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).