Основы аналоговой схемотехники. Часть III

1. Основы аналоговой СХЕМОТЕХНИКИ Часть III

2. Электронно-дырочный переход

2
Электронно-дырочный переход
Электроны и дырки на границе диффундируют в смежные области.
В результате диффузии между p- и n-областями образуется двойной
электрический слой разноименно заряженных ионов, толщина
которого не превышает долей микрометра. Между слоями ионов
возникает электрическое поле р-n-перехода E, препятствующее
дальнейшему переходу электронов и дырок через границу раздела двух
полупроводников.Запирающий слой имеет повышенное сопротивление
по сравнению с остальными объемами полупроводников.

3. P-N-переход в электрическом поле

3
P-N-переход в электрическом поле
При включении p-n-перехода в «обратном» направлении электроны в
n-полупроводнике и дырки в p-полупроводнике под действием электрического поля будут перемещаться от границы раздела в противоположные стороны, что приводит к утолщению запирающего слоя и увеличению его сопротивления, p-n-переход практически не проводит ток.
При включении p-n-перехода в «прямом» направлении электроны в
n-полупроводнике и дырки в p-полупроводнике будут двигаться
навстречу друг другу к границе раздела полупроводников. Толщина
запирающего слоя и его сопротивление при этом непрерывно
уменьшаются. Электрический ток проходит через р-n-переход.

4. P-N-переход - полупроводниковый диод

4
P-N-переход - полупроводниковый диод
Диод проводит ток в «прямом» направлении и не проводит в «обратном».
Основное свойство диода - односторонняя проводимость - используется
для «выпрямления» переменного тока: создания пульсирующего тока
односторонней направленности. В цифровой технике односторонняя
проводимость используется при создании логических элементов —
логических вентилей.

5. Биполярные транзисторы

5
Биполярные транзисторы
Базовая область делается тонкой, чтобы носители заряда могли достичь
обратносмещенного коллекторного перехода.
Площадь переходов делается большой, чтобы большое количество носителей смогло достичь коллекторного перехода, не рекомбинируя в базе.
Область базы слабо легирована, также, чтобы снизить процент рекомбинации. Основной принцип: малый ток рекомбинации базы является
той «задвижкой», которая управляет большим током коллектора.

6. Принцип работы БПТ

6
Принцип работы БПТ
Ток коллектора связан с током базы соотношением: IК = h21IБ ;
где h21—коэффициент передачи тока базы в схеме с общим эмиттером

7. Типы биполярных транзисторов

7
Типы биполярных транзисторов
Транзистор можно проверить на исправность как два диода,
соединенных по выводу базы.

8. Модель БПТ Эберса-Молла

8
Модель БПТ Эберса-Молла
Модель Эберса-Молла: rЭ, rБ, rК – сопротивления эмиттерной, базовой и
коллекторной областей транзистора и контактов к ним; IК, IБ – источники тока,
управляемые напряжением на входном p-n–переходе uП, отражающие передачу
тока через транзистор; RБЭ, RКБ – сопротивления утечки переходов «базаэмиттер» и «база-коллектор»; СБЭ – барьерная емкость и СДЭ – диффузионная
емкость перехода база-эмиттер; СКБ – барьерная емкость «коллектор-база»;

9. Модель БПТ Гуммеля-Пуна

9
Модель БПТ Гуммеля-Пуна
Обобщенная модель управления зарядом Гуммеля-Пуна.
В основе этой модели лежит передаточная эквивалентная схема,
представленная на рисунке диодами IBE1/BF, IBС1/BR и генератором тока
(IBE1-IBC1)/QB. Эти элементы отражают передачу тока основных носителей в
прямом (от эмиттера к коллектору) и обратном направлении.

10. Коэффициент передачи тока биполярного транзистора

10
Коэффициент передачи тока
биполярного транзистора
Исторически коэффициент усиления транзистора по току
обозначали
греческой буквой «бетта» и называли статический коэффициент усиления
тока базы В=IК/IБ (в активном режиме). Но при разных токах коллектора IК
(и, соответственно, IБ ) значения В обычно несколько различны.
Динамический коэффициент усиления тока базы в схеме с ОЭ: h21= dIК /dIБ
(dIК - приращение тока коллектора, вызванное приращением тока базы dIБ
при фиксированном напряжении «коллектор-эмиттер» ).

11. H-параметры БП транзистора

11
H-параметры БП транзистора
При анализе транзистора на переменном токе и при условии, что он
работает в активном режиме, его часто представляют в виде линейного
четырехполюсника, где i1 — переменная составляющая тока базы;
u1— переменная составляющая напряжения между базой и эмиттером;
i2 — переменная составляющая тока коллектора; u2— переменная
составляющая напряжения между коллектором и эмиттером.
Транзистор удобно описывать, используя так называемые h-параметры.
h11 — входное сопротивление транзистора для переменного сигнала;
h12 — коэффициент обратной связи по напряжению; h21 — коэффициент
передачи тока; h22 — выходная проводимость транзистора.

12. Семейство вольт-амперных характеристик БПТ

12
Семейство вольт-амперных
характеристик БПТ
Входные характеристики: IБ = f(UБЭ) при UКЭ = соnst;
(p-n-переход в прямом смещении)
Выходные характеристики: IК = f(UКЭ) при IБ = соnst;
(p-n-переход в обратном смещении для каждого IБ = соnst).

13. Усилительный каскад с фиксированным током базы

13
Усилительный каскад с
фиксированным током базы
Транзистор КТ315Г: Pmax = 150 мВт; Imax = 100 мА, h21 > 50.
Рабочие значения не должны превышать 0,8 от MAX.

14. Режим по постоянному току

14
Режим по постоянному току
Ограничение выходного сигнала должно быть равномерным. Ограничение сверху
(верхней полуволны сигнала) обусловлено достижением потенциалом коллектора
ЭДС источника питания и наступает при полностью закрытом транзисторе.
Коллекторный ток, а, следовательно, и базовый (Iб=Iк*h21) равны нулю.
Ограничение снизу (нижней полуволны сигнала) наступает при полностью
открытом транзисторе.

15. Расчет каскада ОЭ

15
Расчет каскада ОЭ
Транзистор КТ315Г: Pmax = 150 мВт; Imax = 100 мА, h21 > 50.
Рабочие значения не должны превышать 0,8 от MAX.(EК = 12В)
Мощность максимальна в моменты прохождения переменного сигнала, через
точку статического режима транзистора, следовательно, Pmax= UК* IК; но Pmax=
0.8 Pmax откуда IК = 0.8 Pmax /(EК/2) = 120мВт /6В = 20мА.
Ток покоя IК0 = 20мА; отсюда RК = (EК - UК)/ IК0 = 6 В / 20 мА = 300 Ом.
Ток покоя IК0 = IБ0 * h21 ; отсюда IБ0 = IК0 / h21 = 20 мА / 400 = 0.05 мА.
UБЭ = EК - IБ0 * RБ ; откуда RБ = (EК - UБЭ ) / IБ0 = (12В - 0.7В) / 0.05 мА
RБ = 11.4В/0.05 мА = 228кОм ; … 11.2В/0.05 мА = 224кОм

16. Графический анализ каскада ОЭ

16
Графический анализ каскада ОЭ

17. Последовательное соединение усилительных каскадов

17
Последовательное соединение
усилительных каскадов

18. Типы усилительных каскадов

18
Типы усилительных каскадов
a) Каскад ОЭ: усиливает по току и напряжению (по мощности); инвертирует входной сигнал; низкое входное и высокое выходное сопротивления.
б) Каскад ОК: усиливает по току, НЕ усиливает по напряжению
(усиливает по мощности); НЕ инвертирует входной сигнал; высокое
входное и низкое выходное сопротивления. Повторяет входной сигнал
(0.98 Uвх) - эмиттерный повторитель или трансформатор импедансов.
в) Каскад ОБ: НЕ усиливает по току, но усиливает по напряжению (по
мощности); НЕ инвертирует входной сигнал; очень низкое входное и
высокое выходное сопротивления; компенсируются ёмкости на ВЧ.

19. Соединение усилительных каскадов разного типа (согласование импедансов)

19
Соединение усилительных каскадов
разного типа (согласование импедансов)
Низкоомное выходное сопротивление микрофона М хорошо согласуется с низким входным сопротивлением каскада ОЭ на VT1. Каскад ОК
(VT2) согласовывает высокое выходное сопротивление каскада ОЭ на
VT1 с низким входным сопротивлением каскада ОЭ на VT3.

20. Как измерить входное сопротивление усилительного каскада

20
Как измерить входное сопротивление
усилительного каскада
Входное сопротивление усилительного каскада можно измерить как на
схеме, приведенной выше. Переменный сигнал от генератора E1 через
реостат Rx подают на вход каскада, и контролируют вольтметрами
величины Uвx и Uген. Изменяя величину Rx, добиваются равенства
Uвx = Uген / 2. При этом Rвx = Rx.

21. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

21
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
Измерительный генератор, (генератор сигналов, сигнал-генератор) от
лат. generator — производитель, — электронное устройство, мера для
воспроизведения электрического или электромагнитного сигнала
(синусоидального, импульсного, шумового или специальной формы).

22. Компенсационный стабилизатор напряжения - локальный источник ЭДС

22
Компенсационный стабилизатор
напряжения - локальный источник ЭДС
Пусть в схеме есть пульсирующее напряжение 8 V с постоянной составляющей на уровне 6 V. Компенсационный стабилизатор напряжения на транзисторе
VT1 (Каскад ОК ) с низким выходным сопротивлением и высоким входным
сопротивлением повторяет напряжение на стабилитроне VD1 (-0.6 V)
обеспечивая значительный выходной ток на Rн при стабильном напряжении 5 V.

23. Усилительный каскад с фиксированным напряжением на базе

23
Усилительный каскад с
фиксированным напряжением на базе
В схему включения транзистора вместо одного базового резистора вводим
делитель напряжения из двух сопротивлений R1 и R2. Напряжение
источника питания Ек считаем заданным. В эмиттерную цепь транзистора
введём резистор Rэ, обеспечивающий отрицательную обратную связь по
току и повышающий температурную стабильность каскада.

24. Эквивалентные схемы каскада по входу и по выходу

24
Эквивалентные схемы каскада по
входу и по выходу
а)
б)
а) сопротивление каскада со стороны базы: Rэ*h21. Ток делителя
выбирается в 10 раз больше тока базы (на порядок).
б) резистор Rэ осуществляет температурную стабилизацию, благодаря
ООС. Но цепь транзистора теперь эквивалентна делителю: Rк - Rкэ - Rэ.

25. Расчет усилительного каскада

25
Расчет усилительного каскада
Транзистор КТ3102: Pmax = 250 мВт; Imax = 100 мА, h21 > 400.
Рабочие значения не должны превышать 0,8 от MAX.(EК = 12 В)
Выполним расчет для согласования с нагрузкой RН = 600 Ом: RК = 600 Ом.
Рекомендуется выбирать RК = (3...5) RН, RЭ выбирают = (0,05…0,15) RК ,
Выберем RЭ = 60 Ом, при этом КU = RК / RЭ = 600 Ом / 60 Ом = 10
Ток покоя IК0 = (EК / 2) / (RК + RЭ) = 6 В / 660 Ом = 0,0091А = 9,1 мА;
отсюда UЭ = RЭ * IК0 = 60 Ом * 9,1 мА = 0,546 В. UБ = UЭ + UБЭ (0,65 В)
Ток покоя IК0 = IБ0 * h21 ; отсюда IБ0 = IК0 / h21 = 9,1 мА / 400 = 22,75 uА.
IДЕЛ = 10 * IБ0 = 0.2275 мА; откуда R2 = UБ / IДЕЛ = 1.196 В / 0.2275 мА
R2 = 5.257 кОм. R1 = (EК / IДЕЛ) - R2 = 52.747 - 5.257 = 47.49 кОм

26. Амплитудно-частотная и ампли-тудная характеристики усилителя

26
Амплитудно-частотная и амплитудная характеристики усилителя
Коэффициент усиления уменьшается на нижних частотах вследствие
увеличения реактивного сопротивления разделительных конденсаторов
Хс, включенных последовательно в цепях прохождения сигналов.
Уменьшение коэффициента усиления на верхних частотах объясняется
уменьшением реактивного сопротивления паразитной емкости (Cк и т.п.),
шунтирующей нагрузочное сопротивление на выходе усилителя.

27. Зависимость h21 от влияющих факторов

27
Зависимость h21 от влияющих
факторов
Коэффициент передачи тока базы в схеме с общим эмиттером зависит
существенно от тока эмиттера (коллектора), температуры и частоты.

28. Макетирование усилительного каскада

28 Макетирование усилительного каскада
Макетирование усилительного каскада удобно проводить на
беспаечной макетной плате с цанговыми контактами.

29. Источник тока на основе каскада ОЭ

29
Источник тока на основе каскада ОЭ
Источник тока обеспечивает нагрузку постоянным по величине током,
не зависящим от величины подключенной нагрузки. Согласно выходным
характеристикам БПТ, ток коллектора при фиксированном токе базы
практически не зависит от напряжения. Задать фиксированный ток базы
можно, зафиксировав напряжение база-эмиттер Uбэ. При этом
величина стабильного тока равна Iст = (Uб - Uбэ)/Rэ.

30. Режимы работы усилительных каскадов

30 Режимы работы усилительных каскадов
В зависимости от положения рабочей точки в режиме покоя на
семействе выходных характеристик транзисторов и уровня
входных сигналов различают три базовых режима (или
класса) работы усилителей: А, В и С
(соответственно, рис. а), б), в) ) .

31. Режим А

31
Режим А
В режиме А рабочая точка выбирается посередине рабочего участка
линии нагрузки, а максимальное значение амплитуды переменной
составляющей входного тока базы не приводит к выходу за пределы
линейного участка. В этом случае нелинейные искажения усиливаемого
сигнала минимальны, и при подаче на вход синусоидального сигнала,
форма выходного напряжения будет практически синусоидальной.
Основной недостаток этого класса усиления - очень низкий КПД

32. Режим В

32
Режим В
Для работы усилителя в режиме В рабочую точку устанавливают на
пересечении линии нагрузки и выходной характеристики транзистора
при нулевом токе базы (граница отсечки). В этом режиме переменные
составляющие выходного тока и напряжения возникают лишь в
положительные полупериоды тока базы. При синусоидальном входном
сигнале выходное напряжение имеет форму полусинусоид, т.е.
нелинейные искажения очень большие. Этот режим часто используют в
двухтактных усилителях мощности. КПД усилителя, работающего в
режиме В может достигать 0,8.

33. Режим С

33
Режим С
В режиме С рабочая точка выбирается за точкой отсечки, ток коллектора
в транзисторе возникает только в течение некоторой части положительной
полуволны входного тока базы. В этом режиме усиления возникают очень
большие искажения усиливаемого сигнала, но КПД устройства очень высок и
приближается к единице. Режим С используют в избирательных усилителях и
автогенераторах, которые благодаря наличию колебательных контуров или
других частотно-зависимых звеньев выделяют лишь необходимую гармонику
из несинусоидального напряжения.

34. Составные транзисторы по схемам Дарлингтона и Шиклаи

34
Составные транзисторы по схемам
Дарлингтона и Шиклаи
Дарлингтона
Шиклаи
Составной транзистор — электрическое соединение двух (или
более) биполярных (или полевых) транзисторов с целью улучшения
их электрических характеристик. К этим схемам относят так
называемые пары Дарлингтона и Шиклаи. Коэффициент h21 равен
произведению, а схема Шиклаи позволяет изменить тип транзистора.

35. Двухтактный каскад

35
Двухтактный каскад
При работе транзистора в режиме A невозможно реализовать высокий к.п.д.
усилителя. В качестве альтернативы может подойти режим работы B, но он
приводит к значительным нелинейным искажениям. Однако если реализовать два
усилителя, работающие в режиме B, и заставить их усиливать положительную и
отрицательную полуволны синусоиды отдельно, а затем соединить эти полуволны вместе, то получится усилитель, работающий почти без искажений.
Подобный усилитель получил название двухтактного усилителя. В иностранной
(и переводной) литературе сохраняется старое название этой схемы — push-pull
(тяни-толкай).

36. Режим АВ

36
Режим АВ
При работе комплементарной пары транзисторов без смещения в
выходном сигнале образуются искажения типа «ступенька».
Для работы усилителя в режиме АВ рабочую точку устанавливают чуть
выше граница отсечки (~0.6 B). В этом режиме транзистор приоткрыт и
работает с небольшим начальным смещением. Класс АВ широко используется
при построении транзисторных усилителей мощности. При нем малые сигналы
усиливаются как в классе А, т.е. совместно обоими плечами двухтактного
каскада. Однако большие сигналы усиливаются раздельно для положительной и
отрицательной полуволны, что характерно для работы усилителей в классе В.

37. Двухтактный каскад в режиме АВ

37
Двухтактный каскад в режиме АВ
Для обеспечения режима АB в двухтактном усилителе на базы
транзисторов необходимо подать напряжение 0,6...0,7 В. Это можно
сделать при помощи резистора, зашунтированного по переменному току
конденсатором, однако для устранения влияния температурного ухода
входной характеристики транзистора в качестве источника напряжения 0,7
В применяются кремниевые диоды (тем более, что их сопротивление
переменному току при протекании постоянного тока близко к нулю).

38. Усилитель мощности с двухтактным выходным каскадом по схеме Дарлингтона и Шиклаи

мощности с двухтактным выходным
38 Усилитель
каскадом по схеме Дарлингтона и Шиклаи
Добавим еще один каскад для того, чтобы можно было применить последовательную отрицательную обратную связь. В результате получим схему усилителя
звуковых частот, которая широко применялась в семидесятые годы XX века.
В данной схеме при напряжении питания 12 В можно получить на нагрузке 4 Ом
мощность до 3 Вт. Обращает внимание, что в этой схеме усилителя мощности
смещение на двухтактный каскад формируется на транзисторе VT3. Это
позволяет избежать применения четырех диодов и позволяет обеспечить плавную
регулировку напряжения смещения двухтактного усилителя.

39. Усилитель с расщепленным питанием

39 Усилитель с расщепленным питанием
Разделительные ёмкости не пропускают постоянное напряжение и
медленно меняющиеся сигналы сверхнизкой частоты. Таким образом,
усилительный каскад не может быть усилителем постоянного тока. В то
же время необходимость в подобных усилителях существует. Избавиться
от разделительных емкостей позволяет схема с расщепленным («двуполярным») питанием. В самом деле, настраивая каскад ОЭ на VT1 выставляем
на коллекторе половину напряжения питания. Если применить два источника
ЭДС +Ек/2 и -Ек/2, то потенциал точки их соединения будет такой же,
как на коллекторе VT1. А значит нагрузку можно соединить с выходом
каскада без разделительной емкости. Если соединить эту точку с общим
проводом, то из неё можно задать ток базы и подключить источник сигнала.

40. Дифференциальный усилитель

40
Дифференциальный усилитель
Мост Уитстона сбалансирован (U = 0), если R1 / R2 = R3 / R4 .
Если R2 и R4 заменить идентичными транзисторами (R, управляемое IБ),
получим симметричный дифференциальный (разностный) усилительный каскад на VT1 и VT2. Если VT2 включить по схеме эмиттерного
повторителя, получим НЕсимметричный дифференциальный каскад.
Дифференциальный каскад позволяет усиливать противофазный
(разностный) сигнал
и подавлять синфазный. Применение
дифферен-циальных
усилительных
каскадов
является
наиболее перспективным спосо-бом уменьшения дрейфа нуля
УПТ.
Изменение
температуры
воздействует
на
токи
транзисторов также одинаково (синфазно). В идеальной

41. THE END!

42. Задание №1