Полупроводниковые усилители. Лекция 5

1.

Лекция 5. Полупроводниковые усилители.
План лекции.
8.1 Определение и классификация усилителей.
8.2 Усилители с обратной связью.
8.3 Виды обратных связей.
8.4 Действие обратных связей на параметры усилителя.
76

2.

8.1 Определение и классификация усилителей.
Усилителем называют устройство, предназначенное для
увеличения параметров электрического сигнала – напряжения, тока,
мощности. Усилитель имеет входную цепь, к которой подключается
усиливаемый сигнал, и выходную цепь, с которой выходной сигнал
снимается и подается в нагрузку (рисунок 8.1).
коэффициент усиления по напряжению
коэффициент усиления по току
коэффициент усиления по мощности
Iвх
Uвх
Iвых
Uвых
Рисунок 8.1 – Представление усилителя как четырехполюсника
77

3.

8.1 Классификация усилителей.
У С И Л И Т Е Л И
УСИЛИТЕЛИ С
НЕЛИНЕЙНЫМ
РЕЖИМОМ РАБОТЫ
УСИЛИТЕЛИ С ЛИНЕЙНЫМ
РЕЖИМОМ РАБОТЫ
УПТ
УЗЧ
Кu
УВЧ
Кu
fв
f
ШПУ
Кu
fн
fв f
УПУ
Кu
fн
fв f
Кu
fн
fв f
fо
f
Рисунок 8.2 – Классификация усилителей
78

4.

8.2 Усилители с обратной связью.
Введение обратной связи (ОС) призвано улучшить показатели
усилителя или придать ему некоторые специфические свойства.
Обратная связь осуществляется подачей на вход усилителя сигнала с
его выхода. Иллюстрацией усилителя с обратной связью служит
структурная схема, приведенная на рисунке 8.3.
Звено обратной связи характеризуется коэффициентом передачи k
(каппа), показывающим связь параметра (напряжения, тока) выходного
сигнала этого звена с параметром (напряжением, током) выходной цепи
усилителя.
Коэффициент усиления усилителя К и коэффициент передачи цепи
ОС k указаны в виде комплексных значений.
Рисунок 8.3 – Структурная схема усилителя с обратной связью
79

5.

8.3 Виды обратных связей.
При подаче напряжения обратной связи с выхода
четырехполюсника k последовательно с напряжением источника
входного сигнала обратную связь называют последовательной.
Рисунок 8.4 - Последовательная ОС по напряжению
80

6.

8.3 Виды обратных связей.
Воздействие обратной связи может привести либо к
увеличению, либо к уменьшению результирующего сигнала на
входе усилителя. В первом случае обратную связь называют
положительной, во втором – отрицательной.
Рисунок 8.5 - Последовательная ОС по току
81

7.

8.3 Виды обратных связей.
Если напряжение обратной связи подается на вход
усилителя параллельно напряжению источника входного
сигнала, обратная связь является параллельной.
Рисунок 8.6 - Параллельная ОС по напряжению
82

8.

8.4 Действие обратных связей на параметры
усилителя.
Наличие отрицательной обратной связи по напряжению приводит к
повышению стабильности выходного напряжения усилителя при неизменном
напряжении. Положительная обратная связь в усилителях обычно
нежелательна, однако она может возникать непроизвольно через внутренние
или внешние электрические связи и называется паразитной.
Определим коэффициент усиления усилителя при наличии ОС
Kuос = Uвых/Uвх
С этой целью выразим напряжение усилителя Uу через напряжение
Uвх и напряжение обратной связи Uос
Uу = Uвх + Uос
83

9.

8.4 Действие обратных связей на параметры усилителя.
Разделив левую и правую части этого выражения на выходное
напряжение усилителя Uвых, получаем
или
где k = Uос/Uвых – коэффициент передачи цепи обратной связи.
Из последнего выражения находим соотношение для расчета
коэффициента усиления усилителя, охваченного обратной связью:
84

10.

8.4 Действие обратных связей на параметры усилителя.
при
1> K uос >0
коэффициент усиления усилителя, охваченного обратной связью
получается больше коэффициента усиления самого усилителя Кu
Это соответствует положительной ОС, когда напряжение Uос подается
на вход усилителя в фазе с входным напряжением Uвх, вследствие
Uу = Uвх+ Uос.
выходное напряжение усилителя с положительной обратной связью
Uвых=Кu(Uвх+Uос) > КuUвх,
а следовательно, Кuос > Ku.
Случай, когда
при положительной обратной связи характеризует условия
самовозбуждения усилителя, когда на выходе усилителя появляется
сигнал, состоящий из спектра частот независимо от сигнала на входе.
85

11.

8.4 Действие обратных связей на параметры усилителя.
При Kuk < 0, имеем выражение
Это соответствует отрицательной обратной связи, когда напряжение
Uос подается в противофазе с напряжением Uвх, в следствии чего
Uу=Uвх - Uос.
Таким образом, коэффициент усиления усилителя с
отрицательной обратной связью Kuос оказывается меньше, чем
коэффициент Ku в усилителе без обратной связи.
Математический анализ показывает, что относительное
изменение коэффициента усиления усилителя с отрицательной ОС в
1+ KUk
раз меньше, чем относительное изменение
коэффициента усиления усилителя без обратной связи.
86

12.

Влияние отрицательной обратной связи на
характеристики усилителя.
Повышение стабильности коэффициента усиления усилителя с
помощью ООС широко используется для улучшения амплитудно-частотной
характеристики (АЧХ) (рис. 8.7) многокаскадных усилителей с
конденсаторной связью.
Рисунок 8.6 - Влияние отрицательной обратной связи на АЧХ усилителя
87

13.

Влияние отрицательной обратной связи на
характеристики усилителя.
Рассмотрим влияние отрицательной обратной связи на
входное сопротивление усилителя
В случае последовательной отрицательной обратной связи
Напряжение
связано с напряжением
В связи с этим находим
Выходное сопротивление усилителя для рассматриваемого
вида обратной связи
RВЫХОС = RВЫХ/(1 + KUk)
88

14.

Влияние отрицательной обратной связи на
характеристики усилителя.
Общие закономерности влияния отрицательной обратной связи на
показатели усилителя следующие:
1) Независимо от вида отрицательная обратная связь приводит к
уменьшению входного сигнала непосредственно на входе усилителя, к
уменьшению коэффициента усиления КUОС.
2) Все виды отрицательной обратной связи стабилизируют
коэффициент усиления усилителя.
3) Последовательная отрицательная обратная связь уменьшает
результирующее напряжение UУ на входе усилителя, что сопровождается
увеличением входного сопротивления. При этом последовательная
обратная связь по напряжению «стабилизирует» выходное напряжение
усилителя, уменьшая выходное сопротивление RВЫХОС, а
последовательная обратная связь по току «стабилизирует» выходной ток
усилителя, увеличивая выходное сопротивление RВЫХОС.
4) Параллельная отрицательная обратная связь приводит к
увеличению входного тока IВХ, в связи с чем уменьшается входное
сопротивление усилителя, а также выходное сопротивлениеRВЫХОС.
89

15.

Усилительные каскады на биполярных
транзисторах.
План лекции.
9.1 Принцип построения усилительных каскадов.
9.2 Принцип работы усилительного каскада ОЭ.
9.3 Входные и выходные характеристики каскада ОЭ.
9.4 Работа каскада ОЭ в режиме усиления.
9.5 Показатели каскада.
9.6 Усилительный каскад с ОК и ОБ.
90

16.

9.1 Принцип построения усилительных каскадов.
Основными элементами каскада являются управляемый элемент УЭ,
функцию которого выполняет биполярный или полевой транзистор и
резистор R. Совместно с напряжением питания Е эти элементы образуют
выходную цепь каскада.
-Е
i
i
Im
i
R
УЭ
Iп
0
t
Uвых
0
t
Uвых
Uп
Uвх
Um
uвых
Рисунок 9.1 – Принцип построения и временные диаграммы
усилительного каскада
91

17.

9.2 Принцип работы усилительного каскада ОЭ.
-Ек
Iкп
R1
Iд
Rк
Iбп
Ср2
Т
iвх
Ср1
Uкэп
Rн
Uбэп
Rг
uвх
Ег
Uбп
iн
R2
Iэп
Rэ
uвых
Сэ
Uэп
+
Рисунок 9.2 – Схема усилительного каскада ОЭ
92

18.

9.2 Принцип работы усилительного каскада ОЭ.
Основными элементами
каскада являются: источник
питания EК, биполярный
транзистор T и резистор
коллекторной цепи RК.
Эти элементы образуют
главную усилительную цепь, в
которой за счет протекания
коллекторного тока Iк,
управляемого током базы Iб
создается усиленное переменное
напряжение на выходе схемы
Uкэ=Eк-IкRк.
93

19.

9.2 Принцип работы усилительного каскада ОЭ.
-Ек
R1
Rк
Ср2
Ср1
Rн
R2
Rэ
Сэ
Далее, это напряжение через
разделительный конденсатор Cр2
передается на нагрузочное
сопротивление Rн. Резисторы R1, R2, Rэ
играют вспомогательную роль обеспечивают необходимый режим
транзистора по постоянному току.
Резисторы R1, R2 используются для
задания режима покоя каскада.
Поскольку биполярный транзистор
управляется током, ток покоя
управляемого элемента (в данном случае
ток IКП) создается заданием
соответствующей величины тока базы
покоя IБП. Резистор R1 предназначен для
создания цепи протекания тока IБП.
Совместно с R2 резистор R1 обеспечивает
исходное напряжение на базе UБП
относительно зажима «+» источника
питания.
94

20.

9.2 Принцип работы усилительного каскада ОЭ.
-Ек
Rк
R1
Ср2
Т
iвх
Ср1
Rн
Rг
Ег
uвх
uвых
R2
Rэ
Сэ
+
Конденсаторы СР1, СР2 являются разделительными. Конденсатор СР1 исключает
шунтирование входной цепи каскада цепью источника входного сигнала по
постоянному току, что позволяет, во-первых, исключить протекание постоянного тока
через источник входного сигнала по цепи EК – R1 - Rг и, во-вторых, обеспечить
независимость от внутреннего сопротивления этого источника RГ напряжения на базе
UБП в режиме покоя. Функция конденсатора СР2 сводится к пропусканию в цепь нагрузки
переменной составляющей напряжения и задержанию постоянной составляющей.
95

21.

9.3 Входные и выходные характеристики каскада ОЭ.
Поскольку биполярный транзистор управляется током, ввиду малости входного
сопротивления транзистора, включенного по схеме с ОЭ, ток покоя в коллекторной
цепи Iкп задается соответствующей величиной тока базы покоя Iбп, протекающего от
источника питания Eк через резистор R1. Совместно с R2 резистор R1 образует
делитель напряжения питания Eк, часть которого, выделяемая на резисторе R2, равна
значению Uбп .
Рисунок 9.3 - Входные и выходные характеристики
96

22.

9.3 Входные и выходные характеристики каскада ОЭ.
Выбор значения Uбп определяется требованием минимальных
искажений формы входного сигнала, вносимых транзистором в режиме
усиления. Это требование выполняется, если точка покоя П (рис. 9.3)
находится в середине линейного участка входных и выходных
характеристик транзистора.
Чтобы положение точки покоя оставалось практически неизменным
при старении транзистора или воздействии внешних возмущающих
факторов, ток I делителя R1-R2 должен быть в 2...5 раз больше
необходимого тока покоя базы IБП.
Резистор RЭ является элементом отрицательной обратной связи,
предназначенным для стабилизации режима покоя каскада при
изменениях температуры. Конденсатор СЭ шунтирует резистор Rэ по
переменному току, исключая тем самым проявление отрицательной
обратной связи в каскаде по переменным составляющим.
Отсутствие СЭ приведет к уменьшению коэффициента усиления каскада
.
97

23.

9.4 Работа каскада ОЭ в режиме усиления.
Рассмотрим работу каскада в режиме усиления, когда на вход каскада подается
изменяющееся входное напряжение, например, по синусоидальному закону:
При этом начинают изменяться напряжение Uбэ и ток Iб в некоторых пределах,
определяемых амплитудой Uвхm и видом входной характеристики транзистора.
Причем эти изменения будут происходить относительно точки покоя П. В соответствии
с выходными характеристиками транзистора будет изменяться и ток коллектора Iк,
мгновенные значения которого определяются напряжениями. Для дальнейшего
анализа режима работы каскада необходимо использовать графоаналитический метод
расчета нелинейных электрических цепей, так как транзистор в общем случае является
нелинейным элементом. Составляем уравнение по 2-му закону Кирхгофа для режима
покоя, т.е. для постоянных составляющих токов и напряжений:
Величина незначительна, поэтому ею для упрощения анализа можно пренебречь,
и тогда получаем уравнение
98

24.

Линия, построенная по этому уравнению в координатах IK и Uкэ, называется линией
нагрузки каскада по постоянному току. Точка пересечения этой линии с
характеристикой, соответствующей Iбп, т.е. точка П, определяет режим работы каcкада
по постоянному току.
В режиме усиления, когда Uвх=Uвхsinωt,
рабочая точка перемещается вдоль линии
нагрузки относительно точки П, определяя
тем самым переменные составляющие тока
коллектора iк и напряжения UКЭ. Вследствие
наличия разделительного конденсатора С2
на выходных зажимах каскада выделяется
только переменная составляющая
напряжения UКЭ, которая и является
выходным напряжением каскада.
Графический анализ показывает, что выходное напряжение Uвых и
входное Uвх находятся в противофазе, т.е. одиночный усилительный каскад
на транзисторе, включенный по схеме с ОЭ, сдвигает фазу выходного
напряжения по отношению к входному на 180°. Это одно из основных свойств
такого каскада.
99

25.

9.5 Показатели каскада ОЭ.
100

26.

9.6 Усилительный каскад ОК
(эмиттерный повторитель).
Схему называют каскадом ОК, потому что коллекторный вывод
транзистора по переменному току является общим электродом для
входной и выходной цепей каскада.
R1
-Ек
Iкп
Iбп
iвх
Ср1
Т
Ср2
Rг
Uбэ
uвх
Ег
R2
Iэп
iн
Rэ
uвых
Rн
+
Рисунок 9.4 - Схема усилительного каскада ОК
101

27.

9.6 Усилительный каскад ОК.
Эмиттерным повторителем схему называют вследствие того, что
ее выходное напряжение, снимаемое с эмиттера транзистора, близко
по величине к входному напряжению и совпадает с ним по фазе
Uн = Uвх + Uбэ ≈ Uвх
Высокое входное сопротивление является одним из важнейших
преимуществ каскада ОК:
Rвх = R1 || R2 || [( 1 + β ) ( Rэ || Rн )] || rк (э)
Высокое входное сопротивление требуется в случае применения
каскада в качестве согласующего звена при работе от источника
входного сигнала, обладающего высоким внутренним сопротивлением.
.
Коэффициент усиления по току определяется выражением.
KI ≈ ( 1 + β )
Кu ≈ ( 1 + β )
Выходное сопротивление каскада мало (10–50 Ом). Это свойство
используют, при решении задачи согласования выходной цепи усилителя с
низкоомным сопротивлением нагрузки. При этом каскад ОК применяют в
качестве выходного каскада усилителя.
102

28.

Схема усилительного каскада ОБ
Rк
Rэ
Ср1
iвх
Ср2
Iэп
Т
Rг
uвх
Iкп
-Ек
uвых
Rн
Ег
Iбп
Рисунок 9.5 – Схема каскада ОБ
103