Применение БПТ в усилительном и ключевом режиме.

Устройство и принцип действия биполярного транзистора. Биполярным транзистором называют полу проводниковый прибор имеющий два взаимодействующих между собой p-n перехода. Технология изготовления биполярных транзисторов может быть различной - сплавление, диффузия и т.д. это в значительной мере определяет характеристики прибора.

В зависимости от последовательности чередования областей с различным типом проводимости различают n-p-n транзисторы и p-n-p транзисторы. Средняя часть рассматриваемых структур рассматриваемых структур называется базой, одна крайняя область называется коллектором другая эмиттером в несимметричных структурах.

Электрод базы располагается ближе к эмиттеру, а ширина базы зависит от частот-ного диапазона транзистора и с повышением частоты уменьшается. В зависимос-ти от полярности напряжений, приложенных к электродам транзистора, различа-ют следущие режимы его работы: линейный (усилительный), насыщения, отсечки и инверсный.

В линейном режиме работы транзистора эмиттерный переход смещен в пря-мом направлении, а коллекторный -- в обратном. В режиме насыщения оба пере-хода смещены в прямом направлении, а в режиме отсечки -- в обратном. И, наконец, в инверсном режиме коллекторный переход смещен в прямом направле-нии, а эмиттерный -- в обратном. Кроме рассмотренных режимов возможен еще один режим, который является не рабочим, а аварийным -- это режим пробоя.

в линейном режиме транзистор для малых приращений тока базы можно заменить источником тока коллектора, уп-равляемого током базы. При этом, если пренебречь падением напряжения между базой и эмиттером, то можно считать этот переход коротким замыканием. В ре-зультате для линейного режима можно использовать простейшую модель транзи-стора
9. Усилители мощности, особенности построения

Особенности каждой из схем усилителей на биполярном транзисторе

при разных схемах включения.

В качестве усилителей мощности на биполярных транзисторах наи-

большее распространение получили схемы с ОЭ, так как при таком вклю-

чении схема обеспечивает усиление и по току, и по напряжению.

Хорошим усилением по напряжению обладает схема усилителя на

транзисторе с ОБ, но она не усиливает по току и имеет плохие согласую-

щие свойства, что важно в случае многоступенных усилителей. Но не надо

забывать о том, что транзистор в схеме с ОБ показывает лучшие (среди

трёх схем включения) температурные и частотные свойства, и, кроме того,

эта схема хорошо усиливает по напряжению, поэтому она может быть ис-

пользована в качестве усилителя мощности.

Схема усилителя на транзисторе с ОК имеет лучшие согласующие

свойства, она лучше других усиливает по току, но усиления напряжения в

ней нет.

Рабочий режим транзистора в схемах с ОЭ и ОБ характеризуется

включением нагрузки в цепь коллектора, а в схеме с ОК ─ в цепь эмитте-

2. УСИЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА НА ТРАНЗИСТОРАХ

2.1. Классификация усилительных устройств

Одна из основных функций, реализуемых аналоговыми устройствами, — усиление. Поэтому в курсе АЭУ особое внимание уделяется усилительным устройствам (УУ).

УУ называется устройство, предназначенное для повышения (усиления) мощности входного сигнала. Усиление происходит с помощью активных элементов за счет потребления мощности от источника питания. В УУ входной сигнал лишь управляет передачей энергии источника питания в нагрузку.

В качестве активных элементов чаще всего применяются транзисторы, такие УУ принято называть полупроводниковыми, или транзисторными.

УУ принято классифицировать по ряду признаков:

▶ по характеру усиливаемых сигналов — УУ непрерывных (гармонических) и УУ импульсных сигналов;

▶ по диапазону рабочих частот — УУ постоянного тока (f_н=0 Гц) и УУ переменного тока. В свою очередь, УУ переменного тока в учебной литературе (и в данном пособии) подразделяются на:

◆ усилители звуковых частот (от 20 до 20000 Гц) или низкочастотные усилители;

◆ усилители высоких частот (ВЧ) (f_в до 300 МГц);

◆ усилители сверхвысоких частот (СВЧ) (f_в›300 МГц).

В специальной литературе принято классифицировать УУ переменного тока по диапазону рабочих частот согласно таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Границы частотных диапазонов

Диапазон	Аббревиатура	Границы диапазона	Единицы измерения
Очень низкие частоты	ОНЧ	3–30000	Гц
Низкие частоты	НЧ	30–300	КГц
Средние частоты	СЧ	300–3000	КГц
Высокие частоты	ВЧ	3–30	МГц
Очень высокие частоты	ОВЧ	30–300	МГц
Ультравысокие частоты	УВЧ	300–3000	МГц
Сверхвысокие частоты	СВЧ	3–30	ГГц
Крайне высокие частоты	КВЧ	30–300	ГГц
Гипервысокие частоты	ГВЧ	300–3000	ГГц

Кроме того, УУ ВЧ и СВЧ диапазонов подразделяются на:

• узкополосные (f_в/f_н<2, (f_в–f_н)≪f₀);

где f₀ — средняя частота рабочего диапазона УУ;

• широкополосные (f_в/f_н>2).

▶ импульсные усилители классифицируются по длительности усиливаемых импульсов на микро-, нано- и пикосекундные;

▶ по типу активных элементов УУ подразделяются на ламповые, транзисторные, квантовые и др.;

▶ по функциональному назначению УУ подразделяются на усилители напряжения, тока и мощности;

▶ по назначению УУ подразделяются на измерительные, телевизионные и т.д.

Кроме рассмотренных основных признаков УУ могут классифицироваться по ряду дополнительных признаков — числу каскадов, типу питания, конструктивному исполнению и т.д.

2.2. Основные технические показатели и характеристики УУ

Рисунок 2.1. Структурная схема усилителя

Технические показатели УУ представляют собой количественную оценку его свойств. К техническим показателям относятся (рис. 2.1):

◆ входное сопротивление Z_вх. Чаще всего Z_вх носит емкостной характер;

◆ выходное сопротивление Z_вых. Чаще всего Z_вых носит так же емкостной характер;

◆ коэффициенты передачи:

• по напряжению или просто :

где φ — фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами.

Значение |K| на средних частотах рабочего диапазона УУ, обозначаемого как K₀, называют коэффициентом усиления.

В логарифмических единицах:

K₀,dB = 20lgK₀.

Для n-каскадных УУ (каскады включены последовательно):

K_Σ = K₁ * K₂ * … K_n,

K_Σ,dB = K₁,dB + K₂,dB + … + Kn,dB;

• по току :

Для n-каскадных усилителей K_I_Σ в относительных и логарифмических единицах определяются аналогично K_Σ.

• по мощности K_P:

K_P = P_вых/P_вх.

Для n-каскадных усилителей K_P_Σ в относительных и логарифмических единицах определяются аналогично K_Σ, только

K_P,dB = 20lgK_p.

• сквозные коэффициенты, например, сквозной коэффициент передачи по напряжению :

где E_c — ЭДС источника сигнала.

◆ коэффициент полезного действия:

КПД = P_пот/P₀,

где P_пот — максимальная выходная мощность усилителя; P₀ — мощность, потребляемая от источника питания.

Характеристики УУ служат для оценки искажения сигнала. Искажения — это отклонения формы выходного сигнала от формы входного. В зависимости от происхождения они подразделяются на:

◆ искажения частотные, вызываемые неодинаковым усилением усилителя на разных частотах. Частотные искажения создаются LC элементами, поэтому они носят линейный характер.

Вносимые усилителем частотные искажения оценивают по амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) и по фазочастотной характеристике (ФЧХ).

АЧХ называется зависимость модуля коэффициента передачи от частоты. Часто используют нормированную АЧХ, представленную на рис. 2.2.

Рисунок 2.2 АЧХ УУ

Здесь Y — относительный (нормированный) коэффициент усиления:

Y = |K|/K₀,

Y,dB = 20lgY.

Структура выражений для n-каскадного усилителя в относительных и логарифмических единицах в точности совпадает с выражениями для K и получается из последних путем замены K на Y.

Количественно частотные искажения оцениваются коэффициентом частотных искаженийM:

M = 1/Y = K₀/|K|,

M,dB = 20lgM.

Структура выражений для n-каскадного усилителя в относительных и логарифмических единицах также в точности совпадает с выражениями для K и получается из последних путем замены K на M.

По АЧХ и допустимой величине частотных искажений определяют нижнюю f_н и верхнююf_в граничные частоты, полосу рабочих частот Δf, равную:

Δf = f_в – fн.

◆ искажения фазовые, вызываемые различным фазовым сдвигом различных по частоте составляющих спектра сигнала. Фазовые искажения создаются LC элементами, поэтому они носят линейный характер.

Рисунок 2.3 ФЧХ УУ

Зависимость угла сдвига по фазе между входным и выходным сигналами от частоты оценивается по ФЧХ, для резистивного каскада имеющей вид, представленный на рис. 2.3.

В импульсных усилителях форма выходного напряжения зависит от переходных процессов в цепях, содержащих LC элементы. Для оценки линейных искажений, называемых в ИУ переходными, пользуются переходной характеристикой (ПХ).

ПХ усилителя это зависимость мгновенного значения напряжения (тока) на выходе от времени U_вых=f(t) при подаче на вход единичного скачкообразного изменения напряжения (тока) (сигнала типа единичной функции).

Рисунок 2.4. ПХ УУ

◆ переходные искажения измеряют при подаче на вход идеального прямоугольного импульса. Они разделяются на искажения фронта и искажения плоской вершины импульса (рис. 2.4).

◆ искажения фронта характеризуются:

• временем установления t_у, т.е. временем нарастания амплитуды импульса от 0,1U_m до 0,9U_m;

• выбросом фронта импульса δ, определяемым отношением амплитуды выброса ΔU к амплитуде установившегося режима U_m;

• временем запаздывания t_з относительно входного сигнала по уровню 0,1U_m.

◆ Искажения плоской вершины импульса Δ характеризуется величиной спада напряжения ΔU_m за время длительности импульса:

Δ,% = ΔU_m/U_m·100%.

Для n-каскадных некорректированных УУ (каскады включены последовательно) результирующее время установления фронта и спад плоской вершины импульса можно оценить следующим образом:

Δ_Σ = Δ₁ + Δ₂ + … +Δ_n.

АЧХ и ПХ отражают одни и те же физические процессы в различной форме (частотной и временной). Связь частотных и временных искажений иллюстрируется рис. 2.5.

Рисунок 2.5. Связь АЧХ и ПХ

◆ Нелинейные искажения (искажения формы выходного сигнала) вызываются нелинейностью характеристик усилительных элементов. Количественно нелинейные искажения гармонического сигнала оцениваются коэффициентом гармоник K_г, который представляет собой отношение действующего значения напряжения (тока, мощности) высших гармоник, появившихся в результате нелинейных искажений, к напряжению (току, мощности) основной частоты (первой гармоники) при подаче на вход гармонического колебания основной частоты (при частотно-независимой нагрузке):

Для n-каскадных УУ (каскады включены последовательно):

Кроме K_г в усилителях многоканальной связи нелинейность оценивается затуханием соответствующей гармонической составляющей, (например, второй):

a₂ = 20lg(U₁/U₂).

◆ Собственные помехи УУ: фон, наводки и шумы. Остановимся на тепловых внутренних шумах усилителя ввиду принципиальной невозможности их полного устранения.

Любое резистивное сопротивление R (например, внутреннее сопротивление источника сигнала R_г) создает в полосе частот Δf тепловой шум, среднеквадратичная ЭДС которого определяется формулой Найквиста:

Ē²_ш = 4kTRΔf.

Где k — постоянная Больцмана; T — абсолютная температура сопротивления.

Мерой оценки шумовых свойств УУ является коэффициент шума F, равный отношению мощностей сигнала и шума на входе УУ к отношению мощностей сигнала и шума на выходе УУ:

F = (P_с/P_ш)_вх/(P_с/P_Σш)_вых

F,dB = 10lgF

В диапазоне СВЧ находит применение оценка шумовых свойств УУ посредством определения шумовой температуры системы T_с:

T_с = T₀(F – 1),

где T₀ — стандартная шумовая температура, T₀ = 290°K (рекомендация МЭК).

Для многокаскадных УУ (каскады включены последовательно):

F_Σ = F₁ + (F₂–1)/K_p₁ + (F₃–1)/K_p₁K_p₂ + …

T_с_Σ = T_с₁ + (T_с₂–1)/K_p₁ + (T_с₃–1)/K_p₁K_p₂ + …

где K_p₁, K_p₂ и т.д. — номинальные коэффициенты усиления по мощности каскадов усилителя.

◆ Амплитудная характеристика и динамический диапазон УУ.

Амплитудная характеристика усилителя представлена на рис. 2.6.

Рисунок 2.6. АХ УУ

Динамическим диапазоном входного сигнала усилителя D_вх называют отношениеU_вх_.max (при заданном уровне нелинейных искажений) к U_вх_.min (при заданном отношении сигнал/шум на входе):

D_вх = U_вх_.max/U_вх_.min

D_вх,dB = 20lgD_вх

В зависимости от назначения УУ возможна оценка динамического диапазона по выходному сигналу, гармоническим и комбинационным составляющим и др.

Некоторые УУ (УПТ, ОУ и т.д.) могут характеризоваться другими специфическими показателями, которые будут рассмотрены по мере необходимости.

⇐ Предыдущая 3 4 5 6 789 10 11 12 Следующая ⇒