Академія Росії
Кафедра Фізики
Реферат на тему:
МЕТОДИ АНАЛІЗУ ТРАНЗИСТОРНИХ ПІДСИЛЮЮЧИХ КАСКАДІВ
Орел 2009
Зміст
Вступ
1. Постановка завдання
2. Аналіз статичного режиму роботи
3. Аналіз динамічного режиму роботи
Бібліографічний список
Вступ
Посилення електричних сигналів є фундаментальним і виключно важливою властивістю апаратурних засобів обробки сигналів, яке дуже широко використовується для вдосконалення технічних показників самих різних радіотехнічних пристроїв. Підсилювачі знаходять саме широке застосування і як самостійні пристрої, і як складові частини більш складних пристроїв. Крім апаратури зв'язку їх використовують у побутовій електроніці, звуковому кіно, радіолокації, медицині, техніці вимірів, автоматики і т.д. На основі підсилювальних каскадів будується більшість аналогових електронних пристроїв за допомогою додавання тих чи інших зворотних зв'язків. Особливе значення підсилювальні пристрої мають у радіоприймальних трактах, оскільки на входи радіоприймачів надходять сигнали дуже малої потужності, а кінцеві пристрої вимагають потужності, на кілька порядків більшою.
1. Постановка завдання
Ефект збільшення потужності корисного сигналу при порівняно точному збереженні його форми (і спектрального складу відповідно) називають посиленням, а пристрій, що реалізує цей ефект, підсилювальним. Принцип електронного підсилення полягає в тому, що за допомогою активного електронного приладу (підсилювального елемента УЕ) енергія постійного джерела сигналу перетвориться в енергію корисного електричного коливання за законом зміни вхідного сигналу. Для управління процесом перетворення енергії на вхід підсилювального елемента подають малу потужність Р ВХ. Таким чином, при посиленні джерело сигналу малої потужності Р ВХ управляє роботою підсилювального елемента з перетворення великої потужності джерела живлення Р 0 в потужність вихідного коливання Р ВИХІД, що виділяється в навантаженні підсилювального пристрою. Безумовно, Р ВИХІД <Р 0, але в кінцевих каскадах підсилювачів ці потужності близькі за величиною, і ставлення Р ВИХІД / Р 0 визначає коефіцієнт корисної дії підсилювача h.
Оскільки в даній лекції мова піде про різні методи аналізу підсилювальних каскадів, необхідно розібратися з основними поняттями. Аналіз (від грец. Analysis - розкладання, розчленування) - метод наукового дослідження, що складається в уявному розкладанні складного об'єкта на більш прості складові частини з метою оцінки ефективності і якості функціонування цього об'єкта.
У даному випадку мова йде про оцінку якості роботи типових підсилювальних каскадів з транзистором у ролі активного електронного приладу (підсилювального елементу) і гармонійним сигналом на виході. Оскільки основне призначення підсилювача - це отримання на виході сигналу більшої потужності, ніж на вході, то оцінка якості підсилювального каскаду буде полягати у вирішенні наступних завдань:
1. По-перше, це традиційна завдання аналізу електричних ланцюгів - визначити реакцію ланцюга на заданий вплив. Оскільки як дії використовується моногармонічного сигнал
(6.52)
то у випадку ідеальної роботи підсилювального каскаду на виході також повинен бути моногармонічного сигнал
(6.53)
де k - коефіцієнт пропорційності, що визначає ступінь посилення (найчастіше k> 1).
У реальних схемах підсилювальних каскадів вихідний сигнал, як правило, відрізняється за формою від вхідного. Відбувається це через нелінійності характеристик підсилювального елементу (УЕ), а проявляється в залежності підсилювальних властивостей транзистора від амплітуди впливу.
Таким чином, форма вихідного сигналу буде відрізнятися від гармонійної і спектр його збагатиться відповідно новими спектральними складовими, яких не було у вхідному сигналі. Такі викривлення, як нам вже відомо, носять назву нелінійних і оцінюються за допомогою коефіцієнта гармонік К Г. Крім нелінійних підсилювальний каскад вносить так звані лінійні (тобто не пов'язані із спотворенням форми і збагаченням спектра) або частотні спотворення. Суть їх полягає в тому, що через наявність реактивностей у схемі підсилювального каскаду (в основному, це ємності розділових і блокувальних конденсаторів, а також різні паразитні ємності й індуктивності) коефіцієнт пропорційності k у виразі (6.53) є частотно-залежним, т. е. має комплексний характер. У результаті амплітуда і початкова фаза вихідного сигналу не є постійними величинами, як у вхідному сигналі, а змінюються в залежності від частоти впливу.
2. Таким чином, друге завдання аналізу - оцінити величину спотворень (лінійних і нелінійних), які підсилювальний каскад вносить до підсилюваний сигнал.
Для того щоб вирішити ці два завдання, треба обчислити основні параметри та характеристики підсилювального каскаду, що дозволяють оцінити в кількісній формі ступінь посилення і спотворень гармонійного вхідного сигналу. Крім того, необхідно припинити ті параметри та характеристики підсилювального каскаду, які визначають вплив даного підсилювача на попередні й наступні каскади, а також дають можливість оцінити ступінь залежності даного підсилювального пристрою від аналогічних впливів (це в основному вхідний і вихідний опору підсилювача).
3. Таким чином, третє завдання аналізу - визначити основні характеристики (передаточну, імпульсну, перехідну, амплітудну) і параметри (вхідний і вихідний опору, коефіцієнт підсилення, коефіцієнти лінійних і нелінійних спотворень) підсилювального каскаду.
Розглянуті завдання аналізу відносяться до так званого динамічному режиму роботи підсилювального каскаду (ДРРУ), тобто режиму, коли на вхід подається гармонійний сигнал, що вимагає посилення. Таких режимів може бути кілька, залежно від того, яку частку періоду підсилюється коливання струм протікає через підсилювальний елемент: режими А, В, С, Д, АВ і ін Робота підсилювального каскаду може бути:
без відсічення вихідного струму УЕ (режим А);
з відсічкою q = 90 ° (режим В);
q <90 ° (режим С);
q> 90 ° (режим АВ);
ключовою режим (Д) і т.д.
Щоб забезпечити роботу підсилювального каскаду в тому чи іншому динамічному режимі, треба правильно вибрати положення вихідної робочої точки (РТ) на статичних вольт-амперних характеристиках УЕ, необхідно забезпечити стабільність цієї РТ, малу залежність положення РТ від властивостей конкретного УЕ та умов його роботи.
Таким чином, перш ніж приступати до аналізу динамічного режиму роботи підсилювача, необхідно оцінити якість статичного режиму, тобто режиму роботи при відсутності вхідного сигналу, коли всі струми в схемі підсилювального каскаду визначаються дією постійних джерел напруги. У процесі аналізу статичного режиму необхідно визначити положення вихідної РТ, оцінити стабільність цього положення при різних збурюючих чинниках, обчислити значення постійних струмів і напруг у схемі.
В основі аналізу статичного і динамічного режимів роботи транзисторного підсилювального каскаду лежать методи послідовного спрощення схеми підсилювача схемами заміщення і використання теорії активних лінійних чотириполюсників. Транзистор як підсилювальний елемент може розглядатися як залежний джерело сигнальної напруги або струму (керований генератор сигнальної напруги або струму) або як нелінійне опір постійному струму, амплітуда якого змінюється за законом вхідного гармонійного коливання.
Найбільш поширеною схемою підсилювального каскаду, що збільшує напругу вхідного сигналу, є підсилювач, виконаний за схемою з загальним емітером, типова схема якого показана на малюнку 6.10.
Ріс.6.10. Підсилювач із загальним емітером
Характеристика схеми: транзисторний резистивний підсилювач напруги з загальним емітером, автоматичним напругою зміщення, послідовним колекторним харчуванням і резистивної-ємнісний зв'язком з подальшим каскадом.
Призначення елементів:
транзистор VT n - p - n типу - підсилювальний елемент. Перетворює енергію джерела постійної напруги Е К в енергію коливань в навантаженні за законом зміни вхідного гармонійного коливання;
резистор R К - опір навантаження підсилювального елемента. На ньому виділяється посилена напруга сигналу;
З Р - розділовий конденсатор (десяті частки мкФ). Забезпечує розділення кіл даного і подальшого каскадів по постійному струму;
R Ф, З Ф - фільтр низької частоти (сотні му, десятки мікрофарад). Усуває протікання змінної складової через джерело постійної напруги Е К, виключаючи непотрібні втрати на його внутрішньому опорі, а також мінімізує паразитне зв'язок між різними каскадами через спільне джерело Е К на частоті підсилюється сигналу;
R Б1, R Б2 - базовий дільник (від одиниць до десятків килоом), забезпечує фіксована напруга зсуву бази;
R Е, З Е - ланцюг автоматичного базового зсуву (сотні му, десятки мікрофарад). Спільно з базовим дільником резистор R Е реалізує схему емітерний-базової стабілізації струму колектора;
Е К - джерело живлення. Забезпечує необхідні постійні напруги на переходах транзистора для забезпечення активного режиму його роботи;
R H, C H - еквівалентна навантаження.
2. Аналіз статичного режиму роботи
Статичний режим роботи характеризується відсутністю на вході підсилювача гармонійного сигналу ( ). Через транзистор і інші елементи схеми протікають постійні струми, обумовлені дією Е К. Якщо врахувати ту обставину, що опір конденсатора для постійного струму нескінченно велика, то все ємності в схемі на малюнку 6.10 можна замінити розривом ланцюга. Тоді еквівалентна схема підсилювального каскаду для статичного режиму набуде вигляду, як на малюнку 6.11.
Ріс.6.11. Еквівалентна схема підсилювача в статичному режимі
Обраний режим роботи забезпечують включені в схему резистори, для правильного вибору яких необхідно знати ланцюга протікання постійного струму в схемі.
Ланцюг струму бази: + Є До ® R Ф ® R Б1 ® база-емітер ® - Є До ® + Е К.
Ланцюг дільника: + Є До ® R Ф ® R Б1 ® R Б2 ® - Є До ® + Е К.
Ланцюг струму колектора: + Є До ® R Ф ® R До ® колектор-база-емітер ® R Е ® ® - Є До ® + Е К.
У цій схемі базовий висновок транзистора харчується від низкоомной ланцюга R Б1, R Б2 (базовий дільник), яка задає постійна напруга на базі В. Для стабілізації режиму роботи струм дільника I Д необхідно вибирати в 3 - 10 разів більше струму бази:
(6.54)
Оскільки величина R Ф вибирається таким чином, щоб U Rф £ 0,1 Е К, нерівність (6.54) можна переписати у вигляді
(6.55)
Для стабілізації режиму роботи необхідно також вибирати опір в колекторному ланцюзі транзистора за умовою
. (6.56)
Для кремнієвих транзисторів малої та середньої потужності, якщо постійний струм колектора коливається в межах = (0,5 - 50) мА, напруга U БЕ »0,6 В.
При цьому постійний струм емітера необхідно вибирати більше амплітуди змінного струму в навантаженні I m Н:
(6.57)
Виконавши ці умови, нестабільність напруги D U БЕ або струму D I Б буде практично не впливати на основні характеристики підсилювального каскаду, а коефіцієнт посилення постійної напруги K U П не перевищить
. (6.58)
При фіксованих значеннях Є До потенціал бази практично не залежить від струму бази I Б, тобто від властивостей конкретного транзистора.
Тому схема такого підсилювального каскаду носить назву схеми з фіксованим базовим зміщенням.
Тепер розглянемо як працює ланцюг емітерний-базової стабілізації струму колектора, яку ще називають температурної стабілізацією режиму. Цей ланцюг складається з R Б1, R Б2, R Е.
Припустимо, що температура збільшилася. Це призведе до збільшення струму колектора, тоді
I К Þ I Е Þ (U R е = R Е I Е) Þ (U БЕ = U R б2 - U R е.) ¯ Þ I Б ¯ Þ I До ¯ Þ Þ I К »const.
Так як опору базового подільника R Б1, R Б2 від температури не залежать, то струм дільника I Д = const, отже, U R б2 = const.
Для кількісної оцінки стабілізації застосовують коефіцієнт нестабільності, який наближено можна обчислити за формулою:
, (6.59)
де .
Зазвичай До Н = (1,5 - 6). Для даної схеми він може скласти До Н = (3 - 6).
Вищенаведені формули і міркування відповідають лінійному (активному) режиму роботи транзистора, тому при їх практичному застосуванні слід переконатися в тому, що транзистор не знаходиться в стані насичення.
3. Аналіз динамічного режиму роботи
При розгляді динамічного режиму вважаємо, що статичний режим забезпечений, на вхід підсилювального каскаду (Ріс.6.10) подано гармонійне напругу з частотою w:
Вважається, що режим роботи транзистора - малосигнальний (фактично лінійний), тобто сигнальні значення вихідних струмів D I ВИХІД і напруг D U ВИХІД малі в порівнянні з їх значеннями I ВИХІД і U ВИХІД у вихідній РТ.
При малосигнальний режимі роботи транзистора взаємозв'язку і взаємозалежності між його струмами і напругами визначаються постійними коефіцієнтами, що не залежать від рівня сигналів (малосигнальний параметрами). Основне застосування знаходить система h-параметрів:
(6.60)
де I ВХ, I ВИХІД, U ВХ, U ВИХІД - комплексні амплітуди сигнальних струмів і напруг.
h 11 має сенс вхідного опору база-емітер (при короткому замиканні вхідного ланцюга), для сучасних транзисторів складає близько 1 кОм; h 12 - коефіцієнт зворотного зв'язку по напрузі (при розімкнутому вхідного ланцюга), характеризує внутрішній зв'язок між вихідний і вхідний ланцюгами транзистора, є безрозмірною величиною, дуже малий за величиною (порядку 10 -3); h 21 - коефіцієнт передачі струму бази (при короткому замиканні вхідного ланцюга, характеризує підсилювальну здатність підсилювального елемента, збігається з коефіцієнтом b транзистора, який входить в паспортні дані транзистора і позначається h 21Е), також величина безрозмірна; h 22 - вихідна провідність транзистора (при розімкнутому вхідного ланцюга), залежить від кута нахилу вихідної характеристики транзистора. Величина, зворотна h 22, називається вихідним опором транзистора: r ВИХІД = 1 / h 22, типове значення якого становить близько 10 кому.
Істотною відмінністю підсилювальних приладів від пасивних елементів і ланцюгів є їх властивість односпрямованість передачі сигналів, що може бути охарактеризоване нерівністю | h 21 |>> | h 12 |.
Вхідний гармонійне напруга (Ріс.6.10) через C Е прикладається до ділянки база-емітер транзистора і викликає зміни струму бази, який у свою чергу викликає зміни колекторного струму. Таким чином у складі колекторного струму з'являється змінна складова з частотою вхідного гармонійного впливу і амплітудою . Джерелом цієї складової є транзистор. Враховуючи, що опір ємностей З Е, З Ф, З Р для змінної напруги з частотою w мізерно малі, можна представити схему заміщення підсилювального каскаду по змінному струму (Ріс.6.12).
Ріс.6.12. Схема заміщення підсилювача по змінному струмі
У цій схемі з метою спрощення не показані опору базового подільника, фільтра і в ланцюзі емітера.
Ланцюг проходження змінної складової струму колектора:
.
Так як опорами ємностей З Е, З Ф, З Р можна знехтувати, то резистори R К і R Н виявляються включеними по перемінної складової паралельно і на них створюється падіння напруги
. (6.61)
У свою чергу
.
Тепер формулу 6.61 можна переписати в наступному вигляді:
.
Вихідна напруга виявляється в
(6.62)
разів більше вхідного. У цьому і полягає ефект підсилення. Також необхідно підкреслити, що вихідна напруга виявляється зрушено по фазі щодо вхідної напруги на 180 °, на що вказує знак "мінус" у формулах.
Аналіз властивостей різних схемних побудов здійснюють на основі співвідношень і положень теорії чотириполюсника та еквівалентних схем каскадів (Ріс.6.13).
Ріс.6.13. Еквівалентна схема каскаду
При цьому УЕ розглядають у вигляді чотириполюсника, до вихідних клем якого 2-2 `підключена навантаження R Н, а до вхідних 1-1` - джерело сигналу з ЕРС Е С і опором Z С, а для аналізу використовують відомі методи розрахунку електричних ланцюгів.
Принципи наведених розрахунків можуть бути поширені і на випадки, коли умови малосигнальний не виконуються (якщо відхилення D I ВИХІД, D U ВИХІД перевищують 20 - 30% від I ВИХІД, U ВИХІД у вихідній РТ). Необхідно використовувати усереднені значення h - параметрів, під якими розуміють півсуми їх значень, що відповідають крайнім відхилень вихідних струмів і напруг, які спостерігаються в процесі посилення сигналів.
Вищенаведені міркування справедливі для випадку, коли опорами розділових і блокувальних конденсаторів можна знехтувати в силу їх малих значень (в еквівалентних схемах заміщення ці конденсатори замінюються короткими замиканнями). На низьких частотах виконати умови пренебрежимо малого значення ємнісного опору не вдається, в результаті чого в усилительном каскаді виникають низькочастотні спотворення. Для зниження цих спотворень потрібне збільшення ємностей конденсаторів З Р, С Б, що не завжди здійснимо з конструктивних або економічних міркувань. Тому номінали З Р, С Б вибирають виходячи з гранично допустимих частотних спотворень.
Еквівалентна схема сигнальної ланцюга, що містить розділовий конденсатор, наведена на малюнку 6.14, при цьому малюнок 6.14, а відповідає випадку, коли сигнальні зміни представлені за допомогою генератора струму, а малюнок 6.14, б - за допомогою генератора ЕРС.
а б
Ріс.6.14. Еквівалентні схеми сигнальної ланцюга з конденсатором С Р
Обидва подання взаємно еквівалентні. Розглянемо передавальні властивості цього ланцюга на ділянці 1 - 2.
На середніх частотах, коли опір З Р дуже малий, коефіцієнт передачі частотно незалежний і дорівнює
(6.63)
У міру зниження частоти опір конденсатора зростає, і загальне вихідна напруга ланцюга падає. Коефіцієнт передачі розділової ланцюги для низьких частот буде дорівнює
(6.64)
де - Постійна часу розділової ланцюга.
Аналіз виразу (6.64) показує, що вплив розділової ланцюга на низьких частотах позначається зменшенням модуля коефіцієнта передачі (графік на Ріс.6.15) та появою додаткового фазового зсуву (Ріс.6.16).
Ріс.6.15. Графік | K | Ріс.6.16. Графік q (w)
Якщо задаватися деякої нижньою межею частотного діапазону w Н, можна визначити коефіцієнт частотних спотворень М Н для заданої схеми:
(6.65)
або визначити мінімальну величину ємності розділового конденсатора, при якій частотні спотворення не перевищать гранично допустимих:
(6.66)
Вплив блокувальних конденсаторів на низьких частотах зводиться до того, що опір блокируемой ланцюга стає ненульовим, має комплексний характер, а це призводить до додаткового спаду АЧХ і фазовим зрушенням. Для схеми з ОЕ вибір величини С Б здійснюється виходячи із заданої величини частотних спотворень М Н:
(6.67)
Крім того необхідно відзначити, що якщо приводиться в довідниках інформація не є для практичних розрахунків достатньою, то використовують розгляд властивостей підсилювальних приладів, засноване на використанні їх фізичних еквівалентних схем. Однієї з найбільш використовуваних моделей у даному випадку є модель Еберса-Молла, що визначає взаємозв'язок вихідного струму транзистора і різниці потенціалів на його емітерний перехід. Застосування даної моделі пропонується вивчити самостійно за посібником: Богданов Н.Г., Лисичкин В.Г. Основи радіотехніки і електроніки. Частина 6.: - Орел: ВІПС, 1999. - С.74-80.
Бібліографічний список
Стеблянко В.Д. Підсилювачі електричних сигналів. Курс лекцій. Орел-С.18-40.
Павлов В.М., Ногін Б.М. Схемотехніка аналогових електронних пристроїв. - М.: Радіо і зв'язок, 1997. - С.23-70