Определение параметров каскада усиления графическим путем.

Динамические (реальные) параметры усилительного каскада в режиме малого сигнала можно рассчитать графическим путем. Для этого необходимо построить нагрузочную прямую в семействе выходных статических характеристик транзистора, а также воспользоваться статической входной характеристикой, снятой при . Такие построения для усилительного каскада по схеме ОЭ были приведены на рис. 15.

По результатам графических построений можно определить основные параметры усилительного каскада.

· коэффициент усиления по напряжению:

, (77)

где ,

· коэффициент усиления по току:

. (78)

· коэффициент усиления по мощности:

. (79)

· входное сопротивление:

. (80)

 

Аналитический метод определения параметров усилительного каскада.

Для аналитического расчета обходимо представить транзистор схемой его замещения и к ней присоединить элементы схемы усилителя.

Удобнее пользоваться h -параметрами транзистора. Для прикидочных расчетов можно предположить, что, коэффициент обратной связи и напряжение обратной связи незначительны, и ими можно пренебречь.

Рис.18. Эквивалентная схема замещения усилителя

С учетом сделанного допущения эквивалентная схема усилителя значительно упроститься. Она представлена на рис 18, где транзистор представлен П - образной схемой замещения.

В этой схеме:

-входное сопротивление транзистора;

-коэффициент усиления транзистора по току;

-выходное сопротивление транзистора;

-источник тока коллектора.

Нетрудно заметить, что для упрощенной схемы входное и выходное сопротивления равны:

, (81)

. (82)

Входное и выходное напряжения:

, (83)

. (84)

Входной и выходной токи:

, . (85)

Отсюда легко определить параметры усиления:

,(86)

. (87)

 

6. усилители постоянного тока

 

Усилителями постоянного тока (УПТ) называют усилители, коэффициент усиления которых не снижается при снижении частоты вплоть до нуля. Такие усилители производят усиление не только переменной, но и постоянной составляющей сигнала.

По принципу действия УПТ подразделяют на 2 основных типа: прямого усиления и с преобразованием сигнала.

Электрические сигналы, воздействуя на вход усилителя постоянного тока, во многих случаях малы по величине. Так, с помощью УПТ приходится усиливать напряжение порядка долей милливольта, а токи порядка А. Для усиления таких слабых сигналов одного каскада оказывается недостаточно, поэтому приходится применять многокаскадный усилитель.

Очевидно, что при построении многокаскадных усилителей емкостная или трансформаторная связь не может быть использована, т.к. ни конденсаторы, ни трансформаторы не пропускают постоянный ток. Поэтому для соединения отдельных каскадов применяют гальваническую (непосредственную) связь. При этом базу транзистора каждого последующего каскада непосредственно соединяют с коллектором предыдущего.

Это требование приводит к возникновению определенных трудностей, связанных с согласованиями режимов соседних каскадов по постоянному току. Такие трудности не возникают в усилителе переменного тока, где разделительные конденсаторы изолируют каскады по постоянному току.

Согласование режимов соседних каскадов по постоянному току может быть осуществлено двумя способами.

При первом способе дополнительный источник напряжения включают в цепь межкаскадной связи (рис. 19а) в этом случае, напряжение смещения определяется как разность постоянного напряжения на выходе предыдущего каскада и напряжения дополнительного источника:

. (88)

Изменяя напряжение Е, всегда можно получить оптимальное для транзистора второго каскада напряжение смещения.

При втором способе дополнительный источник постоянного напряжения включают в цепь эмиттера (или в цепь истока).

При полярности напряжения , указанной на рис. 19б напряжение смещения снова будет разностью постоянных напряжений и и так же может иметь нужную величину.

С конструктивной точки зрения, первый способ менее удачен, особенно в случае применения многокаскадных УПТ, так как будут необходимы дополнительный источники питания, и УПТ будет очень громоздким.

Второй способ значительно лучше, так как роль дополнительного источника постоянного напряжения может играть, например, резистор R в цепи эмиттера, через который проходит постоянный ток. Величину постоянного тока подбирают такой, чтобы выполнялось условие . Вариант схемы двухкаскадного УПТ приведен на рис. 20.

Рис. 20. Двухкаскадный усилитель постоянного тока

 

Делитель R1, R2 обеспечивает смещение на базу транзистора VT1. при данной полярности источника питания на коллекторе транзистора устанавливается соответствующий начальному режиму относительно высокий отрицательный потенциал, который прикладывается к базе транзистора VT2. уровень этого потенциала обычно значительно превышает требуемое напряжение смещения на базу транзистор VT2. Поэтому, если его не скомпенсировать, то токи и возрастут настолько, что транзистор может оказаться в режиме насыщения. Компенсация коллекторного напряжения в приведенной схеме осуществляется напряжением на резисторе , направленным встречно и задаваемым такой величины, чтобы:

, (89)

где - напряжение смещения на базу транзистора VT2, обеспечивающее необходимый базовый ток. В свою очередь ток обеспечивает начальный режим работы второго каскада.

Принципиальная трудность, возникающая при конструировании УПТ, заключается в том, что такие усилители обладают большой нестабильностью. Даже очень медленные изменения напряжения источников питания, а также параметров транзисторов и деталей схемы вследствие их старения, колебаний окружающей температуры вызывают медленные изменения токов, которые через цепи гальванической связи передаются на выход усилителя и приводят к изменениям выходного напряжения.

Особенно вредными оказываются изменения токов в первых каскадах, так как они усиливаются последующими. В результате этого в отсутствие входного сигнала выходное напряжение УПТ колеблется около некоторого среднего значения. Это явление, называемое дрейфом нуля УПТ, является вредным, так как возникающее выходное напряжение невозможно отличить от полезных сигналов. Дрейф нуля оценивают в единицах напряжения на время (микровольт в час). Отношение выходного напряжения при отсутствии сигнала на входе к коэффициенту усилителя называют приведенным напряжением дрейфа:

. (90)

Величина приведенного ко входу напряжения дрейфа ограничивает минимально различимый входной сигнал. Напряжение дрейфа определяет чувствительность усилителя. Если же напряжение дрейфа на входе усилителя окажется того же порядка, что и напряжение сигнала, или даже больше, то уровень искажений усилителя достигнет недопустимой величины.

Для уменьшения дрейфа нуля стабилизируют источники питания УПТ, вводят отрицательную обратную связь, а также применяют мостовые балансные схемы УПТ (рис. 21).

Рис. 21. Мостовая балансная схема УПТ

 

Данная схема выполнена в виде моста, двумя плечами которого являются внутренние сопротивления транзисторов VT1 и VT2 (вместе с соответствующей частью резистора и резистором ). К одной диагонали моста подключен источник питания , а к другой — внешняя нагрузка , с которой снимается выходное напряжение. Входной сигнал постоянного или медленно изменяющегося тока прикладывается к базам обоих транзисторов. Если плечи моста симметричны (транзисторы идентичны, = ) и , то начальные токи покоя транзисторов одинаковы. При этом напряжения на коллекторах и относительно заземленной точки схемы также равны, поэтому разность потенциалов между коллекторами, а следовательно и на нагрузке на нагрузке равна нулю. Изменение напряжения питания, температуры или воздействие какого-либо другого дестабилизирующего фактора вызывают равные приращения начальных токов транзисторов, что обусловливает равные приращения напряжений на коллекторах . Однако баланс моста при этом сохраняется и напряжение на нагрузке (напряжение дрейфа) равно нулю. При наличии входного сигнала приращена коллекторных токов, а следовательно, и напряжении на коллекторах будут равны по величине, но противоположны по направлению, что приводит к разбалансу моста и появлению на нагрузке разности потенциалов, за счет которой в резисторе протекает ток усиленного сигнала. Полной симметрии плеч и реальной схеме достичь невозможно, что обусловливает наличие небольшого напряжения дрейфа. Для повышения стабильности балансного УПТ вводят переменный резистор , с помощью которого поддерживается большее постоянство потенциале эмиттеров при изменении токов транзисторов. Значение этого резистора невелико, обычно . Вместо отдельных резисторов в цепях эмиттеров транзисторов на практике применяют один общий резистор . Он обуславливает отрицательную связь лишь по токам покоя обоих транзисторов, что выгодно с точки зрения стабилизации параметров УПТ и снижения дрейфа нуля.

При воздействии входного сигнала приращения эмиттерных токов, протекающих через резистор равны по величине, но противоположны по направлению (т.е. ). Следовательно, отрицательная обратная связь по току, полезного сигнала, поддерживается лишь небольшим сопротивлением . Значительное снижение дрейфа нуля достигается в балансных УПТ, выполненных в виде интегральных микросхем. Поскольку транзисторы в интегральной семе изготовляют в течение одного технологического цикла и в одних и тех же условиях, их параметры почти идеально идентичны. Кроме того, поскольку транзисторы расположены очень близко круг к другу в одной кремниевой пластинке, рабочая температура этих приборов одинакова.

 

7. Электронные генераторы

 

Генераторами называются автоколебательные системы, в которых энергия источника постоянного тока преобразуется энергию незатухающих электрических сигналов переменного тока, частоты и мощности.

В зависимости от формы колебаний различают автогенераторы синусоидальных и импульсных (релаксационных) колебаний.

Автогенераторы (генераторы с самовозбуждением) используются в качестве возбудителей колебаний требуемых частот, т. е. задающих генераторов. Получаемые от них колебания поступают затем в последующие каскады с целью усиления или умножения частоты. Они находят широкое применение в радиопередающих и радиоприемных устройствах, в ЭВМ, в измерительной технике, в автоматике и телемеханике и т. д. Любой усилитель может быть превращен в автогенератор, если его охватить положительной обратной связью и обеспечить выполнение условия , где b- коэффициент передачи цепи обратной связи.

Высокочастотные автогенераторы, работающие в диапазоне частот от 100 кГц до 100 МГц, выполненные на основе схемы резонансного усилителя, часто называются генераторами LC - типа. Низкочастотные автогенераторы, работающие в диапазоне от 0,01Гц до 100 кГц, построенные на основе схемы усилителя на резисторах, называются генераторами RC - типа.

Колебательный контур

В электронной аппаратуре часто появляется необходимость использования колебательных контуров.

Колебательным контуром называется замкнутая электрическая цепь, состоящая из индуктивности L и емкости С. Контур является идеальным, если в нем отсутствуют потери энергии, но во всяком реальном контуре кроме индуктивности и емкости имеется активное сопротивление ,которое распределено в катушке индуктивности и частично в соединительных проводах и диэлектрике конденсатора. Активное сопротивления вызывает потери энергии в контуре.

Свободными колебаниями в контуре называют колебания, возникающие в нем за счет энергии, первоначально накопленной в электрическом поле конденсатора либо в магнитном поле катушки. В идеальном контуре свободные колебания являются незатухающими, т, е. могут продолжаться бесконечно долгое время.

Колебательный контур, близкий по своим свойствам к идеальному, можно получить, замкнув в контуре, изображенном на рис. 22а, ключ К. Если переключатель S поставить в положение 1, конденсатор С зарядится от источника питания напряжения Е₀. При переводе переключателя в положение 2конденсатор С начнет разряжаться через катушку L. По мере разряда конденсатора возрастает и энергия переходит в энергию магнитного поля катушки. Когда конденсатор полное разряжается, напряжение на его обкладках исчезает. В это время ток в контуре максимальный. Так теперь отсутствует сила, поддерживающая ток, то он начинает уменьшаться. При этом увеличивается ЭДСсамоиндукции обратной полярности и конденсат заряжается с новой полярностью. Роль источника в это время выполняет катушка. По мере заряда, конденсатора напряжение на его обкладках возрастает, а ток в контуре Рис. 22

убывает. После окончания зарядки конденсатор начинает разряжаться через катушку, и процесс повторяется. На рис. 22б показаны графики изменения напряжения и тока в идеальном контуре.

Угловая частота свободных колебаний контура зависит от его параметров:

. (91)

Частное от деления напряжения на ток в контуре называется волновым сопротивлением контура:

. (92)

Индуктивное сопротивление катушки и емкостное сопротивление конденсатора при свободных колебаниях равно волновому сопротивлению контура: . Частота свободных колебаний:

. (93)

Длина волны, соответствующая частоте свободных колебаний, .

Если ключ К разомкнуть, то в контуре появятся активные потери. В этом случае колебания в контуре скажутся затухающими (рис. 22в). В течение каждого периода колебаний часть первоначально запасенной энергии будет безвозвратно теряться в активном сопротивлении контура. Чем больше активное сопро­тивление, тем быстрее уменьшаются амплитуды тока и напряжения.

Для оценки качества колебательного контура вводится понятие добротности контура - Q. Добротность равна отношению волнового сопротивления r к активному сопротивлению контура R:

. (94)

Величина, обратная добротности, называется затуханием контура:

. (95)

Чем больше добротность, тем дольше существуют свободные колебания и тем выше качество контура.

Генераторы LC – типа.

Любой автогенератор LC - типа состоит из:

· колебательного контура, в котором возбуждаются незатухающие колебания требуемой частоты;

· источника электрической энергии, за счет которого в контуре поддерживаются незатухающие колебания;

· транзистора, посредством которого регулируется подача энергии, от источника в контур;

· элемента обратной связи, обеспечивающего передачу переменного напряжения необходимой величины из выходной цепи во входную, для поддержания незатухающих колебаний в колебательном контуре.

Простейшая схема автогенератора LC - типа на транзисторе приведена на рис. 23а.

Рис. 23. Автогенератор LC - типа (а) и пульсации тока коллектора (б)

Такая схема называется генератором с трансформаторной связью. Колебательный контур состоит из индуктивной катушки и конденсатора . Источником энергии является источник постоянного напряжения который отдает часть энергии в колебательный контур в моменты, когда в его внешней цепи, состоящей из колебательного контура и параллельно соединенного с ним транзистора, проходит ток. Регулятором служит транзистор, цепью обратной связи - катушка , индуктивно связанная с колебательным контуром.

При включении источника питания в коллекторной цепи транзистора возникает ток коллектора, который заряжает конденсатор колебательного контура. После заряда конденсатор разряжается на катушку . В результате в контуре возникают свободные колебания с частотой которые индуцируют в катушке связи переменное напряжение той же частоты, с которой происходят колебания в контуре. Это напряжение вызывает пульсацию тока коллектора (см. рис.23б). Переменная составляющая этого тока восполняет потери энергии в контуре, создавая в нем усиленное транзистором переменное напряжение. Повышение напряжения на контуре приводит к новому нарастанию напряжения на катушке обратной связи , которое вызовет нарастание амплитуды переменной составляющей коллекторного тока, и т.д. В установившемся режиме рост тока в контуре ограничивается сопротивлением потерь, а также затуханием, вносимым в контур за счет прохождения тока по обмотке обратной связи .

Элементы схемы , , , предназначены для обеспечения необходимого режима работы по постоянному току и его термостабилизации. Дроссель является препятствием для переменной составляющей коллекторного тока, а конденсатор для его постоянной составляющей.

Незатухающие колебания в контуре автогенератора установятся лишь при выполнении двух основных условий. Первое из этих условий называют условием баланса фаз, которое сводится к тому, что в схеме генератора должна быть установлена положительная обратная связь между выходной и входной цепями транзистора.В этом режиме обеспечивается восполнение потерь энергии в контуре. Практически фазовое условие удовлетворяется, если напряжения коллекторе и базе будут сдвинуты на , т.е. находится в противофазе. Это достигается соответствующим включением концов катушек и . При отсутствии самовозбуждения необходимо переключить концы катушки . Второе условие называют условием баланса амплитуд, которое состоит в том, что для возникновения автоколебательного режима необходима положительная обратная связь с выхода усилительного элемента на его вход, причем затухание в контуре должно компенсироваться.

Практически глубина положительной обратной связи должна быть такой, чтобы полностью восполнялись потери энергии в контуре.

Помимо рассмотренной выше схемы с трансформаторной связью широкое распространение получили трехточечные схемы с индуктивной автотрансформаторной (рис. 24а)и емкостной (рис. 24б)обратной связью (ОС).

Рис. 24. Трехточечные схемы с индуктивной автотрансформаторной (а)

и емкостной (б)обратной связью

В этих схемах колебательный контур подключен к электродам транзистора (по переменному току) тремя точками: эмиттер, коллектор, база. Элементы контура к электродам транзистора должны подключаться так, чтобы выполнялось фазовое условие самовозбуждения генератора. В автотрансформаторной схеме с индуктивной ОС (рис. 24а ) напряжение ОС снимается с части витков контурной катушки, которые заключены между эмиттером и базой транзистора, и через конденсатор С 1 подается на базу. Мгновенные значения напряжений па катушках и относительно средней точки противоположны (сдвинуты по фазе на 180°).

В результате в схеме устанавливается положительная ОС и обеспечивается баланс фаз.

Амплитудное условие самовозбуждения удовлетворяется подбором значения ОС (числа витков катушки связи).

В схеме с емкостной ОС (рис. 24б ) резонансный колебательный контур образован конденсаторами С 1, С 2и катушкой . Напряжение ОС снимается с конденсатора С 2. Фазовое условие самовозбуждения в схеме удовлетворяется, поскольку полярности мгновенных значений напряжений на конденсаторах противоположны по знаку. Условия баланса амплитуд обеспечиваются выбором емкости конденсатора С 2 ( при ее увеличении ОС уменьшается).

Генераторы RC-типа.

Для решения ряда электротехнических задач требуются низкочастотные автогенераторы синусоидальных колебаний, работающие в диапазоне частот от долей герца до сотен килогерц. Генерация таких колебаний с помощью LC - генераторов связана с большими конструктивными трудностями. В LC - генераторах при уменьшении частоты генерации необходимо увеличивать индуктивность и емкость колебательного контура, так как . Увеличение емкости и индуктивности колебательного контура приводит к резкому возрастанию его габаритов и массы. Этого недостатка лишены автогенераторы RC – типа, в которых вместо колебательных контуров используются избирательные RC - фильтры. Структурная схема RС - генератора изображена на рис. 25а.

Рис.25. Структурная схема RС – генератора (а) и схема генератора

RC – типа с трехзвенной фазовращающей цепочкой

 

В этой схеме используется обычный резистивный усилитель. Для самовозбуждения усилителя его необходимо охватить положительной обратной связью, т. е. на вход усилителя подавать часть выходного напряжения, превышающего входное или равное ему но величине и совпадающее с ним по фазе.

Для обеспечения необходимого фазового сдвига па частоте генерируемых колебаний применяют фазовращающие цепочки, которые имеют несколько RC - звеньев и служат для поворота фазы выходного напряжения усилителя на 180°. В связи с тем что одно RC - звено изменяет фазу на угол меньше 90°, минимальное число звеньев фазовращающей цепочки равно трем. Для того чтобы частота генерируемых колебаний зависела, главным образом, от параметров фазовращающей цепочки, а амплитуда колебаний оставалась бы стабильной в заданном диапазоне частот, усилитель должен обладать большим коэффициентом усиления по току, значительным входным сопротивлением и относительно малым выходным сопротивлением.

На рис. 25б изображена простейшая схема генератора RC -типа с трехзвенной фазовращающей цепочкой.

Работа автогенератора начинается с момента подачи на него напряжения . Делитель напряжений , обеспечивает открытие транзистора VT. При этом возникает импульс коллекторного тока, который содержит широкий спектр частот, обязательно включающий в себя и необходимую частоту генерации. Генерирование незатухающих колебаний требуемой частоты осуществляется за счет обеспечения фазовых и амплитудных условий самовозбуждения Обеспечение фазовых условий достигается с помощью подбора соотношений между резисторами конденсаторами. В результате получается фазовый сдвиг в 180° между напряжениями на коллекторе и базе. Для выполнения амплитудного условия коэффициент обратной связи должен быть равен:

, (96)

где -коэффициент передачи тока транзистор включенного по схеме с ОЭ.

Библиографический список

1. Миклашевский С.П. Промышленная электроника / С.П. Миклашевский. – М.: Высш. школа, 1964. – 377 с.

2. Пряшников В.А. Электроника (курс лекций) / В.А. Пряшников. –М.: Корона принт, 2000. – 415 с.

3. Китаев В.Е. Электротехника с основами промышленной электроники / В.Е. Китаев. – М.: Высш. школа, 1980. – 253 с.

4. Дулин В.Н. Электронные приборы / В.Н. Дулин. – М.:Энергия, 1977. – 423 с.

5. Федотов В.И. Основы электроники / В.И. Федотов. – М.: Энергия, 1998. – 345 с.

6. Розанов Ю.К. Основы преобразовательной техники / Ю.К. Розанов. – М.: Энергия, 1979. – 392 с.

7. Герасимов В.Г. Основы промышленной электроники / Под ред. В.Г.Герасимова. - М.: Высш. школа, 1986. – 280 с.

8. Касаткин А.С. Электротехника / А.С. Касаткин, М.В. Немцов. - М.: Энергоатомиздат, 1983. – 245 с.

9. Волынский В.А. Электротехника / В.А. Волынский, Е.Н. Зейн, В.Е. Шатерников - М.: Энергоатомиздат, 1987. – 308 с.

 

Редактор

Корректор

 

Лицензия 020404 от 06.03.1997

Подписано в печать Формат 60x84 1/16.

Бумага писчая. Печать RISO. усл.печ.л.

уч.-изд.л. Тираж экз. Заказ «С»

Издательство Казанского государственного технологического университета

Офсетная лаборатория Казанского государственного

технологического университета

420015, Казань, К. Маркса, 68

¨ ковалентной называют связь между 2-мя валентными электронами соседних атомов, при которой оба электрона, принадлежащие двум соседним атомам, вращаются по одной общей орбите.