаду невеликого змінної напруги з амплітудою Uбеm (Частки вольт) на вході встановлюється струм бази з амплітудою Iб m, А на виході струм колектора з амплітудою Iкm. У високоомних вихідний ланцюг, що живиться досить високою напругою Ек (10 ? 30 В) включається резистор RК (1 ? 5 кОм) і на ньому виділяється посилений сигнал Uвихm (5 ? 15) вольт.

Як видно, фаза вихідної напруги в схемі ОЕ змінюється на 180 ? в порівнянні з вхідним сигналом.


Мал. 2.3. Вибір робочої точки А. Пояснення принципу роботи підсилювача на змінному струмі. (Iкое= Iдо *)

Методика розрахунку підсилювального каскаду ОЕ по постійному струму.Отже, обраний транзистор, обрана робоча точка. Токи і напруги в робочій точці А (струм колектора спокою і напруження колектора спокою) обрані: .

1. Струм бази спокою дорівнює:

2. Рекомендується така глибина зворотного зв'язку, що

Uеп = (0,1 ? 0,3) Ек.

3. Струм емітера спокою: .

4. Опір зворотний зв'язок: RЭ = Uеп /Iеп.

5. Щоб встановити по постійному струму на вході вибираємо струм дільника Iсправ : Iсправ = (2 ? 10) Iбп .

6. Напруга бази спокою: Uбп = Uеп+ UБЕЗ.

7. Розрахунок плечей дільника: R2 = Uбп / Iсправ; R1= (Ек -Uбп) / (Iсправ+Iбп).

Для подальшого підвищення стабільності робочої точки крім зворотних зв'язків можна використовувати схеми з термокомпенсацією, в яких шляхом застосування термозалежні нелінійних елементів (діодів, терморезисторов) здійснюється безпосередній вплив на DIK .

розрахунок RC-підсилювач по змінному струмі на середніх частотах з використанням Т-образної фізичної еквівалентної схеми. При розрахунку транзисторний каскад представляємо у вигляді еквівалентної схеми, використовуючи Т-образну еквівалентну схему біполярного транзистора.

Мал. 2.4. Еквівалентна схема каскаду ОЕ в області середніх частот

Еквівалентна схема каскаду ОЕ в області середніх частот представлена ??на малюнку 2.4. R1 ||R2 (R1 паралельно R2) - дільник; rб - Об'ємний опір бази; rэ - диференціальне опір емітерного переходу; rэ = ?Uбе / ?Iбе; rэ = ?т/Iе, де ?т - Температурний потенціал (0,025 В при 20 ?С);

rк*- диференціальне опір між висновками колектор - емітер; rк*<< rк , де rк- Диференційний опір колекторного переходу; rк = ?Uкб/ ?Iк; rк велике (десятки і сотні кОм, так як перехід закритий; rк*= ?Uке/ ?Iк= rк/ (? + 1).

Розрахунок передбачає визначення коефіцієнтів посилення, вхідних і вихідних опорів Ku, Ki, Rвих, Rвх .

Вхідний опір підсилювача. Вхідний опір ідеального підсилювача має бути велике, щоб він не зашунтірованний джерело сигналу, а вихідний - маленьке, щоб навантаження не зашунтірованний вихідна напруга.

Вхідний опір каскаду визначається відношенням

Rвх =  , де  - Напруга на затискачах Б-Е, а Iвх - Вхідний струм. З огляду на, що через опір rб протікає струм Iб , А через rэ - струм  , І складаючи обидва падіння напруги, знаходимо величину Uвх; ділячи її на ток  отримуємо: ,

Rвх = R1|| R2 || rвх (Кілька кОм).

Вхідний опір залежить від режиму транзистора, особливо від струму Iэ, Оскільки величина rэ обернено пропорційна цьому струму.

вихідний опір визначається з боку вихідних затискачів при відключеному навантаженні і нульовому вхідному сигналі.

= Rк || rк*. При цьому, як правило, Rк « rк* і можна не враховувати величини  , Тому:  (Кілька кОм).

Коефіцієнт посилення по напрузі визначається як відношення напруги Uвих на навантаженні до ЕРС джерела сигналу eг з очевидних співвідношень:

З останньої формули видно, що коефіцієнт посилення по напрузі, звичайно, залежить від ?, збільшується зі зменшенням вхідного опору і збільшенням вихідного.

Для збільшення Кu сумарну колекторних навантаження  бажано робити якомога більшою. Так як опір Rн зазвичай задано, слід вибирати .

Коефіцієнт посилення по току визначається за допомогою співвідношень:

Звідси:

Коефіцієнт посилення по потужності дорівнює

КР= ДоI* ДоU.

Робота підсилювача на високих і низьких частотах.На високих і низьких частотах виникають «завали» АЧХ, тобто виникають частотні спотворення. Фазо - частотна (ФЧХ) характеристика теж відрізняється від характеристик на середніх частотах (рисунок 2.5).

Зниження посилення на низьких частотах визначається розділовими ємностями, на високих частотах - паразитними ємностями транзистора. Коефіцієнт частотних спотворень на самому нижчому частоті діапазону  ; коефіцієнт частотних спотворень на найвищій частоті діапазону -  . Смуга пропускання дорівнює  . тут К0 - Коефіцієнт посилення на квазірезонансного частоті f0 , Де він максимальний, а фазові спотворення відсутні. Найчастіше задається Мн = Мв.

Мал. 2.5. АЧХ і ФЧХ підсилювального каскаду

Частотні спотворення в області низьких частот (НЧ).Низькочастотні спотворення в схемі вносять розділові конденсатори і ємності в ланцюгах емітерний термостабілізації (Ср1, Зр2, Зэ ).

Для схеми малюнка 2.2 сумарний коефіцієнт частотних спотворень знаходиться як

Коефіцієнт частотних спотворень на нижніх частотах  в децибелах:

.

У загальному випадку, оскільки є кілька джерел низькочастотних спотворень, загальний коефіцієнт дорівнює:

де  - Частотні спотворення, відведені на елемент, що вносить ці спотворення;  - Число елементів, які впливають на АЧХ в області низьких частот. Еквівалентна схема каскаду ОЕ для області НЧ показана на малюнку 2.6.

Мал. 2.6. Еквівалентна схема каскаду ОЕ на низьких частотах

Зі зниженням частоти реактивні опору зазначених ємностей збільшується. При цьому ємності  перешкоджають проходженню сигналу з входу каскаду на його вихід, зменшуючи тим самим коефіцієнт підсилення каскаду в області низьких частот. Блокуюча емітерна ємність  в області НЧ перестає шунтировать резистор  , І коефіцієнт посилення каскаду зменшується за рахунок дії негативного зворотного зв'язку.

Низькочастотні спотворення за рахунок ємності  можна визначити за формулою:

де  - Постійна часу ланцюга розряду конденсатора ;  - Вхідний опір каскаду;  - Внутрішній опір джерела сигналу. знаючи величину  , Можна знайти постійну часу  , А по ній - ЗР1.

Подібним же чином визначаються низькочастотні спотворення за рахунок ємностей ,  , При цьому величини постійні часу можуть бути визначені з еквівалентної схеми каскаду (рис. 2.6):

Кожна постійна часу являє собою добуток відповідної ємності на результуючий опір ланцюга її перезарядження.

Далі можуть бути значення ємностей в залежності від відведених на даний елемент частотних спотворень :

Частотні спотворення в області високих частот. Фактори, що впливають на характеристики підсилювача в області високих частот: залежність коефіцієнта ? від частоти і наявність ємності колекторного переходу (внутрішні параметри самого транзистора).

Зі збільшенням частоти час дифузії носіїв заряду в базі стає порівнянним з періодом посилюваної частоти, тобто на високій частоті не всі носії заряду досягають колекторного переходу, тому зі збільшенням частоти ? зменшується (Рисунок 2.7). Можна сказати, що з'являється постійна часу ??, Пов'язана з дифузійними процесами в базі (дифузійної ємністю).

 
 
 Мал. 2.7. Залежність коефіцієнта передачі по току ? від частоти


частота f? , На якій ? падає до значення 0,707 від низькочастотного значення (?0) Називається граничною частотою по ? (f?).

Ємність колектор-емітер Cк?= (? + 1) *Ск також впливає на посилення, де Ск - Бар'єрна ємність; вона обумовлена ??нерухомими зарядами на переході колектор-база. На високій частоті Cк? шунтирует колекторний перехід, що викликає зменшення коефіцієнта посилення.

Коефіцієнт частотних спотворень на високих частотах, таким чином, дорівнює


де ?в = ?? + ?k - Постійна часу;

?? = 1 / f?; ?к визначається постійної часу вихідний ланцюга;

?к= Ск*(rk*||RH ||Rk).

Зрушення по фазі між вхідним і вихідним напругами дорівнює

?в= - arctg ?B.

Завдяки сучасним технологіям ємності (і, отже, постійні часу) стають менше, тому сучасні транзистори можуть працювати на частотах до сотень мГц.

2.2. Схема із загальним колектором (ОК) або емітерний повторювач

Принципова схема. Для оптимальної передачі сигналу в наступну ланцюг вихідний опір підсилювача має бути зменшено, а вхідний збільшено.

Емітерний повторювачем схема називається тому, що вихідний сигнал майже дорівнює вхідному і фаза вихідного сигналу дорівнює фазі вхідного. За рахунок закритого колекторного переходу у вхідному ланцюзі вхідний опір велике. Вихідна напруга знімається з опору в емітерний ланцюга і вихідна напруга мало.

Схема ОК (рисунок 2.8) являє собою схему з глибоким негативним зворотним зв'язком (всі вихідна напруга включено до вхідної ланцюг), тому вона не дає посилення по напрузі. Фаза вихідної напруги збігається з фазою вхідного. Цей каскад часто входить в схеми як каскад сполучення.

резистор Rе, як і резистор RК в схемі ОЕ, служить для створення мінливого напруги в вихідний ланцюга за рахунок протікання в ній струму, керованого по ланцюгу бази. Як і в схемі ОЕ тут вибирається режим класу А. Вибір струму спокою залежить від змінного струму, необхідного для отримання на виході заданого змінного сигналу.

Еквівалентна схема на середніх частотах (рисунок 2.9) І розрахунок основних параметрів підсилювача з ОК. Для каскаду з ОК в області середніх частот маємо:

;

Rвх = R1 || R2 || RВХТ » R1 || R2 || [(1 + b) (Rэ || Rн)] ||  (Велика: одиниці і десятки кОм, залежить від ?);

 . Зазвичай 10-50 Ом.

КU близький до 1 (трохи менше одиниці), тобто схема з ОК не підсилюває вхідної напруги; фаза вихідної напруги збігається з фазою вхідного (тому схема ОК називається ще емітерний повторювачем).



Попередня   1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14   15   Наступна

Уфимський державний авіаційний | З дисципліни | ПІДСИЛЮВАЧІ. КЛАСИФІКАЦІЯ І ОСНОВНІ ПАРАМЕТРИ | ПІДСИЛЮВАЧІ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ. ДИФЕРЕНЦІАЛЬНІ УСИЛИТЕЛИ | Коефіцієнти передачі диференціального підсилювача. | ОПЕРАЦІЙНІ ПІДСИЛЮВАЧІ, ПОБУДОВА. ПАРАМЕТРИ. | Інвертують і неінвертуючий масштабуючі підсилювачі | Генератори синусоїдальних коливань. | стабілізація амплітуди | активні фільтри |

загрузка...
© um.co.ua - учбові матеріали та реферати