Усилитель переменного тока на транзисторе: Усилитель напряжения на биполярном транзисторе.

Содержание

УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

УПТ С НЕПОСРЕДСТВЕННОЙ СВЯЗЬЮ

Высокое входное сопротивление, малый температурный дрейф (в термостабильной точке), низкий уровень шумов позволяют использовать ПТ в схемах усилителей постоянного тока. Наличие термостабильной точки у полевых транзисторов выгодно отличает их от электронных ламп и биполярных транзисторов, используемых в УПТ.

Рис. 1. Простейшие схемы УПТ. а – истоковый повторитель; б – истоковый повторитель с компенсацией дрейфа тока затвора.

В этом параграфе будут рассмотрены простейшие схемы УПТ, а также более сложные балансные каскады на полевых транзисторах.

Полевой транзистор при токе стока, соответствующем точке «нулевого» дрейфа, в схеме простейшего УПТ (рис. 1, а) может иметь очень малый дрейф. Так, при изменении температуры окружающей среды от +10 до +100°C приведенный ко входу дрейф может быть менее 100 мкВ, что соответствует среднему дрейфу 1 мкВ/°С во всем диапазоне температур [2].

Таких результатов можно достигнуть, конечно, при очень тщательной установке, термостабильной точки.

При смене транзисторов без дополнительной подстройки появится дрейф, если новый транзистор не будет иметь точно такое же Uотс, что и прежний.

Достоинство выбора рабочей точки ПТ с нулевым дрейфом по сравнению с другими методами компенсации состоит в том, что используется компенсация встречно направленных явлений внутри одного транзистора.

При большом сопротивлении резистора в цепи затвора R3 появляется дополнительный дрейф, обусловленный током затвора. Этот дрейф можно скомпенсировать с помощью диода и резистивного делителя в схеме, изображенной на рис. 1, б. Здесь обратный ток диода Д1, протекая через резистор R2, создаёт на нём падение напряжения, равное и противоположное напряжению, создаваемому обратным током затвора на резисторе R3. В результате компенсации дрейф может быть снижен до 2 мВ и менее в диапазоне температур от -25 до +100°С.

Рис. 2. Принципиальные схемы балансных усилителей. а – дифференциальный усилитель; б – разностный каскад с генератором тока в нагрузке; в – последовательный балансный каскад.

Для больших значений тока стока I_c, когда режим ПТ далёк от оптимального с точки зрения температурной стабильности, можно получить коэффициент усиления порядка 15-30 при Rвых≈Rc = 10…20 кОм. Коэффициент усиления такого же порядка можно получить и от ПТ с малым напряжением отсечки (т. е. при малых токах стока) в термостабильной точке, однако Rc в этом случае оказывается равным 100-200 кОм, a Rвых=R_i||Rc>50…100 кОм. Столь большие значения Rвых приводят к сужению полосы пропускания усилителя до 10-20 кГц [3].

Для расчета температурного дрейфа усилителей на полевых транзисторах с управляющим p-n переходом можно воспользоваться формулами, приведенными в [5].

Наилучшим способом компенсации дрейфа УПТ с непосредственной связью является использование согласованных пар полевых транзисторов, включенных по схеме дифференциального усилителя (рис.

2, а).

Особенностью балансных усилителей постоянного тока на ПТ является то, что для получения минимального дрейфа приходится использовать режим микротоков. Это в свою очередь обусловливает трудность получения высокого коэффициента усиления и широкой полосы пропускания балансных каскадов.

В [3] показано, что дрейф балансных каскадов можно определить по выражению

(1)

где ρ – удельное электрическое сопротивление кремния; Т – абсолютная температура;

Из соотношения (1) видно, что дрейф балансных каскадов зависит от величины Iс и разброса параметра, определяемого выражением

(2)

Таким образом, получение приемлемого значения приведённого дрейфа сопряжено со значительными трудностями: необходимостью использования транзисторов в режиме очень малых токов стока Iс и отбором в пары по параметру ξ, не поддающемуся прямому измерению.

Использование ПТ в режиме микротоков приводит к проблеме получения коэффициента усиления больше нескольких единиц при ограниченных номиналах источников питания. Один из возможных путей решения этой проблемы-использование схем по типу рис. 33, б, где биполярный транзистор в режиме генератора тока создает эквивалентное сопротивление в несколько мегаом в цепи стока Т2. По данным [3] такой каскад для полевых транзисторов с Uотс≤2 В и Ic0≤0,5 мА обеспечивает усиление около 30 при Ic≈30 мкА. Среднее значение приведенного ко входу дрейфа составляет 100-200 мкВ/°С.

Разбаланс по сопротивлениям R1 и R2 (рис. 33, б) не играет в этой схеме существенной роли благодаря автоматической установке режима биполярного транзистора Т3.

Коэффициент усиления разностного каскада, изображённого на рис. 33, б, можно определить, используя μ=R

iS_макс как основной параметр усиления, потому что полевые транзисторы сохраняют значение μ приблизительно постоянным в широком диапазоне изменения Iс. Тогда усиление разностного каскада можно определить по приближенной формуле [4]

(3)

где r_к – выходное сопротивление каскада на транзисторе Т3 по схеме с общей базой.

В том случае, когда необходим усилитель постоянного тока с несимметричными входом и выходом, можно использовать последовательно-балансный каскад, принципиальная схема которого изображена на рис. 33, е. Схема отличается простотой и невысокой критичностью к подбору транзисторов в пары. Ток в рабочей точке целесообразно выбирать в пределах 0,1-0,2 мА. Усиление в области низких частот на холостом ходу

Ки ≈ μ/2 (4)

При R1=R2=30 кОм (рис. 2, б), Eпит=24 В и использовании полевых транзисторов типа КП103Ж получен коэффициент усиления Ки = 15 при приведённом ко входу дрейфе меньше 150 мкВ/°С.

Рис. 3. Схемы комбинированных балансных усилителей.
а – параллельно-балансного; б – последовательно-балансного.

Приведенные на рис. 2 схемы имеют высокое выходное сопротивление (200-500 кОм) и узкую полосу пропускания (10-20 кГц).

Повышение усиления и расширение полосы пропускания может быть достигнуто путем использования комбинации полевых и биполярных транзисторов. У таких комбинированных каскадов (рис. 3) можно получить коэффициент усиления примерно 200 при дрейфе, приведенном ко входу, 50-100 мкВ/°С [4].

Для расширения полосы пропускания и для получения нулевого уровня на выходе усилителя прибегают к усложнению принципиальной схемы УПТ [7].

Отметим, что отбор пар полевых транзисторов облегчается тем, что между S_m, U_отс и I_c0

существует достаточно однозначное соответствие, позволяющее вести отбор по одному, максимум по двум параметрам.

Подробные сведения о подборе одиночных полевых транзисторов в пары для дифференциальных усилителей можно найти в [6], где автор анализирует взаимосвязь параметров отдельных транзисторов, входящих в пару, с температурным дрейфом и смешением нуля пары, предлагает способ подбора, качественно связывающий критерий подбора и заданные величины температурного дрейфа и смещения нуля.

ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ В УПТ С ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ

При необходимости измерения очень слабых сигналов постоянного тока (единиц микровольт) применение усилителей с непосредственной связью невозможно из-за их высокого дрейфа. В этом случае используются усилители с модуляцией и демодуляцией (М-ДМ), которые мало чувствительны к изменениям питающих напряжений и температуры окружающей среды и значительно стабильнее во времени, чем усилители с непосредственными связями. В усилителях М-ДМ сигнал постоянного тока преобразуется с помощью специального устройства (модулятора М) в переменный, затем полученный сигнал усиливается усилителем переменного тока (У), после чего детектируется демодулятором ДМ. После демодулятора обычно включается фильтр нижних частот ФНЧ, на выходе которого выделяется усиленный сигнал постоянного тока, пропорциональный входному (рис. 4).

Рис. 4. Структурная схема усилителя М-ДМ.

Так как усиление на постоянном токе заменяется усилением на переменном токе, то дрейф всего усилителя определяется только изменением нулевого уровня выходного напряжения модулятора.

Следующие свойства полевых транзисторов делают их во многих случаях незаменимыми в модуляторах УПТ с преобразованием:

практическое отсутствие статического напряжения смещения нуля;

малый обратный ток затвора закрытого транзистора, обеспечивающий малый дрейф по току и напряжению; малая мощность управления затвором; большой срок службы.

Рассмотрим причины, ухудшающие качественные показатели усилителей М-ДМ с модуляторами на полевых транзисторах: дрейф нулевого уровня и коммутационные помехи, используя при этом те же эквивалентные схемы и ключевые параметры ПТ, которые были приведены ранее.

Дрейф нулевого уровня модулятора с ПТ обусловлен изменением обратного тока затвора Iз, который зависит от величины управляющего напряжения на затворе и сопротивление затвор – канал. При малом значении тока Iз и высокой частоте преобразования дрейф нулевого уровня зависит также от изменения тока помехи. Остаточный ток ПТ с p-n переходом зависит от температуры, как уже говорилось выше, по экспоненциальному закону. Практически можно с достаточной степенью точности считать, что ток затвора для кремниевых приборов удваивается на каждые 10-12° С.

Рис. 5. Принципиальные и эквивалентные схемы модуляторов на ПТ.

а – параллельного модулятора; б – последовательного модулятора; в – параллельно-последовательного модулятора.

Вследствие наличия сопротивления источника сигнала и сопротивления замкнутого ключа изменение остаточного тока вызывает дрейф нулевого уровня по напряжению. При отсутствии входного сигнала напряжение дрейфа, приведенное ко входу, можно определить по схеме рис. 5, а, из условия, что напряжение на входе преобразователя одинаково при замкнутом и разомкнутом ключе [1]:

откуда

Поскольку для полевых транзисторов выполняется условие

r_з>>r_к, то

Uдр ≈ ΔI_з(R_i+r_к) (5)

где ΔI_з – изменение остаточного тока, вызванное нестабильностью управляющего напряжения, изменением емкости затвор – канал и другими причинами.

Таким образом, при использовании ПТ в модуляторах высокочувствительных УПТ необходима компенсация остаточных токов и напряжений. При использовании МОП-транзисторов, у которых значение тока затвора на 2-4 порядка меньше, чем у ПТ с p-n переходом, компенсация остаточного тока обычно не требуется.

Другой причиной, вызывающей дрейф и снижающей чувствительность УПТ, является коммутационная помеха. Помеха возникает на выходе модулятора за счет прохождения управляющего напряжения через ёмкости Сз.с и Сз.и. Эта помеха ограничивает частоту коммутации порядка 500-2000 Гц для ПТ с управляющим p-n переходом (в некомпенсированных модуляторах). Величина помехи зависит от сопротивлений канала открытого и закрытого транзистора, от значения и формы управляющего напряжения и, как уже говорилось выше, от ёмкости затвора.

Заметим, что на дрейф нулевого уровня оказывают влияние также паразитные термо-э.д.с, возникающие в местах соединений разнородных металлов. Для их уменьшения следует внимательно относиться к выбору металлов соединительных проводников, обеспечивающих минимальную термо-э.д.с, тщательно термоизолировать входные цепи, выравнивать температуры в местах соединений, использовать при пайке специальные припои и т. д. Проведение указанных мероприятий позволяет снизить термо-э. д.с. приблизительно до 1 мкВ/°С [8].

В модуляторах, выполненных на полевых транзисторах, используются управляющие напряжения различной формы: синусоидальные, трапециевидные и прямоугольные. Напряжение прямоугольной формы предпочтительно, так как оно может быть меньше, чем напряжение других форм. При использовании полевых транзисторов с управляющим p-n переходом прямоугольные импульсы управляющего напряжения должны быть однополярными.

СХЕМЫ МОДУЛЯТОРОВ

В зависимости от схемы включения транзисторных ключей модуляторы делятся на параллельные, последовательные и последовательно-параллельные; по цикличности работы – однотактные и двухтактные; в зависимости от типа нагрузки – резистивные, индуктивные и трансформаторные.

Параллельный модулятор предназначен для работы с высокоомным источником напряжения. Его принципиальная и эквивалентная схемы приведены на рис. 36, а.

Чувствительность преобразователя к входному сигналу Sc определяется как отношение эффективного значения первой гармоники выходного напряжения к постоянному напряжению на входе [8]. Для сравнительно низких частот преобразования f<1/2πC_зс(R_i+r_к) и R_i>>r_к можно считать

S_{c макс} ≈ 1,41/π = 0,45 (6)

Для низких частот управляющего напряжения U_упр амплитуда помехи на выходе модулятора вычисляется по формуле

(7)

где U1 – напряжение на емкости С_з.с в момент запирания транзистора.

Максимальная рабочая частота управляющего напряжения выбирается по условию [8]

f_макс < U_c/(U_отсπC_з.сR_i), (8)

где U_c – напряжение входного сигнала.

Из условия (8) видно, что для повышения максимальной частоты управляющего напряжения необходимо выбирать транзисторы с малым напряжением отсечки и малой проходной емкостью.

Принципиальная и эквивалентная схемы последовательного модулятора приведены на рис. 36, б. При постоянной времени цепи нагрузки τ_н=R_н(C_н+С_{з. с}) и сравнительно низкой частоте преобразования f<1/(2πτ_н) максимальная чувствительность последовательного модулятора к полезному сигналу, как и в случае параллельного модулятора,

S_{с макс} ≈ 0,45.

Для повышения чувствительности целесообразно увеличивать входное сопротивление усилителя переменного тока, а для снижения помехи на выходе модулятора следует выбирать транзисторы с малым напряжением отсечки и по возможности минимальное значение управляющего напряжения.

Наиболее широкое распространение получил последовательно-параллельный модулятор, обладающий лучшими характеристиками по сравнению с параллельным и последовательным преобразователями. В таком модуляторе изменение внутреннего сопротивления источника сигнала относительно слабо влияет на основные характеристики модулятора, а благодаря разнополярному управлению ключами происходит частичная компенсация помехи в нагрузке.

Принципиальная схема последовательно-параллельного модулятора приведена на рис. 36, в.

Чувствительность последовательно-параллельного модулятора к полезному сигналу

(9)

Амплитуда напряжения помехи на выходе модулятора

(10)

где индексы «1» и «2» означают, что соответствующие обозначения относятся к транзисторам Т1 или Т2.

Преобразователи малых напряжений постоянного тока с ПТ могут выполняться по трансформаторной схеме. Такие схемы обеспечивают наиболее высокую чувствительность и хорошее согласование с источником сигнала при условии выполнения трансформатора с требуемой степенью симметрии. На рис. 37, а представлена одноактная последовательная схема преобразователя с входным трансформатором. Выходной сигнал появляется при замкнутом ключе [1].

Рис. 6. Трансформаторные модуляторы на ПТ.
а – однотактный последовательный модулятор; б – двухтактный балансный модулятор.

Двухтактная балансная схема с входным трансформатором (рис. 6, б) состоит из двух однотактных, управляемых противофазными сигналами. При точной балансировке с помощью подстроенных конденсаторов С1 и С2 двухтактная схема позволяет существенно снизить остаточную помеху. Однотактная балансная схема используется для измерения напряжения до 0,2 мкВ при сопротивлении источника сигнала менее 40 кОм. Дрейф нулевого уровня схемы (в течение нескольких дней) не превышает 0,3 мкВ при частоте преобразования 250 Гц. Двухтактная схема с входным трансформатором, работающая на частоте 250 Гц, позволяет получить полную нестабильность нулевого уровня (в течение трех недель) менее 0,05 мкВ [42].

МЕТОДЫ КОМПЕНСАЦИИ ОСТАТОЧНЫХ ПАРАМЕТРОВ

Существует достаточно много методов и схемных решений, позволяющих уменьшить дрейф нулевого уровня и коммутационные помехи. В этом параграфе рассмотрены лишь некоторые методы устранения остаточных параметров

Компенсацию остаточного тока можно произвести включением плоскостного диода с характеристикой обратного тока, близкой к характеристике остаточного тока ПТ по схеме рис. 38, а. Поскольку остаточный ток ПТ зависит от управляющего напряжения, то компенсирующий диод также подключается к этому источнику. Полную компенсацию в такой схеме осуществить невозможно, поскольку необходимо осуществлять подбор компенсирующего диода и точную установку напряжения на нем. Практически такая схема обеспечивает снижение дрейфа нулевого уровня по току до 5*10^-10 А и по напряжению до 0,5 мкВ в диапазоне температур 20-70° С [6].

Требуемое значение компенсирующего тока без подбора диода Дк может быть получено при помощи делителя R1 и R2 (рис. 7, б). В этой схеме обратный ток диода должен превышать ток утечки затвора ПТ. Недостатком является шунтирование делителя канала полевого транзистора. При подключении компенсирующего диода к источнику постоянного напряжения дрейф нулевого уровня составляет 5-15 мкВ в диапазоне температур 20-60° С. Необходимого значения компенсирующего тока диода можно достигнуть, используя дополнительные приемы: подбор диода, изменение амплитуды напряжения, подаваемого на диод, включение делителя тока, как показано на рис. 7, б [10].

Рис. 7. Схемы компенсационных модуляторов.
а, б, в – модуляторы с компенсацией остаточного тока; г, д -модуляторы с компенсацией коммутационной помехи.

Существенное влияние на работу модулятора оказывает помеха, проходящая в цепи управления через емкость затвор – канал. Эквивалентное напряжение помехи, обусловленное указанной емкостью, пропорционально напряжению управления, сопротивлению источника сигнала, частоте преобразования и значению емкости. Компенсацию тока помехи I_п можно осуществить включением дополнительного конденсатора С_к в схеме на рис. 7, г. Здесь удается скомпенсировать только помеху основной частоты, однако существенное влияние на работу модулятора оказывают также помехи высших гармоник.

Практически такая схема компенсации снижает напряжение помехи до 1-2 мВ [1].

Если модулятор управляется напряжением прямоугольной формы, то сигнал помехи имеет вид коротких, но больших по амплитуде (до 150-200 мВ) импульсов, которые могут вызвать насыщение усилителя, включённого на выходе модулятора, и смещение нулевого уровня.

На рис. 7, д представлена однотактная параллельная схема, в которой выход модулятора подключается к дифференциальному входу операционного усилителя. В этой схеме исток ПТ подключается к общей точке через балансирующее сопротивление R2. Для окончательной регулировки вводится подстроечный конденсатор С_п. Введение внешнего подстроечного конденсатора не ухудшает температурной стабильности схемы, так как ёмкости

ПТ имеют низкий температурный коэффициент (0,02%/°С) [1]. В сбалансированной схеме, т. е. при R1=R2 и C_з.и=С_з.с, остаточное напряжение помехи практически отсутствует.

Некоторое снижение помех достигается применением модулятора с последовательно-параллельным включением ПТ (рис. 5, в). Основные характеристики этой схемы были приведены ранее. Использование в последовательно-параллельном модуляторе управляющих напряжений противоположной полярности приводит к некоторой компенсации остаточного напряжения помехи. Полной компенсации получить нельзя из-за неидентичности ПТ, работающих в паре, и зависимости ёмкостей затвор – канал от величины управляющего напряжения.

На рис. 8 изображена принципиальная схема последовательно-параллельного модулятора [11] с компенсацией импульсной помехи, для чего между коммутирующей цепью и сигнальной включена цепь компенсации, состоящая из резисторов R1-R4 конденсатора С2 и диода Д1 Модулятор коммутируется напряжением прямоугольной формы с частотой 1 кГц. По данным [1] модулятор обладает следующими параметрами: порог чувствительности около 5 мкВ, температурный дрейф в диапазоне температур -5..60°С не более 0,1 мкВ/°С, временной дрейф ±2 мкВ за 8 ч непрерывной работы.

Рис. 8. Практическая схема модулятора на полевых транзисторах с компенсацией импульсной помехи.

УСИЛИТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА КАНАЛА М-ДМ

Усилитель переменного тока канала М-ДМ должен иметь:

необходимый коэффициент усиления с требуемой стабильностью;
полосу пропускания, верхняя и нижняя границы которой отличаются от несущей частоты не менее чем в 5 раз;
большое входное сопротивление; малый уровень низкочастотных шумов; быстрое затухание переходного процесса после перегрузок.

Рис. 9. Схема усилителя несущей с разделенной нагрузкой.

Перечисленные требования сравнительно легко выполнить. Так как частота коммутации (модуляции) редко превышает 10-20 кГц, то в качестве усилителей переменного тока канала М-ДМ могут быть использованы почти все схемы УНЧ.

Применение полевые транзисторов во входных каскадах усилителей переменного тока позволяет получать входные сопротивления до десятков мегаом (в зависимости от частоты модуляции), что обеспечивает коэффициент преобразования М-ДМ систем, близкий к коэффициенту преобразования собственно модуляторов. Использование микросхем типа К2УС261-К2УС264 в качестве усилителей переменного тока позволяет сократить габариты и повысить надежность УПТ М-ДМ в целом.

В случае использования двухтактных модулятора и демодулятора целесообразно во входном каскаде усилителя несущей применять дифференциальную схему, а на выходе – каскад с разделенной нагрузкой. Принципиальная схема такого усилителя переменного тока изображена на рис. 9 [13]. Связь между каскадами непосредственная.

Термостабилизация достигается введением местных обратных связей и использованием дифференциальных усилителей. Для получения одинаковых выходных сопротивлений усилителя последовательно с выходом 1 установлен резистор R17.

ПРАКТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ УПТ С ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ

На рис. 10 приведена схема УПТ М-ДМ с использованием микросхем [12]. Особенность схемного решения этого усилителя состоит в том, что компенсация переходных процессов от перезаряда входных емкостей усилителя осуществляется не в модуляторе, а в первом каскаде усилителя несущей частоты. Компенсация достигается за счет того, что часть входного сигнала подается через переменный резистор R3 и конденсатор С1, минуя модулятор, на второй вход дифференциального усилителя К1УТ221А. При равенстве огибающей переходного процесса на одном входе дифференциального усилителя экспоненциальному напряжению на другом его входе в выходном напряжении будут полностью скомпенсированы переходные процессы. Равенство указанных напряжений достигается регулировкой R3. Переходные процессы будут скомпенсированы при выполнении двух условий: равенстве постоянных напряжений на конденсаторах С1 и С2 в начальный момент времени при любых изменениях Uвх и равенстве постоянных времени входных цепей дифференциального усилителя.

Рис. 10. Схема УПТ с преобразованием на ПТ и микросхемах.

Модулятор усилителя собран по последовательно-параллельной схеме на полевых транзисторах типа КП103. Делитель, изменяющий масштаб входного напряжения Uвх, состоит из потенциометра R3 и составного эмиттерного повторителя, служащего для развязки низкоомного потенциометра от источника входного сигнала. Трёхкаскадный усилитель несущей частоты (40 кГц) собран на трёх микросхемах типа К1УТ221А, коэффициент усиления каждого каскада регулируется резисторами обратной связи, помеченными на принципиальной схеме звездочками (R4, R6, R8, R10, R12, R14).

Упрощенная схема УПТ М-ДМ с модулятором и демодулятором на полевых транзисторах приведена на рис. 11 [14].

Рис. 11. Упрощенная схема УПТ М-ДМ.

Последовательно-параллельный модулятор на транзисторах Т1 и Т2 позволяет несколько понизить напряжение помех, возникающих при переключении ПТ. В качестве усилителя несущей частоты используется микросхема К2УС261, входной каскад которой выполнен на полевом транзисторе; это обеспечивает хорошее согласование между модулятором и усилителем несущей. Демодулятор УПТ выполнен также на полевых транзисторах, что позволило обойтись без фазирующего трансформатора в цепи управления.

Вместо обычного RC-фильтра нижних частот в УПТ используется активный фильтр-интегратор. В этом случае коэффициент усиления несущей частоты может быть снижен в Ки раз (Ки – коэффициент передачи активного фильтра-интегратора) и соответственно увеличена устойчивость всего УПТ [14].

Усилитель охвачен отрицательной обратной связью, которая с выхода активного фильтра вводится в цепь истока полевого транзистора Т2, причём коэффициент усиления УПТ определяется глубиной ООС и может регулироваться с помощью потенциометра R10.

Баланс нуля УПТ и регулирование уровня выходного сигнала осуществляется потенциометром R5 на входе активного фильтра-интегратора.

По данным [14] УПТ имеет следующие параметры: коэффициент усиления с разомкнутой обратной связью около 10⁶; дрейф нуля, приведенный ко входу за 7 ч. 2,0 мкВ, порог чувствительности 0,2 мкВ; температурный дрейф (в диапазоне температур +20…60°С) 0,2мкВ/°С.

В заключение отметим, что использование полевых транзисторов в схемах УПТ с М-ДМ позволяет улучшить метрологические характеристики, уменьшить габариты и массу, повысить надежность, а применение комплементарных схем с ПТ позволит в дальнейшем создавать схемы УПТ с преобразованием полностью в интегральном исполнении.

А.Г. Милехин

Литература:

Александров В. С, Прянишников В. А. Приборы для измерения малых напряжений и токов. М., «Энергия», 1971.
Гозлинг В. Применение полевых транзисторов. М., «Энергия», 1970.
Гальперин М. В., Злобин Ю. П., Павленко В. А. Транзисторные усилители постоянного тока. М., «Энергия», 1972.
Гальперин М. В., Злобин Ю, П., Мелехова Г. Н. Полевые транзисторы КП102 в схемах усиления постоянного тока. – В кн.: Тенденции развития активных радиокомпонентов малой мощности. Новосибирск, «Наука», 1970.
Немчинов В. M., Сиколенко С. Ф. Температурный дрейф усилителя на полевом транзисторе с р-п-переходом. – «Полупроводниковые приборы в технике электросвязи», вып. 4, М., «Связь», 1969.
Голованов В. М. Подбор ПТ в пары для дифференциальных усилителей. – «Интегральные схемы», вып. 5. Новосибирск, «Наука», 1973.
Немчинов В. М. Параллельный балансный каскад на ПТ.- «Микроэлектроника», вып. 6. М., «Советское радио», 1973.
Назарян К. X., Прянишников В. А. Преобразователи напряжения и тока на полевых транзисторах. ЛДНТП, 1973.
Hitt J. J., Mosley G. FET chopper circuits for low lewel signals. – “IЕЕЕ Internat. Conf. Record”, 1967, pt. 8.
Беленький Б. И., Минц М. Б. Высокочувствительные усилители постоянного тока с преобразователями. Л., «Энергия», 1970.
Калинчук Б. А., Пичугин О. Р. Модуляторы малых сигналов. М., «Энергия», 1972.
Ворожейкин А. И., Добровинский И. Р., Ломтев Б. А. Измерительный усилитель с модуляцией входного сигнала. – «Приборы и техника эксперимента», 1972, № 6.
Полонников Д. Е. Решающие усилители. М, «Энергия», 1973.
Хононзон Г. А, Гаркуша О. И., Лебакин Н. А. Высокостаьильный усилитель постоянного тока. – “Приборы и системы управления”, 1974, №1

BACK MAIN PAGE

(Усилители переменного тока) Л. Р. №2

Министерство образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Московский государственный индустриальный университет

(ФГБОУ ВПО МГИУ)

Кафедра «Автоматика, информатика и системы управления»

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

по дисциплине «Спец. главы электроники»

на тему «Усилители переменного тока»

Группа 7111

Студент ______ Е. М. Щавелев

Оценка работы ______

Дата «___»____________

Преподаватель ______ А. В. Кузнецов

Москва 2012

Лабораторная работа №2.

«Усилители переменного тока»

Содержание:

Краткие теоретические сведения
Принципиальные схемы, исследуемые в работе

Краткие теоретические сведения.

Усилителем называется электронное устройство, способное преобразовывать относительно маломощные входные электрические сигналы в сигналы большей мощности на входе за счёт энергии включенного источника питания.

Показателем работы каскада (схемотехническая часть сохраняет свойства усиления) зависит от положения рабочей точки, определяющей рабочий режим, минимальное искажение сигнала при максимальном усилении по мощности. Для стабильной работы усилителя стремятся не допускать изменения положения начальной рабочей точки. Выбор рабочей точки зависит от Uio, Iк – начальное напряжение между коллектором и эмиттером и ток коллектора покоя.

1.1 Схема усилителя с фиксированным током базы.

Рис.1 Схема усилителя на биполярном транзисторе с фиксированным током базы.

Конденсатор C1, называемый разделительным, препятствует связи по постоянному току источника входного сигнала с усилителем, что может вызвать нарушение режима работы транзистора по постоянному току. С2 тoже разделительный, служит для разделения выходной коллекторной цепи от внешней нагрузки по постоянному току, т.е. Iк не влияет на постоянный Iб, исключая взаимное влияние по постоянным параметрам. Схема используется: – при воздействии дестабилизирующих факторов (температура), изменяются величины Pст и Iк, коэффициент усиления тока транзистора в схеме с ОЭ, сквозной ток коллектора, что изменяет ток коллектора покоя и положение начальной рабочей точки; – при подборе для каждого Pст соответствующего Rб.

1.2 Схема с коллекторной стабилизацией или с обратной связью.

Эта схема обеспечивает лучшую стабильность начального режима. В схеме имеет место отрицательная обратная связь по напряжению (выход схемы – коллектор транзистора соединён со входом схемы – базой транзистора с помощью сопротивления Rб), смещение на 180°. Каскад устойчив от влияния температуры, т.е. например, при повышении температуры, увеличится напряжение URk уменьшается Uкэ и Iб что препятствует увеличению Iк, т.е. осуществляется стабилизация тока коллектора.

Рис. 2 Схема усилителя на биполярном транзисторе с отрицательной обратной связью по напряжению.

1.3 Классическая схема усиления.

Конденсатор Сэ обеспечивает увеличение коэффициента усиления усилителя по напряжения, так как уменьшает амплитуду переменной составляющей напряжения URэ (т.е. он ликвидирует отрицательную обратную связь на постоянном токе).

10V

Рис.3 Схема усилителя на биполярном транзисторе с фиксированным потенциалом базы (классическая схема с эмитерной температурной компенсацией).

Расчёт заключается в выборе такого коллекторного тока Ico (его называют током покоя или током в рабочей точке), при котором падение напряжения на коллекторной нагрузке Rк; 1- равно падению напряжения на транзисторе (Uсе) и, 2-е, было меньше амплитудного значения при max входном сигнале.

1. IkoRx+Uсе+IJRe=E, (1)

где Ieo=pIco/(P-l) – ток покоя эмиттера. Р – коэффициент усиления тока транзистора в схеме с ОЭ. При (Р=100, то Ico=leo. To (I):

2IcoRk+TjR.e=E, ток покоя Ico=E/(2Rk+Re).

Рассматривая цепь, б-э напряжение на базе относительно общей шины:

Ubo+Ubeo+LoRe, где Ubeo – напряжение база-эмиттер (0,7… 0,9В).

I2⁼Ubo/R2=(Ubeo+IcoRe)/R2.

Через R1 протекает сумма тока базы, = Ico/P, и тока I2/Р. Для цепи базы:

R1(Ico/P+Ub/R2)+Ub=E, для термостабильности выбирают

R1>>R2,Ico/P<<I2, Ube=IcoRe. Следовательно, R1/R2=Rk/Re, Коэффициент усиления каскада с ОЭ рассчитывается по приближенной формуле: Ku=Rk/Re.

Графическое построение линии нагрузки на переменном токе, наклон которой определяется величиной Rk/RH=(RkRH)/Rk+RH=ctgα.

Рабочая точка РТ перемещается по линии нагрузки (JIH), на переменном токе характеризующая режим работы усилителя при наличии входного сигнала Uвх. Наклон линии нагрузки на постоянном токе (ЛН=) определяется величиной Rk+Rc.

Uнт амплитуда напряжения на нагрузке, равная амплитуде переменной составляющей напряжения Uкэ, и предельные точки на линии (ЛН), при изменении Iб.

2. Схемы для моделирования и показания приборов.3\9.95=1998.99

Рис 8. Показания осциллоскопа

2.3 Усилительный каскад с ОЭ с фиксированным потенциалом базы (классический).

Рис 9. Схема для моделирования классического каскада усиления

K=Uвых.\Uвх. = 48.08\19.91=2.41

Рис 10. Показания осциллоскопа

Однокаскадный усилитель переменного тока на биполярном транзисторе с общим эмиттером.

Типичная схема усилительного каскада на транзисторе с ОЭ показана на рис.3.4,а.

Входное усиливаемое переменное напряжение U_вх подводится ко входу усилителя через разделительный конденсатор С₁. Конденсатор С₁препятствует передаче постоянной составляющей напряжения входного сигнала на вход усилителя, которая может вызвать нарушение режима работы по постоянному току транзистора VT. Усиленное переменное напряжение, выделяемое на коллекторе транзистора VT, подводится к внешней нагрузке с сопротивлением R_н через разделительный конденсатор С₂. Этот конденсатор служит для разделения выходной коллекторной цепи от внешней нагрузки по постоянной составляющей коллекторного тока I_кр

а/

Рис. 3.4

Значения I_кр и других постоянных составляющих тока и напряжения в цепях транзистора зависят от режима его работы ( начального положения рабочей точки).

Рабочей точкой транзистора называют точку пересечения динамической характеристики (нагрузочной прямой) с одной из статических вольт-амперных характеристик. Режим работы транзистора определяется начальным положением рабочей точки (при отсутствии входного переменного сигнала). Это положение определяется на характеристиках совокупностью постоянных составляющих токов и напряжений в выходной I_Кр, U_КЭр и входной I_Бр, U_БЭр цепях (рис. 3.4, б, в).

При работе транзистора в активном (усилительном) режиме (класса А) рабочая точка должна находиться примерно посередине отрезка АВ нагрузочной прямой. Предельные изменения входного тока базы должны быть такими, чтобы рабочая точка не выходила за пределы отрезка АВ.
Начальное положение рабочей точки обеспечивается делителем напряжения, состоящим из резисторов R₁ и R₂, значения сопротивлений которых определяются из соотношений:
R₁= ;
R₂= .
где I_д = (2…5)I_Бр – ток в цепи делителя.
При обеспечении режима работы транзистора необходимо осуществить температурную стабилизацию положения рабочей точки (уменьшить влияние температуры на начальное положение рабочей точки). C этой целью в эмиттерную цепь введен резистор R_э, на котором создается напряжение ООС по постоянному току U_Rэ.
Для устранения ООС по переменному току (при наличии входного переменного сигнала) резистор R_э шунтируют конденсатором С_э, сопротивление которого на частоте усиливаемого сигнала должно быть незначительным.
Глава 5. УСИЛИТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
Рисунок 1 Частотная характеристика УПТ
Лекция 8 Тема 8 Специальные усилители Усилители постоянного тока Усилителями постоянного тока (УПТ) или усилителями медленно изменяющихся сигналов называются усилители, которые способны усиливать электрические
Подробнее 1.1 Усилители мощности (выходные каскады)
Лекция 7 Тема: Специальные усилители 1.1 Усилители мощности (выходные каскады) Каскады усиления мощности обычно являются выходными (оконечными) каскадами, к которым подключается внешняя нагрузка, и предназначены
Подробнее ТЕМА 6 ЭЛЕКТРОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ.
ТЕМА 6 ЭЛЕКТРОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ. Электронный усилитель – устройство, преобразующее маломощный электрический сигнал на входе в сигнал большей мощности на выходе с минимальными искажениями формы. По функциональному
Подробнее Вход Усилитель. Обратная связь
Лекция 5 Тема 5 Обратная связь в усилителях Обратной связью () называют передачу части энергии усиливаемого сигнала из выходной цепи усилителя во входную. На рисунке 4 показана структурная схема усилителя
Подробнее 1.1 Усилители мощности (выходные каскады)
Лекция 9 Тема 9 Выходные каскады 1.1 Усилители мощности (выходные каскады) Каскады усиления мощности обычно являются выходными (оконечными) каскадами, к которым подключается внешняя нагрузка, и предназначены
Подробнее ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ. Рисунок 1. Рисунок 2
ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ Методические указания по темам курса Изучение данного раздела целесообразно проводить, базируясь на курсе физики и руководствуясь программой курса. Усилители на биполярных транзисторах
Подробнее Рисунок 1 Частотная характеристика УПТ
Лекция 8 Тема: Интегральные усилители 1 Усилители постоянного тока Усилителями постоянного тока (УПТ) или усилителями медленно изменяющихся сигналов называются усилители, которые способны усиливать электрические
Подробнее Схемы преобразователей частоты
Лекция номер 10 Схемы преобразователей Никитин Н.П. Классификация схем По типу гетеродина: с отдельным и с совмещённым гетеродином По типу прибора, на котором выполняется смеситель: транзисторные и диодные
Подробнее Лабораторная работа 3
Лабораторная работа 3 Определение статических – параметров биполярных транзисторов по характеристикам Цель работы: Научиться работать со справочными материалами и определять статические параметры транзистора
Подробнее 6.3. ДВУХТАКТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ
6.3. ДВУХТАКТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ Двухтактные УМ могут быть трансформаторными и бестрансформаторными. Двухтактный трансформаторный УМ представляет собой два однотактных каскада с общими цепями нулевого
Подробнее 15.4. СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ
15.4. СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ Сглаживающие фильтры предназначены для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения. Их основным параметром является коэффициент сглаживания равный отношению коэффициента пульсаций
Подробнее Методические указания
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ ДОНБАССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ Методические указания к выполнению контрольной работы по дисциплине ЭЛЕКТРОНИКА И МИКРОСХЕМОТЕХНИКА для студентов
Подробнее Усилители мощности (УПТ)
Электроника и МПТ Усилители мощности (УПТ) Усилитель мощности усилительный каскад, предназначенный для передачи в нагрузку заданной либо максимально возможной мощности при максимально возможном КПД и минимальных
Подробнее Усилители УСИЛИТЕЛИ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ
Усилители УСИЛИТЕЛИ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ Обратная связь находит широкое использование в разнообразных устройствах полупроводниковой электроники. В усилителях введение обратной связи призвано улучшить ряд
Подробнее Глава 5. Дифференциальные усилители
Глава 5. Дифференциальные усилители 5. Дифференциальные усилители Дифференциальный усилитель это симметричный усилитель с двумя входами и двумя выходами, использующийся для усиления разности напряжений
Подробнее Лекция 2 ЦЕПИ С ДИОДАМИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
109 Лекция ЦЕПИ С ДИОДАМИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ План 1. Анализ цепей с диодами.. Источники вторичного электропитания. 3. Выпрямители. 4. Сглаживающие фильтры. 5. Стабилизаторы напряжения. 6. Выводы. 1. Анализ
Подробнее 2.4. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
2.4. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ Полевой транзистор (ПТ) это полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей заряда одного знака, протекающим через проводящий канал,
Подробнее Лекция 10 Тема 10 Операционные усилители
Лекция 10 Тема 10 Операционные усилители Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель электрических сигналов, предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми и импульсными величинами
Подробнее Усилители постоянного тока (УПТ)
Электроника Усилители постоянного тока (УПТ) Назначение: усиление медленно меняющихся во времени сигналов, включая постоянную составляющую. В УПТ нельзя использовать в качестве элементов связи элементы,
Подробнее Рисунок 1 Структурная схема усилителя
Лекция 5 Тема: Усилительные устройства Основные определения Устройства, с помощью которых путем затраты небольшого количества электрической энергии управляют энергией существенно большей, называют усилителями.
Подробнее Рис Структурная схема усилителя с ОС
3. ОБРАТНЫЕ СВЯЗИ В ТРАКТАХ УСИЛЕНИЯ 3.. Структурная схема идеального управляемого источника с однопетлевой отрицательной обратной связью (ООС) и ее использование для анализа влияния ООС на параметры и
Подробнее 10.2. ЭЛЕКТРОННЫЕ КЛЮЧИ
10.2. ЭЛЕКТРОННЫЕ КЛЮЧИ Общие сведения. Электронный ключ это устройство, которое может находиться в одном из двух устойчивых состояний: замкнутом или разомкнутом. Переход из одного состояния в другое в
Подробнее Генераторы LС ГЕНЕРАТОРЫ
Генераторы Среди генераторных устройств следует различать генераторы синусоидальных (гармонических) колебаний и генераторы прямоугольных колебаний, или сигналов прямоугольной формы (генераторы импульсов).
Подробнее представить прерывной функцией времени u (t)
ТЕСТЫ по дисциплине «Основы радиоэлектроники» Для студентов специальности -3 4 Физика (по направлениям) -3 4-2 Физика (производственная деятельность) Какое из определений сигналов приведено не верно? Электрические
Подробнее Теоретическое введение
Глава 1 Теоретическое введение 1.1. Биполярный транзистор 1.1.1. Принцип работы биполярного транзистора Рис. 1.1. Упрощённая структура биполярного транзистора Биполярный транзистор, это полупроводниковый
Подробнее Тема 11. k = Pвых/Рвх. ДЕТЕКТОРНЫЙ ПРИЕМНИК
Тема 11 РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА Радиоприемные устройства предназначаются для приема передаваемой посредством электромагнитных волн информации и преобразования ее к виду, в котором она может использоваться
Подробнее УЭ и соответственно ток выходной цепи i
Лабораторная работа 3 зучение усилительных каскадов на транзисторах Цель работы изучение схем построения усилительных каскадов на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером и полевом транзисторе
Подробнее Порядок выполнения задания
Лабораторная работа 7 Измерение и исследование ВАХ и параметров полевых транзисторов 1. Цель лабораторной работы Целью лабораторной работы является закрепление теоретических знаний о физических принципах
Подробнее Каскады усиления переменного сигнала
Каскады усиления переменного сигнала По переменным сигналом понимается такой сигнал, постоянная составляющая которого не несет полезной информации. Строго говоря, постоянная составляющая, если она известна,
Подробнее П201, П201Э, П201А, П201АЭ, П202, П202Э, П203, П203Э
П201, П201Э, П201А, П201АЭ, П202, П202Э, П203, П203Э Общие данные Германиевые плоскостные (сплавные) p-n-p транзисторы. Основные области применения – усилители мощности низкой частоты (0,5 10 вт), преобразователи
Подробнее Лекция 12 ИНВЕРТОРЫ. План
5 Лекция 2 ИНВЕРТОРЫ План. Введение 2. Двухтактный инвертор 3. Мостовой инвертор 4. Способы формирования напряжения синусоидальной формы 5. Трехфазные инверторы 6. Выводы. Введение Инверторы устройства,
Подробнее Содержание. Предисловие… 8
Предисловие… 8 Глава 1. Элементы электронной техники… 9 1.1. Нелинейное сопротивление… 9 1.1.1. Общее описание… 9 1.1.2. Режим большого сигнала… 11 1.1.2.1. Графическое определение рабочей точки
Подробнее Одновибраторы на дискретных элементах.
11.3. ОДНОВИБРАТОРЫ Одновибраторы используются для получения прямоугольных импульсов напряжения большой длительности (от десятков микросекунд до сотен миллисекунд), в качестве устройств задержки, делителей
Подробнее ЛИСТ ОТВЕТОВ. out. arctg RC 50,0 23,0 6,7 0,291 73,6 400,00 11,78 20,00 3,4 64,6 23,0 8,4 0,365 66,9 240,37 7,50 15,49 2,35
ЛИСТ ОТВЕТОВ Упражнение 1.1.1. U U out in R 2 R 1 C 2 2 1 arctg RC Упражнение 1.1.2. f, Гц U in, В U out, В, о с2 ( ) с tg( ) 50,0 23,0 6,7 0,291 73,6 400,00 11,78 20,00 3,4 64,6 23,0 8,4 0,365 66,9 240,37
Подробнее Однокаскадный усилитель переменного напряжения на биполярном транзисторе 2N2714
ГОУ ВПО УГТУ-УПИ
Отчет
по лабораторной работе №9
«Однокаскадный усилитель переменного напряжения
на биполярном транзисторе 2N2714»
Вариант №4
Студент: Коробщиков А.С.
Группа: Фт-35051
Преподаватель: Пономарев А.В.
2008 г.

В данной лабораторной работе мы изучали параметры усилителя на переменном напряжении, реализованного на транзисторе 2N2714. Мы, регулируя сигнал генератора, изменяли напряжение (а следовательно ток) базы, при этом мы смотрели на выходное напряжение на транзисторе.
1. Схема эксперимента и показания приборов
Схема эксперимента предельно проста: на транзистор подается постоянное напряжение 12В с помощью источника напряжения. К эмиттеру параллельно подключен вольтметр, а последовательно резистор. Последовательно к через резистор к коллектору подключен амперметр. Все эти приборы призваны отображать величину тока через транзистор и приложенное напряжение. Нюанс данной схемы состоит в том, что ток базы можно менять посредством переменного резистора. Также величину и , главное, форму сигнала подаваемого в базу можно изменять посредством генератора, подключенного последовательно с резистором и конденсатором. Формы входного и выходного напряжений мы наблюдаем на «экране» осциллографа.

Неискаженная форма выходного сигнала

Искажение выходного сигнала за счет увеличения входного сигнала

2. Ответы на вопросы
· Причины возникновения искажения сигнала
Искажение сигнала можно объяснить следующим образом: при подаче отрицательного полупериода входного сигнала (база-эмиттер), минимум которого ≈20мВ, транзистор уже при ≈800мВ запирается. Данная величина сигнала соответствует напряжению «отпирания» вычисленного в работе №7. остальная же часть сигнала просто-напросто теряется и никак не влияет на выходной сигнал.
На положительном полупериоде входного сигнала при значении ≈1,4В транзистор переходит в «режим насыщения», когда дальнейшее увеличение напряжения база-эмиттер не может увеличить выходного сигнала.
Коэффициент усиления (по напряжению) – коэффициент, показывающий соотношение между входным и выходным сигналами.

Ku=Uвых/Uвх
К≈606/45,9=13,2
децибелы по напряжению =
К=20log(13.2)=22.4 дБ
Усилитель – переменный ток – Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1
Усилитель – переменный ток
Cтраница 1
Усилители переменного тока, предназначенные для усиления электрических колебаний любой частоты в пределах от / 0 до / в, но неспособные усиливать постоянную составляющую сигнала. [1]
Усилитель переменного тока собран на четырех транзисторах Т1 – Т4 по схеме с непосредственной связью и охвачен цепями отрицательной обратной связи для стабилизации коэффициента усиления и температурного режима. В коллектор транзистора Т4 включен резонансный контур, настроенный на частоту 10 кГц и обеспечивающий необходимую избирательность усилителя. [3]
Усилители переменного тока отличаются простотой и стабильностью характеристик, но полоса их пропускания ограничена. [4]
Усилители переменного тока только начинают использоваться в технике релейной защиты и системной автоматики. Они имеют ряд преимуществ по сравнению с усилителями постоянного тока, важнейшей из которых является возможность достаточно жесткой температурной стабилизации нулевых уровней без потерь в коэффициенте усиления. [6]
Усилители переменного тока, применяемые в автоматических потенциометрах, составляются из нескольких усилительных каскадов. В предварительных каскадах происходит усиление поступающего сигнала по напряжению, а в оконечном выходном каскаде сигнал усиливается по мощности. Каждый каскад характеризуется коэффициентом усиления, под которым понимается отношение величины сигнала, получаемого на выходе усилителя, к величине сигнала, подаваемого на вход усилителя. Общий коэффициент усиления всего усилителя равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов. [8]
Усилители переменного тока могут быть ламповыми или транзисторными. Принцип их работы рассмотрим на примере однокаскадного транзисторного усилителя, схема которого приведена на рис. 58, а. Схема каскада состоит из транзистора Т, входного и выходного конденсаторов С ] и С2, сопротивлений R, R2, Кз, обеспечивающих температурную стабилизацию положения рабочей точки транзистора, сопротивления коллекторной нагрузки RK и конденсатора С3, закорачивающего переменную составляющую тока в эмиттерной цепи. Входной управляющий сигнал подается через конденсатор С в базовую цепь усилительного каскада. [9]
Усилитель переменного тока не пропускает также низкочастотных шумов, которые в некоторых случаях оказывают более сильное влияние на полезный сигнал, чем температурный дрейф. [10]
Усилители переменных токов не имеют недостатков, свойственных УПТ. В связи с этим одним из методов повышения стабильности УПТ является применение двукратного преобразования частоты сигнала с промежуточным усилением по переменному току. [12]
Усилитель переменного тока в – приборах ЭПД, ЭМД и ЭП-120 состоит из трех каскадов усилителя напряжения и одного каскада усилителя мощноспи. [14]
Страницы: 1 2 3 4 5
Усилители на полевых транзисторах
Связь Усилители на полевых транзисторах
просмотров – 440
В качестве примера рассмотрим RС-усилитель на полевом транзисторе с p-n-переходом, включенном с общим истоком (рис. 6). Используем транзистор с каналом n –типа.
Для используемого транзистора начальное напряжение и_из должно быть положительным (p-n -переход должен находиться под запирающим напряжением). С целью получения этого напряжения в цепь истока включают резистор R_И на котором возникает падение напряжения и_R_И от протекания по нему начального тока истока I_ИН. Напряжение и_R_И через резистор R₃ передается на затвор. Так как ток затвора полевого транзистора пренебрежимо мал, падение напряжения на сопротивлении R₃ практически равно нулю, в связи с этим и_из = u_R_И
Рисунок 6
Рассмотренную схему обеспечения начального режима работы называют схемой с автоматическим смещением.
Пусть задан начальный ток стока (I_СН = I_ИН) и начальное напряжение U_изн между истоком и затвором. Тогда сопротивление R_И следует выбрать из соотношения
Сопротивление R_з обычно выбирают порядка 1Мом.
Полезно отметить, что рассматриваемая схема обеспечения начального режима работы характеризуется повышенной стабильностью. В случае если по каким-либо причинам начальный ток стока I_СН начнет увеличиваться, то это приведет к увеличению напряжений U_R_И и U_И3, что будет препятствовать значительному увеличению тока I_СН.
Модуль коэффициента усиления каскада в области средних частот определяется равенством
где S-крутизна стокозатворной характеристики полевого транзистора, определяемая по справочникам.
Назначение конденсаторов С₁, С₂ и С₄ аналогично назначению соответствующих конденсаторов RC – усилителя на биполярном транзисторе.
Частотные характеристики рассматриваемого усилителя подобны частотным характеристикам RC – усилителя на биполярном транзисторе.
ЛИНЕЙНЫЕ СХЕМЫ НА ОСНОВЕ
ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ (ОУ)
Как уже отмечалось, операционные усилители в настоящее время используются в самых различных электронных устройствах. Их широко применяют как в аналоговых, так и в импульсных устройствах электроники. В то же время существуют и часто используются типовые линейные схемы на основе операционных усилителей. Такие типовые схемы должен знать каждый инженер, использующий электронные устройства. Именно такие схемы рассматриваются ниже.
Очень полезно овладеть достаточно простыми приемами ручного анализа электронных схем на основе операционных усилителей. Это значительно облегчит понимание принципа действия конкретных устройств электроники и будет способствовать получению достоверных результатов машинного анализа. Указанные приемы анализа основаны на ряде допущений, принимаемых в предположении, что используемые операционные усилители достаточно близки к идеальным. Практика расчетов показывает, что результаты, получаемые на основе допущений, имеют вполне приемлемую погрешность.
Примем следующие допущения:
1. Входное сопротивление операционного усилителя равно бесконечности, токи входных электродов равны нулю ( ).
2. Выходное сопротивление операционного усилителя равно нулю, т. е. операционный усилитель со стороны выхода является идеальным источником напряжения (R_вых = 0).
3. Коэффициент усиления по напряжению (коэффициент усиления дифференциального сигнала) равен бесконечности, а дифференциальный сигнал в режиме усиления равен нулю (при этом не допускается закорачивания выводов операционного усилителя).
4. В режиме насыщения напряжение на выходе равно по модулю напряжению питания, а знак определяется полярностью входного напряжения. Полезно обратить внимание на тот факт, что в режиме насыщения дифференциальный сигнал нельзя всегда считать равным нулю.
5. Синфазный сигнал не действует на операционный усилитель.
6. Напряжение смещения нуля равно нулю.
Инвертирующий усилитель на основе ОУ
Рассмотрим схему инвертирующего усилителя (рис. 2.25), из которой видно, что в ней действует параллельная обратная связь по напряжению. Так как i_– = 0, то в соответствии с первым законом Кирхгофа i₁=i₂.
Рисунок 7
Предположим, что операционный усилитель работает в режиме усиления, тогда и_диф = 0. В соответствии с этим на основании второго закона Кирхгофа получим
Учитывая, что i₁=i₂ получаем
Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, инвертирующий усилитель характеризуется коэффициентом усиления по напряжению, равным
Для уменьшения влияния входных токов операционного усилителя на выходное напряжение в цепь неинвертируюшего входа включают резистор с сопротивлением R₃(рис. 8), ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ определяется из выражения
Рисунок 8
Входное сопротивление инвертирующего усилителя на низких частотах значительно ниже собственного входного сопротивления операционного усилителя. Это полностью соответствует сделанному раннее выводу о том, что параллельная отрицательная обратная связь, имеющая место в схеме, уменьшает входное сопротивление. Учитывая, что и_диф ≈ 0, легко заметить, что входное сопротивление усилителя на низких частотах приблизительно равно R₁.
Выходное сопротивление инвертирующего усилителя на низких частотах R_вых._oc существенно меньше выходного сопротивления на низких частотах R_вы_x собственно операционного усилителя. Это является следствием действия отрицательной обратной связи по напряжению.
Можно показать, что
где К – коэффициент усиления по напряжению операционного усилителя.
Схемы с диодами
и стабилитронами на основе ОУ
Рассматриваемые схемы являются нелинейными, так как содержат нелинейные элементы – диоды и стабилитроны. При этом часто такие схемы анализируют, без использования ЭВМ, как линейные. При этом часто диоды и стабилитроны считают идеальными и заменяют открытые диоды и стабилитроны закоротками, запертые диоды и стабилитроны – разрывами, а стабилитроны, работающие в режиме пробоя, – источниками напряжения.
При использовании подобных способов линеаризации нелинейных схем основная проблема состоит в том, чтобы перед анализом определить, в каком режиме работает каждый нелинейный элемент. Здесь большую помощь может оказать опыт анализа подобных схем. Пусть сделано неĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ предположение о состоянии нелинейных элементов (к примеру, предполагается, что первый диод открыт, второй закрыт и т. д.). Тогда после анализа схемы, выполненного на основе этого предположения, необходимо проверить его правильность. К примеру, крайне важно убедиться, что через предположительно открытый диод, замененный закороткой, ток протекает в прямом направлении. При машинном анализе схемы, подобные рассматриваемым, анализируются как нелинейные.
Для примера выполним анализ схемы на рис. 9, предполагая, что диоды – идеальные. Пусть вначале и_вх = 1В. В случае если диод D1 открыт (заменяем его закороткой), а диод D2 – закрыт (заменим его разрывом), то получим эквивалентную схему, приведенную на рис. 10. Из данной схемы следует, что
Рисунок 9
Рисунок 10
Рисунок 11
Проверим правильность сделанного предположения, для чего определим ток i_D₁ диода D₁ и напряжение u_D₂диода D₂. Используя допущение о том, что и_диф =0, получаем u_D₂ = -2 В и i_D₁ = 0,2 мА. Так как напряжение на диоде D₂ отрицательное, а ток через диод D₁ положителен, можно утверждать, что предположение было правильным.
Пусть теперь и_вх = -1 В. Предположим, что диод D₁закрыт, а диод D₂ открыт. Тогда получим эквивалентную схему, приведенную на рис. 11, из которой получаем, что
Для проверки правильности сделанного предположения определим i_D₂:
Очевидно, что i_D₁=0. Полученные результаты позволяют утверждать, что предположение было правильным.
УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Усилитель называют усилителем постоянного тока (УПТ), если он может усиливать постоянные и медленно изменяющиеся сигналы. Такой усилитель может использоваться и для усиления переменных сигналов.
Выше рассмотрены операционные усилители, являющиеся усилителями постоянного тока. Но внутреннее устройство операционных усилителей не рассматривалось.
Для того, чтобы постоянные или медленно изменяющиеся сигналы могли быть переданы с входа усилителя на его выход, должны использоваться только гальванические связи между отдельными частями усилителя или эти сигналы должны быть преобразованы в переменные. Полученные переменные сигналы бывают усилены с помощью усилителей переменного тока, в которых гальванические связи разорваны с помощью конденсаторов или трансформаторов. После усиления переменные сигналы должны быть преобразованы в постоянные или медленно изменяющиеся.
При построении УПТ с использованием гальванической связи между каскадами получают УПТ, которому присуще такое вредное явление, как дрейф нуля. Под дрейфом нуля понимают самопроизвольное изменение выходного напряжения при неизменном нулевом входном. Основными причинами дрейфа нуля усилителя являются: изменение параметров элементов схемы, прежде всего транзисторов, за счет изменения температуры окружающей среды; изменение питающих напряжений; постоянное изменение параметров активных и пассивных элементов схемы, вызванное их старением. Сигнал дрейфа нуля может быть соизмерим с полезным сигналом, поэтому при построении УПТ принимают меры по снижению дрейфа нуля. Основными мерами снижения дрейфа являются жесткая стабилизация источников питания усилителей, использование отрицательных обратных связей, применение балансных компенсационных схем УПТ, использование элементов с нелинейной зависимостью параметров от температуры для компенсации температурного дрейфа, применение УПТ с промежуточным преобразованием и др.
Важным вопросом при построении УПТ является также согласование потенциалов соседних каскадов, согласование источника входного сигнала с УПТ, а также подключение нагрузки к УПТ таким образом, чтобы при нулевом входном напряжении напряжение на нагрузке было также равно нулю. По этой причине простейшие УПТ, состоящие из нескольких каскадов, включенных последовательно и соединенных гальванической (непосредственной) связью, даже при условии согласования потенциалов обладают рядом недостатков, главным из которых является дрейф нуля.
Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, для устранения отмеченных выше недостатков УПТ строят в виде параллельно-балансных каскадов, представляющих собой сбалансированный мост, в одно плечо которого включена нагрузка, а в другое -источник питания. Схема такого УПТ приведена на рис. 12.
Коллекторные сопротивления R_K₁ и R_К2, транзисторы Т₁и Т₂, резистор R_Э образуют мост, к одной диагонали которого подключен источник питания Е_К, а в другую диагональ – между коллекторами транзисторов – включается нагрузка.
Рисунок 12
При нулевых входных сигналах и полной симметрии схемы (R_К1 = R_K₂, Т₁ и Т₂ одинаковы) потенциалы коллекторов транзисторов Т₁ и Т₂ одинаковы и и_вых, равное u_K₁-u_K₂, равно нулю. Высокая стабильность схемы объясняется тем, что при изменении напряжения источника питания или при одинаковых изменениях параметров транзисторов (к примеру, за счет температуры) потенциалы обоих коллекторов получают равные приращения и, следовательно, выходное напряжение остается равным нулю. В реальных схемах всегда имеется некоторая несимметрия плеч и существует некоторый дрейф нуля, хотя он и значительно меньше, чем в других схемах. Входной сигнал в этой схеме может подаваться либо между базами, либо на одну из баз при фиксированном потенциале другой.
Представив R_Э в виде двух параллельно соединенных сопротивлений удвоенной величины (см. пунктир на рис. 12), можно увидеть, что рассматриваемый УПТ представляет собой два каскада с эмиттерной стабилизацией, объединенных соответствующим образом (см. вертикальные разделительные линии). Включив последовательно с R_Э дополнительный источник Е_Э, можно обеспечить такой начальный режим работы транзисторов, при котором потенциалы входов равны нулю и, следовательно, возможно убрать из схемы сопротивления делителей R₁ , R₂, R₃, R₄. В результате получится схема дифференциального усилителя.
Усилитель постоянного тока с модуляцией и демодуляцией
(усилитель типа МДМ)
В усилителях рассматриваемого типа входной постоянный или медленно изменяющийся сигнал, как уже отмечалось, преобразуется (модулируется) в переменный сигнал повышенной частоты. Полученный сигнал усиливается с помощью усилителя переменного напряжения, а затем вновь преобразуется (демодулируется) в постоянный или медленно изменяющийся. Частота переменного напряжения часто составляет десятки килогерц.
Структурная схема усилителя типа МДМ приведена на рис. 2.13. Модулятор преобразует постоянный или медленно изменяющийся входной сигнал в переменное напряжение с частотой/_оп, определяемой генератором опорного напряжения, и амплитудой, пропорциональной входному сигналу. Переменное напряжение и_м с выхода модулятора поступает на вход низкочастотного усилителя переменного тока. Демодулятор – фазочувствительный выпрямитель – преобразует переменное напряжение в постоянное, причем величина постоянного напряжения пропорциональна амплитуде переменного напряжения, а следовательно, пропорциональна входному сигналу.
Временные диаграммы указанных на схеме напряжений, поясняющие работу усилителя, приведены на рис. 2.14.
Вследствие того, что в усилителях типа МДМ разорваны гальванические связи между каскадами, удается достичь высокого качества усиления, так как дрейф нуля в данной схеме отсутствует. Такие усилители могут использоваться в высокоточных (прецизионных) устройствах. Еще одним достоинством усилителей типа МДМ является возможность изолировать с помощью трансформатора входную и выходную части. Изолирующие усилители широко используются, к примеру, в медицинской электронике.
Рисунок 13
Рисунок 14
УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ
(мощные выходные усилители)
Усилителем мощности называют усилитель, предназначенный для обеспечения заданной мощности нагрузки Р_Нпри заданном сопротивлении нагрузки R_H. Усилитель мощности является примером устройств силовой электроники. Основная цель при разработке таких устройств состоит в том, чтобы отдать нагрузке заданную мощность.
В противоположность устройствам силовой электроники при проектировании устройств информативной (информационной) электроники основная цель состоит в том, чтобы выполнить заданную обработку сигнала и получить выходные сигналы, содержащие ту или иную информацию о входных сигналах. В качестве примера можно назвать устройства, определяющие в какой момент времени входной сигнал принимает максимальное значение. В устройствах информативной электроники, как правило, стремятся снизить мощность обрабатываемых сигналов до такого уровня, при котором помехоустойчивость устройства еще приемлема. Получается в устройствах силовой электроники такую задачу нельзя ставить в принципе.
Реальное устройство может содержать черты как силовой, так и информативной электроники, но об указанном различии следует постоянно помнить. Необходимо отметить, что функции устройств информативной электроники все чаще берут на себя микропроцессоры. Но микропроцессоры, естественно, не в состоянии выполнять функции устройств силовой электроники.
На усилитель мощности, как правило, приходится подавляющая часть мощности, потребляемая тем устройством, составной частью которого он является. По этой причине всемерное внимание уделяется повышению коэффициента полезного действия усилителя мощности. Другой важной проблемой является уменьшение габаритных размеров и веса усилителя мощности, так как они часто определяют габаритные размеры и вес всего устройства. Проблемы повышения коэффициента полезного действия и уменьшения габаритных размеров тесно связаны, потому что габаритные размеры и вес усилителя сильно зависят от габаритных размеров и веса охладителей. Чем больше коэффициент полезного действия, тем меньше габаритные размеры и вес усилителя.
Транзисторы усилителей мощности работают в режиме большого сигнала, когда амплитуды переменных составляющих токов и напряжений достаточно велики. При этом заметно проявляются нелинейные свойства транзисторов и возникают нелинейные искажения входного сигнала. С другой стороны, обычно не допускается, чтобы выходной сигнал был сильно искаженным.
Уровень нелинейных искажений и КПД усилителя мощности существенно зависят от начального режима работы, причем нелинейные искажения обусловливаются нелинейностью не только входных, но и выходных характеристик транзисторов, так как они работают в режиме большого сигнала. Минимально возможный уровень нелинейных искажений можно обеспечить в режиме класса А, а максимально возможный КПД – в режиме классов В или АВ.
Усилители мощности бывают однотактные и двухтактные, причем первые работают в режиме класса А, а вторые – в режиме классов В или АВ. Однотактные усилители мощности применяются при относительно малых выходных мощностях (единицы ватт).
В соответствии с требованием обеспечить заданную мощность нагрузки Р_Н при разработке усилителя мощности должен быть решен вопрос о соответствующем выборе напряжения питания усилителя Е. Предположим, что усилитель с указанным напряжением питания может создать на нагрузке синусоидальный сигнал с максимально возможной амплитудой напряжения
Тогда максимально возможная мощность нагрузки P_H_МАКС определится выражением
Откуда
В случае если по каким-либо причинам выбрать полученное значение Е не представляется возможным, для согласования усилителя и нагрузки можно использовать трансформатор. При этом трансформатор часто является нежелательным элементом усилителя мощности, так как это сравнительно дорогое и сложное в изготовлении устройство.
Рассмотрим согласование нагрузки и усилителя с помощью трансформатора (рис. 15). Через W₁ и W₂ обозначено соответственно количество витков первичной и вторичной обмоток трансформатора, а через и_вых и R_вых – соответственно выходное напряжение и выходное сопротивление усилителя.
Рисунок 15
При определении мощности нагрузки эту схему можно заменить эквивалентной схемой, приведенной на рис. 16. В ней через R’_н обозначено приведенное сопротивление нагрузки
где n – коэффициент трансформации
Рисунок 16
Изменяя коэффициент трансформации, можно добиться крайне важного согласования усилителя и нагрузки, причем известно, что максимальная мощность в нагрузку отдается при R_вых = R’_H. Отсюда определим оптимальное значение коэффициента трансформации:
Трансформаторные усилители мощности
Рассмотрим однотактный усилитель мощности, в котором трансформатор включен по схеме с ОЭ (рис. 17). Трансформаторы TP₁ и ТР₂ предназначены для согласования нагрузки и выходного сопротивления усилителя и входного сопротивления усилителя с сопротивлением источника входного сигнала соответственно. Элементы R и D обеспечивают начальный режим работы транзистора, а С увеличивает переменную составляющую, поступающую на транзистор Т.
Для анализа схемы изобразим семейство выходных характеристик транзистора, линии нагрузки и временные диаграммы (рис. 18). Линия 1 – это линия нагрузки по постоянному току, выходящая из точки, соответствующей Е_К, а наклон ее определяется омическим сопротивлением первичной обмотки трансформатора ТР₂. Точка 0 является начальной рабочей точкой транзистора. Через нее проходит линия нагрузки по переменному току 2, наклон которой определяется приведенным сопротивлением нагрузки. Из графических построений следует, что напряжение на транзисторе может достигать почти удвоенной величины Е_К.
Проведём количественный анализ рассматриваемой схемы:
где – выходная мощность, приведённая к первичной обмотке трансформатора ТР₂;
где – КПД ТР₂ ( = 0,75 ÷0,95).
Мощность, потребляемая усилителем от источника питания, Следовательно, КПД усилителя
Для идеального усилителя а следовательно, теоретический КПД усилителя η_теор= 0,5. Реальный же КПД
η_реал = 0,3÷0,35.
Рассмотрим двухтактный усилитель мощности (рис. 17). Транзисторы бывают включены по схеме либо с ОЭ (рис. 17, а), либо с ОБ (рис. 17, б).
Обе схемы могут работать в режиме класса В (резисторы R₁ и R₂ не используются) либо в режимах классов АВ или А (резисторы R₁ и R₂ обеспечивают соответствующий начальный режим работы транзисторов).
Временные диаграммы, соответствующие классу В (рис. 18), показывают, что двухтактный усилитель можно рассматривать как две независимые схемы, работающие поочередно, каждая в течение полупериода входного сигнала. Проведем количественный анализ двухтактного усилителя, работающего в режиме класса В при включении транзисторов по схеме с общей базой (рис. 2.43, б). Средний ток (постоянная составляющая) каждого из транзисторов с учетом обратного тока I_к0.
Рисунок 17
Рисунок 18
Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, ток и мощность, потребляемые усилителем от источника тока, соответственно равны:
где
Так же, как это делалось ранее для однотактного усилителя мощности, определим а
Следовательно, КПД двухтактного усилителя мощности в режиме класса В
Для идеального усилителя а следовательно, теоретический КПД Реальный же КПД составляет 0,6÷0,7.
Поскольку трансформатор является нежелательным элементом усилителей мощности, так как имеет большие габариты и вес, относительно сложен в изготовлении, то в настоящее время наибольшее распространение находят бестрансформаторные усилители мощности.
Бестрансформаторные усилители мощности
Рассмотрим двухтактный усилитель мощности на биполярных транзисторах различного типа проводимости на вход усилителя положительной полуволны напряжения и_вх транзистор Т₁ работает в режиме усиления, а транзистор Т₂ – в режиме отсечки. При поступлении отрицательной полуволны транзисторы меняются ролями. Так как напряжение между базой и эмиттером открытого транзистора мало (около 0,7 В), напряжение и_вых близко к напряжению и_вх. При этом выходное напряжение оказывается искаженным из-за влияния нелинейностей входных характеристик транзисторов. Для рассматриваемого усилителя максимально возможная амплитуда напряжения на нагрузке U_m равна Е. По этой причине максимально возможная мощность нагрузки определяется выражением
Можно показать, что при максимальной мощности нагрузки усилитель потребляет от источников питания мощность, определяемую выражением
Отсюда получаем максимально возможный коэффициент полезного действия усилителя
Для уменьшения нелинейных искажений обеспечивают неĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ начальное смещение на входах транзисторов и тем самым переводят их в режим класса АВ (рис. 19). При этом коэффициент полезного действия несколько уменьшается.
Рисунок 19
Рассмотрим двухтактный усилитель мощности с операционным усилителем (рис. 20). В схеме использована общая отрицательная обратная связь (резисторы R_x и R₂), охватывающая оба каскада (на операционном усилителе и на биполярных транзисторах), благодаря которой схема создает настолько малые нелинейные искажения, что часто не требует дополнительных цепей смещения для каскада на транзисторах Т₁и Т₂. Поскольку напряжение на нагрузке R_н примерно равно напряжению на выходе ОУ, то мощность на выходе всего усилителя ограничивается выходным напряжением ОУ.
Рисунок 20
АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ
Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП, DAC – Digital to Analog Converter) предназначены для преобразования цифровых сигналов в аналоговые. Οʜᴎ используются для формирования сигнала в виде напряжения или тока, функционально связанного с управляющим кодом, причем в большинстве случаев эта функциональная зависимость является линейной. ЦАП преобразует цифровой (двоичный или двоично-десятичный) код в напряжение или ток, значения которых пропорциональны цифровому сигналу. Так, к примеру, на вход четырехбитового ЦАП могут поступать 16 различных двоичных чисел (2⁴ = 16) и каждому такому числу будет соответствовать строго свое значение напряжения на выходе ЦАП или величина выходного тока. Очевидно, что с увеличением количества входов ЦАП увеличивается количество возможных значений выходного параметра, а разность между двумя их соседними значениями уменьшается, т. е. формируется выходной сигнал, все более близкий к аналоговой величине.
Такое преобразование цифрового сигнала в аналоговый крайне важно, к примеру, при восстановлении аналогового сигнала, предварительно преобразованного в цифровой сигнал для передачи на большое расстояние или хранения (таким сигналом, в частности, может быть звук).
Другой пример использования такого преобразования — получение управляющего сигнала при цифровом управлении устройствами, режим работы которых определяется непосредственно аналоговым сигналом (что, в частности, имеет место при управлении двигателями).
ЦАП применяются в системах передачи данных, в измерительных приборах (вольтметры, генераторы, цифровые осциллографы и т. п.), в компьютерных системах (формирование изображений на экранах дисплеев и т. п.), в радиолокационной технике и во многих других областях.
К основным параметрам ЦАП относят разрешающую способность, время установления, погрешность нелинейности, погрешность смещения нуля и др.
Разрешающая способность – величина, обратная максимальному числу шагов квантования. Иногда разрешающую способность ЦАП оценивают величиной шага квантования, т. е. величиной выходного напряжения при изменении входного кода на единицу младшего разряда. Очевидно, что разрешающая способность тем выше, чем больше разрядность ЦАП.
Время установления t_yc_т – интервал времени от подачи кода на вход до момента͵ когда выходной сигнал войдет в заданные пределы, определяемые погрешностью.
Погрешность нелинейности – максимальное отклонение графика изменения выходного напряжения от идеальной прямой во всем диапазоне преобразования.
Погрешность смещения нуля – значение, на ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ выходной сигнал смещается относительно нуля, когда входной код соответствует нулю.
Все ЦАП классифицируют по ряду признаков: принципу действия, по виду выходного сигнала, по характеру источника опорного напряжения, по полярности выходного сигнала и др.
Кроме этого ЦАП подразделяют по количеству входных разрядов, элементной базе, времени установления, потребляемой мощности, напряжению питания и т. п.
По принципу действия наибольшее распространение получили ЦАП с суммированием токов, делением напряжений и суммированием напряжений.
По виду выходного сигнала все ЦАП разделяют на ЦАП с токовым выходом и ЦАП с выходом по напряжению.
По характеру источника опорного напряжения различают ЦАП с постоянным опорным напряжением и с изменяющимся опорным напряжением.
По полярности выходного сигнала ЦАП подразделяют на одно- и двухполярные.
Как и рассматриваемые ниже аналого-цифровые преобразователи (АЦП), ЦАП являются «связующим звеном» между аналоговой и цифровой электроникой. Существуют различные принципы построения ЦАП.
Рассмотрим наиболее используемые из них. На рис. 21 приведена схема ЦАП с суммированием весовых токов.
Рисунок 21
Ключ S₅ замкнут только тогда, когда разомкнуты все ключи S₁…S₄ (при этом U_вых = 0). U₀ – опорное напряжение. Каждый резистор во входной цепи соответствует определенному разряду двоичного числа.
По существу данный ЦАП – инвертирующий усилитель на основе операционного усилителя. Анализ такой схемы не представляет затруднений. Так, если замкнут один ключ S₁, то U_вых=-U₀·R_oc/R , что соответствует единице в первом и нулям в остальных разрядах.
Из анализа схемы следует, что модуль выходного напряжения пропорционален числу, двоичный код которого определяется состоянием ключей S₁…S₄. Токи ключей S₁…S₄ суммируются в точке а, причем токи различных ключей различны (имеют разный «вес»). Это и определяет название схемы. Из вышеизложенного следует, что
ᴛ.ᴇ.
где S_i, i = 1, 2, 3, 4 принимает значение 1, если соответствующий ключ замкнут, и 0, если ключ разомкнут.
Состояние ключей определяется входным преобразуемым кодом. Схема проста͵ но имеет недостатки: значительные изменения напряжения на ключах и использование резисторов с сильно отличающимися сопротивлениями. Требуемую точность этих сопротивлений обеспечить затруднительно.
Рассмотрим ЦАП на основе резистивной матрицы R-2R (матрицы постоянного сопротивления) (рис. 22). В схеме использованы так называемые перекидные ключи S₁…S₄, каждый из которых в одном из состояний подключен к общей точке, в связи с этим напряжения на ключах невелики. Ключ S₅ замкнут только тогда, когда все ключи S₁…S₄ подключены к общей точке. Во входной цепи использованы резисторы всего с двумя различными значениями сопротивлений.
Рисунок 22
Из анализа схемы можно увидеть, что и для нее модуль выходного напряжения пропорционален числу, двоичный код которого определяется состоянием ключей S₁…S₄. Анализ легко выполнить, учитывая следующее. Пусть каждый из ключей S₁…S₄ подключен к общей точке. Тогда, как легко заметить, напряжение относительно общей точки в каждой следующей из точек a…d в 2 раза больше, чем в предыдущей. К примеру, напряжение в точке b в 2 раза больше, чем в точке а (напряжения U_a, U_b,U_си U_dв указанных точках определяются следующим образом: U_d= U₀; U_c = U₀/2; U_b = U₀/4; U_a = U₀/8). Допустим, что состояние указанных ключей изменилось. Тогда напряжения в точках a…d не изменятся, так как напряжение между входами операционного усилителя практически нулевое.
Нетрудно видеть, что особенностью данной матрицы является то, что при любом положении ключей S₁…S₄входное сопротивление матрицы всегда равно R, а следовательно, ток, втекающий в матрицу от источника опорного напряжения U₀ , всегда равен I₀= U₀/R. Далее он последовательно делится в узлах матрицы d, c, b, a по двоичному закону.
Для представления каждого разряда десятичного числа используется отдельная матрица R-2R (обозначены прямоугольниками). Z₀…Z₃ обозначают числа, определенные состоянием ключей каждой матрицы R-2R. Принцип действия становится понятным, если учесть, что сопротивление каждой матрицы R, и если выполнить анализ фрагмента схемы, представленного на рис. 23.
Из анализа следует, что
где
Следовательно, С учётом этого получим
Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, в рассмотренных схемах с помощью операционного усилителя осуществляется преобразование двоично-масштабированных токов в выходное напряжение. При этом операционные усилители являются самыми медленнодействующими частями ЦАП. Более высокое быстродействие обеспечивают ЦАП с токовым выходом. Токи в таких ЦАП можно сформировать с помощью матрицы транзисторных источников тока с масштабирующими эмиттерными резисторами или используя матрицу R-2R из эмиттерных резисторов. Рассмотрим оба эти варианта. На рис. 24 представлена схема четырехразрядного ЦАП с матрицей R-2R, а на рис. 25 – ЦАП с масштабирующими эмиттерными резисторами.
Рисунок 23
Преобразователь опорного напряжения в ток построен на основе операционного усилителя ОУ, транзистора Т₀ и образцового резистора R₀, и опорный ток равен I₀ = U₀/R₀. Напряжения на базах транзисторов источников разрядных токов равны напряжению на базе транзистора Т₀ (все базы транзисторов соединены), в связи с этим токи в них определяются матрицей R-2R (рис. 24) или матрицей масштабирующих (взвешенных) резисторов R…8R (рис. 25) и удваиваются от транзистора к транзистору. Так, ток в транзисторе T₁ в два раза меньше, чем в транзисторе Т₂, в 4 раза меньше, чем в транзисторе T₃ и в 8 раз меньше, чем в транзисторе T₄, т. е. ключ S₁ соответствует младшему разряду четырехразрядного двоичного числа, а S₄ – старшему разряду. В случае если ключ S_i находится в левом положении, то это соответствует единице в соответствующем i-м разряде входного числа. Правое положение ключа S_i соответствует нулю в этом i-м разряде. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, через транзисторы Т₄-T₁ протекают двоично-взвешенные токи и транзисторы имеют соотношение площадей 8:4:2:1 соответственно. Изменение этих токов от расчетных величин контролируется по ток

Читайте также

– Усилители на полевых транзисторах
В качестве примера рассмотрим RС-усилитель на полевом транзисторе с p-n-переходом, включенном с общим истоком (рис. 6). Используем транзистор с каналом n –типа. Для используемого транзистора начальное напряжение ииз должно быть положительным (p-n -переход должен находиться… [читать подробенее]

Практическая конструкция усилителя с общим эмиттером
– TECH Inside
Вселенная началась с большого взрыва, точно так же, как история электроники началась с транзисторов. Я посвящаю эту страницу наиболее распространенному применению биполярных транзисторов (BJT), в частности, транзистору NPN. В этом посте вы найдете практический дизайн и анализ усилителя с общим эмиттером класса А. Моим любимым программным обеспечением SPICE является LTspice, и я буду использовать его для моделирования и проверки конструкции. Готов идти ?
Обо всем по порядку.Давайте посмотрим на принципиальную схему нашего усилителя.
Несмотря на то, что существуют более подробные образцы передового опыта, приведенная выше схема лучше всего подходит для учебных целей. Он работает с однополярным питанием и имеет каскад смещения постоянного тока, а также элементы связи по переменному току.
Технические характеристики
Начнем с определения желаемых требований ввода-вывода и условий нагрузки усилителя.
Выбор транзистора
Для простого урока я решил выбрать транзистор с хорошей таблицей данных и хорошей предустановленной моделью в LTspice.Варианты были ограничены, поэтому я выбрал 2SC4102, транзистор малого тока от ROHM. Напряжение база-эмиттер и выходные характеристики, показанные ниже, дают достаточно информации.
Смещение постоянного тока
Конструкция
класса A требует, чтобы транзистор находился в своей активной области даже при отсутствии входного сигнала. Нам нужно заменить все конденсаторы с разомкнутой цепью (из-за того, что конденсаторы не допускают элементов постоянного тока) и устранить ненужные части, чтобы иметь следующее.
Каждой цепи нужен источник питания, поэтому я не вижу причин, которые мешают нам выбрать для этой схемы В, _CC = 20 В, . Во-вторых, мы можем выбрать напряжение коллектор-эмиттер и ток покоя, глядя на Рис. 2 . Мы можем выбрать любую точку на рис. 2 произвольно в зависимости от приложения, как показано ниже.
При сделанных выше предположениях мы можем получить линию нагрузки (также известную как Q-точка) усилителя.
Глядя на кривые, мы можем аппроксимировать параметр усиления транзистора β для нашей желаемой рабочей точки I _CQ = 5 мА и В _CEQ = 10 В . Затем мы можем выбрать напряжения коллектора и эмиттера в состоянии покоя.
Еще одно необходимое нам значение, скрытое на рис. 1, это В _BEQ напряжение база-эмиттер в точке Q.
Это конец предположениям.Теперь можем рассчитать резисторы смещения R ₁ и R ₂. На практике мы можем выбрать ток R ₁ как 10-кратный базовый ток и ток R ₂ как 9-кратный. (Примечание: для высокоскоростных приложений нам нужно еще раз подумать)
Здесь я приблизил значения резисторов к ближайшим 10% стандартного сопротивления E12, поскольку это округление не меняет кардинально условия работы. Найдем коллекторные и эмиттерные резисторы.
Анализ переменного тока
В отличие от предыдущей части, теперь мы должны заменить все источники постоянного напряжения и конденсаторы короткозамкнутыми (потому что мы выберем конденсаторы таких номиналов, чтобы они проходили расчетную входную частоту переменного тока с небольшим затуханием), чтобы получить модель усилителя переменного тока. . Результат следующий.
Теперь давайте рассчитаем размах выходного сигнала и базовый ток, используя R _из эквивалентного выходного сопротивления.
Работа
переменного тока показана на следующем графике. При изменении тока базы соответственно изменяются ток коллектора и напряжение коллектор-эмиттер. Видно, что при увеличении тока базы и коллектора напряжение коллектор-эмиттер уменьшается, вызывая разность фаз 180 * между входом и выходом.
Обратите внимание, что транзистор имеет собственное сопротивление эмиттера, которое обозначено как r _E в эквивалентной схеме переменного тока, и его приблизительное значение зависит от теплового напряжения В _T (~ 26 мВ при 25 ° C) и покоящегося эмиттера. ток I _EQ .Сопротивление, которое видно из базы, составляет β раз, и входное сопротивление зависит от его значения.
Наконец, поскольку нам нужно пропустить ток I _{B (PP)} на внутренний резистор r _B, , напряжение на r _B должно контролироваться с помощью истокового резистора R _S и его значение рассчитано ниже.
Усиление усилителя
Теоретический коэффициент усиления зависит только от выходного сопротивления и внутреннего сопротивления эмиттера разработанного усилителя, в то время как на общий коэффициент усиления влияет также сопротивление источника.
Конденсаторы связи переменного тока
Конденсаторы связи должны успешно обходить смещение постоянного тока. Вот почему они должны быть выбраны с емкостным сопротивлением менее 1% X _C , чем эквивалентные сопротивления, которые они обходят.
На основе значений, полученных во время проектирования, строится симуляция LTspice. Обратите внимание, что для T _A установлено значение 25 * C.
Характеристики усилителя показаны ниже.
Амплитуда выходного сигнала составляет ± 4,9 В, что очень близко к желаемому выходному сигналу ± 5 В, а коэффициент усиления -49 очень близок к расчетному коэффициенту усиления -48. Причины различия – предположения, приближения и вариации модели. Нетрудно догадаться, что реальная схема будет иметь большую погрешность.
Файлы дизайна
Вы можете скачать файлы моделирования LTspice здесь.
Целью этой статьи было помочь вам разработать базовый усилитель переменного тока. Конечно, на пути к успешному продукту есть еще кое-что.Рабочая температура будет большой проблемой для разработчика, в то время как шум и частота сигнала – другие проблемы. Берегитесь, пока не получите более подробное руководство?
Теги: усилитель, В архиве, bjt, общий эмиттер, npn, транзистор, конструкция транзисторного усилителя
Принцип схемы базового транзисторного усилителя
Транзистор усиливает ток, потому что ток коллектора равен току базы, умноженному на коэффициент усиления по току, b. Базовый ток транзистора очень мал по сравнению с токами коллектора и эмиттера.Из-за этого ток коллектора примерно равен току эмиттера.
Имея это в виду, давайте посмотрим на схему на рисунке. Напряжение переменного тока Vs накладывается на напряжение смещения постоянного тока VBB посредством емкостной связи, как показано. Напряжение смещения постоянного тока VCC подключено к коллектору через резистор коллектора RC.
Рис. Базовая схема усилителя транзистора с наложенным напряжением источника переменного тока Vs и напряжением смещения постоянного тока VBB.
Входное переменное напряжение создает переменный базовый ток, что приводит к гораздо большему переменному току коллектора.Коллекторный ток переменного тока создает переменное напряжение на RC, таким образом создавая усиленное, но инвертированное воспроизведение входного переменного напряжения в активной области работы, как показано на рисунке выше.
Переход база-эмиттер с прямым смещением имеет очень низкое сопротивление для сигнала переменного тока. Это внутреннее сопротивление эмиттера переменного тока обозначено на рисунке re и отображается последовательно с RB. Базовое напряжение переменного тока
Vb = Ie.re
Напряжение коллектора переменного тока, Vc, равно падению переменного напряжения на RC.
Vc = IcRC
Поскольку Ic = Ie, напряжение коллектора переменного тока равно
Vc = IeRC
Vb можно рассматривать как входное напряжение переменного тока транзистора, где Vb = Vs – IbRB. Vc можно рассматривать как выходное переменное напряжение транзистора. Поскольку коэффициент усиления по напряжению определяется как отношение выходного напряжения к входному, отношение Vc к Vb представляет собой коэффициент усиления по переменному напряжению Av транзистора.
Av = Vc / Vb
Замена IeRC на Vc и Ie.re на Vb дает
Приведенное выше уравнение показывает, что транзистор на рисунке выше обеспечивает усиление в виде усиления по напряжению, которое зависит от значений RC и re.
Поскольку RC всегда значительно больше по значению, чем re, выходное напряжение для этой конфигурации больше входного.
Анализ усилителя
bjt
Глава 13 Моделирование слабых сигналов и линейное усиление 2. Инвертированный выходной сигнал обусловлен направлением тока. v_c = -i_eR_3 r’e = 25 мВ / IE. Коэффициент усиления по напряжению A v примерно такой же, как у автономного усилителя CE. Вопросы к главе. 10R_2 1МГц. Вспомогательная информация. Все это сокращает эквивалентную схему до трех резисторов и транзистора.Chercher les emplois Соответствующий анализ усилителя Bjt или посылка на плюс грандиозный марш фрилансера в мире с плюсом 18 миллионов амплуа. Давайте исследуем этот и другие ответы. Магнитные поля могут быть довольно мощными, хотя их влияние быстро спадает. Поскольку на источнике постоянного тока не может развиваться переменное напряжение, он служит заземлением переменного тока. … (Биполярный транзистор) Next Next post: BJT как Switch. Любой достойный операционный усилитель имеет на входе дифференциальный усилитель, и вы никто, если не можете спроектировать его самостоятельно.\ begin {Equation} У нас есть три основные конфигурации усилителя с одним транзистором, которые можно использовать в качестве строительных блоков для создания более сложных систем усилителей, которые могут обеспечить лучшие оптимизированные характеристики и производительность. Понимание эффективной теплопроводности печатной платы, того, как расположение выводов на схемах САПР может предотвратить осложнения при проектировании печатной платы, демпфирование собственной частоты в осцилляторах и способы компенсации ее воздействия, сравнение MPPT и PWM для контроллеров заряда солнечных батарей, расчет волнового импеданса для ваших межсоединений, балансировка многослойных цепей с помощью Отверстия с покрытием: размещение и информация.200210155R | Условия использования | Конфиденциальность | О нас. В этой статье мы обсудим, как работает температурный гистерезис, и некоторые соображения по проектированию для создания контроллера температурного гистерезиса. Модель High Frequency BJT и каскодный усилитель BJT. Тогда от коллектора к эмиттеру течет большее количество тока, чем от внешней цепи к базе. Это зависит от температуры и от температуры окружающей среды двадцать градусов по Цельсию. IE = VTH + VBE-VEE / (RE + RTH / βDC) Итак, друзья, это подробный пост о смещении делителя напряжения BJT транзистора, если у вас есть какие-либо вопросы, задавайте в комментариях.Как выполнить анализ цепи линейности, температуру VRM MOSFET и способы ее регулирования, усилители BJT: общие эмиттеры и анализ постоянного тока, экологическая IoT-электроника: обеспечение устойчивости потребителей, линейные усилители вырабатывают усиленный выходной сигнал, набор инструментов для проектирования и анализа от Cadence. Каково ожидаемое усиление транзисторного усилителя BJT, если источник постоянного тока установлен на ноль вольт? 12/3/2004 Этапы анализа цепей BJT постоянным током 1/11 Джим Стайлз Univ. \ end {Equation} Анализ цепи BJT • Предполагая, что транзистор находится в активной области, решите для напряжений и токов — почему это предположение? Какова резонансная частота цепи RLC и по-разному ли она ведет себя для последовательных и параллельных цепей RLC? Сначала мы перерисовываем схему, используя модель BJT DC.Величина выходного сигнала больше, чем входного. Мы можем использовать три разные конфигурации для достижения усиления с биполярным переходным транзистором. Пример анализа малых сигналов Токи BJT в PSpice Определение точки смещения или покоя (точки Q) имеет решающее значение для проектирования печатных плат, содержащих BJT, а также других транзисторов. Моделирование PSpice имеет активную библиотеку моделей из 34 000 и продолжает расти, а также содержит возможности анализа постоянного тока для точного и быстрого моделирования любых ваших схемных требований.6. Объедините результаты анализа постоянного и переменного тока (суперпозиция), чтобы получить общие напряжения и… В приведенном ниже обсуждении основное внимание уделяется биполярному транзистору NPN. HO: Анализ слабых сигналов дифференциальной пары BJT V CC V EE R C I v O2 () t v O1 () t C Q 1 Q 2 R v 2 v BE1 + – v BE2 + – i E1 i E2. Несимметричный выход с одним входом 2. BJT также является хорошим усилителем, поскольку он может умножить слабый входной сигнал примерно в 100 раз по сравнению с его исходной силой. Собрав все три и измерив их усиление и входное / выходное сопротивление (Rin и Rout), мы сможем сравнить их относительные характеристики и, в свою очередь, сможем узнать, какой из них использовать при разработке усилителя.1/4/2011 Пример анализа слабых сигналов усилителя BJT 3/10 Теперь мы приступим к анализу постоянного тока. Выход с общей базой имеет емкостную связь от коллектора к нагрузочному резистору. Блог Advanced PCB Design | Что такое импеданс цепи RLC? 12/3/2004 Пример анализа постоянного тока цепи BJT 3/6 Джим Стайлз Univ. \ end {уравнение} 27. и BJT в качестве переключателя ELEC201 – Анализ схемы I Лекция 8 – Усилители BJT Подключение источника переменного напряжения ко входу схемы. Усилители с общей базой используют базу в качестве общей клеммы для сигнала переменного тока и емкостным образом связывают входной сигнал с эмиттером.Мы называем транзисторы с биполярным переходом усилителями малых сигналов, потому что устройствам требуется небольшое напряжение смещения для установления точки Q – или рабочей точки. Введение в диоды и выпрямители; … Мы кратко рассмотрели концепцию разделения условий сильного сигнала от поведения слабого сигнала в контексте анализа усилителя, и мы рассмотрели две структуры схемы (гибридную π-модель и T-модель), которые… Конфигурация эмиттера использует эмиттер в качестве общего вывода для сигнала переменного тока, усилители с общим коллектором или эмиттерным повторителем имеют вход, подаваемый на базу через разделительный конденсатор, и выход на эмиттере.Предположим, что BJT находится в АКТИВНОЙ области! Используя схему усилителя с общим эмиттером, показанную на рисунке в качестве примера, использование эквивалентных схем помогает при анализе схем. \ end {уравнение}. Применяя уравнение 9 к уравнению 12, коэффициент усиления по напряжению усилителя равен. Усилитель BJT работал в точке -Q с напряжением коллектора 6 В и током 6 мА. Теперь мы начинаем АНАЛИЗ схемы, записывая KVL ветви базового эмиттера: 5,8 5 0,7 5 (1) 0 BB −−− + = I β I Следовательно: 5,1 0,01 мА B 55 (101) I == + и, таким образом: 1.0 мА CB I == βI 1,01 мА Это позволит нам Фиксированная цепь смещения. Общий эмиттер BJT с цепью смещения был построен, как показано на рис. 5. Используйте эту эквивалентную схему для анализа характеристик усилителя по переменному току. Департамента Канзаса BJT AC Анализ Фазовое соотношение: отрицательный знак в A v показывает, что между входным и выходным сигналами происходит сдвиг фазы на 180 градусов. Конденсаторы считаются закороченными по переменному току (R4 закорочен на Ce), а источники постоянного тока подключены к GND (земле). Анализ BJT переменного и постоянного тока На этом слайде кратко описываются два способа анализа BJT (переменного и постоянного тока).Вопросы к главе. V_B = I_ER_4 + V_ {BE} Подача небольшого тока в базу заставляет большее количество тока течь в коллектор. шагов EECS для округа Колумбия.Благодаря щедрости наших посетителей, которые давали ранее, вы можете использовать этот сайт бесплатно. (Это также справедливо для постоянного тока смещения.) Конденсатор представляет собой разомкнутую цепь, что касается анализа постоянного тока. Движущийся электрический заряд в качестве побочного продукта создает магнитное поле. \ end {Equation} – () II BB + = Следовательно: 5.0 – 210 I B = 0 1 уравнение и 1 неизвестное! Возвращаясь к базилярной мембране и улитке, мы видим нелинейный усилитель, потому что амплитуда движения непропорциональна по сравнению с уровнем звукового давления. Искусство подавления помех на печатной плате в сборе, управление магнитной связью на печатной плате, соображения высокого напряжения при компоновке печатной платы, осмотр и тестирование печатных плат – страховой полис, напоминая о ведущих тенденциях в технологии печатных плат 2020-х годов, исследуя резонансные Частота цепи RLC, Рекомендации по эффективной разводке дифференциальной пары для ускорения трассировки печатной платы, понимание передаточной функции цепи из графика Боде.Инструктор по анализу AC BJT: д-р Ахмад Эль-Банна 2014 J-601-1448 Электронные принципы Интегрированный кластер технического образования в AlAmeeria l-a. Отрицательная обратная связь с использованием усилителя BJT www.ijasre.net Page 97 DOI: 10.31695 / IJASRE.2020.33812 Международный журнал достижений в научных исследованиях и инженерии (ijasre), том 6 (5), май-2020 Рисунок 4. Из-за внутренних емкостей транзисторов, которые мы проигнорировали в наших моделях низких и средних частот. Канзасского департамента 3 уравнения и 3 неизвестных (это хорошо).7.16a, pnp-транзистор с общей базой был вставлен в двухпортовую структуру, используемую в нашем обсуждении последних нескольких разделов. TRANSISTORS BJT Анализ постоянного и переменного тока Подготовил: Engr. Игнорируя ib из уравнения, так как оно мало по сравнению с ic, мы получаем Sketch влияние на форму волны. Вы можете получить передаточную функцию из графика Боде с помощью простых вычислений – прочтите, чтобы узнать, как это сделать. Это усилитель напряжения с инвертированным выходом. HO: Работа с большим сигналом дифференциальной пары BJT Дифференциальная пара представляет собой дифференциальный усилитель – мы выражаем ее характеристики в терминах дифференциального и синфазного усиления.Коэффициент усиления сильно зависит как от температуры, так и от тока смещения, поэтому фактическое усиление в некоторой степени непредсказуемо. 3. Мы измеряем коэффициент усиления по току (Ai) как ток на коллекторе (IC), деленный на общий ток сигнала (IS), или: Полный ток сигнала – это ток, производимый источником. … Каскодирование анализа слабых сигналов a. α и β. Во-первых, это анализ больших сигналов или анализ цепи усилителя на постоянном токе. \ begin {уравнение} Высокочастотный каскодный усилитель BJT модели BJT. Средняя узкая часть материала p-типа (p) l образует базу транзистора, в то время как другая менее легированная область n (n) образует коллектор транзистора.Используя формулу делителя напряжения, напряжение сигнала на базе транзистора (Vb) равно: с набором инструментов проектирования и анализа от Cadence, у вас обязательно будет все необходимое для расчета, моделирования, моделирования, компоновки и т. Д. и доработать дизайн с использованием усилителей BJT. Без напряжения смещения транзистор не может увеличивать амплитуду переменного сигнала. Попытка сбалансировать пространство на многослойных схемах с металлическими отверстиями может быть проблемой, особенно на плотных конструкциях печатных плат. Термин слабый сигнал относится к использованию сигналов, которые занимают относительно небольшой процент рабочего диапазона усилителя.Каскодный анализ слабых сигналов – продолжение. комбинация в одноступенчатом усилителе BJT или FET – диаграмма Боде, нижняя частота среза для системы, низкочастотная характеристика усилителей BJT и FET, емкость эффекта Миллера, высокая частота … моделирование BJT и FET, высокочастотный анализ BJT и Усилители на полевых транзисторах – график Боде, Испытание усилителей с прямоугольной волной. Затем анализ продолжается заменой источника постоянного тока на землю. Биполярные переходные транзисторы (БЮТ): Часть 4 Биполярные транзисторы с малым сигналом Чтение: Jaeger 13.5-13.6, Примечания. В этой статье представлены две схемы, которые можно использовать для анализа поведения биполярного переходного транзистора при слабом сигнале. v_c = -i_cR_3, если IC намного больше, чем IB, IB можно игнорировать Шумоперенос, но только пока. Выходное напряжение – Магнитная муфта – другое животное. BJT AC Анализ. Что такое 4-контактный разъем PWM и как он работает? Где. C в R S R 1 R 2 R C R E v s V CC. В конце слайда есть обзорный вопрос-ответ с ключом ответа a… Затем мы перерисовываем схему, используя модель малого сигнала BJT.Применяя теорему суперпозиции, анализ схемы усилителя можно проводить в три этапа. … Если вы хотите узнать больше о том, как Cadence предлагает вам решение, поговорите с нами и нашей командой экспертов. В то время как базилярная мембрана действует как частотный анализатор и частотно-настроенная линия задержки, улитка механически усиливает движение мембраны. Усиление является фундаментальной частью проектирования электронных схем. BJT AC Analysis Рисунок: модель для цепи фиксированного смещения CE. Спасибо за прочтение.\ end {уравнение} В сегодняшнем обсуждении мы в основном провели анализ переменного тока, начав с эквивалентной схемы переменного тока, затем выяснив или выведя модель для транзистора, и наша следующая задача – вписать эквивалентную модель для транзистора в эквивалентную схему переменного тока. и проанализируйте всю схему, чтобы определить соответствующие параметры усилителя, такие как усиление по напряжению, усиление по току, входное сопротивление и т. д.
Кошерные конфеты оптом, 1 “водяной электромагнитный клапан 120 В, Генератор испанского рэпа, Хиджос, Obedeced A Vuestros Padres En Todo, 1964 Ford Ltd, Партнеры в полете, Дети Марли Мэтлин, Будет ли клей гориллы отрываться от кожи естественным образом, Она вышла из-под контроля, Clix Sub Count Twitch, Конденсатор
в транзисторе усилителя
Конденсатор
А блокирует постоянный ток, поэтому его можно использовать для передачи сигнала (например,грамм. аудио и т. д.) без того, чтобы его уровень постоянного тока влиял на смещение постоянного тока транзистора. Таким образом, смещение постоянного тока входного сигнала может быть на любом уровне, и транзисторный усилитель будет обрабатывать его таким же образом.
Например, если у вас есть один транзистор с коллекторным выходом на уровне 5 В постоянного тока, а база следующего транзисторного каскада смещена примерно на 1 В, прямое их подключение приведет к включению второго каскада все время, поскольку входное напряжение будет всегда быть слишком высоким.
Если мы добавим конденсатор между ступенями, одна сторона может быть на уровне 5 В постоянного тока, а другая сторона может быть на уровне 1 В, и будут проходить только изменения переменного тока.Таким образом, вторая ступень работает правильно.
Возьмем для примера эту простую схему:
Вот формы сигналов в различных точках:
Обратите внимание, что входное напряжение представляет собой сигнал 10 мВ с частотой 1 кГц со смещением 10 В постоянного тока. После входного конденсатора уровень постоянного тока теперь составляет ~ 870 мВ. То же самое можно увидеть на выходной шапке. Коэффициент усиления составляет около 20 (200 мВ / 10 мВ = 20)
Теперь если снять колпачки:
И посмотрите на формы входных / выходных сигналов:
Все кардинально изменилось – база транзистора теперь на 10 В постоянного тока, что означает, что на эмиттере будет около 8-9 В (обычный 0.Падение на 7 В будет выше из-за чрезмерного тока), а ток эмиттерного резистора составит ~ 8,5 В / 100 = ~ 90 мА. Выходной сигнал застревает примерно на 20 мВ выше, чем эмиттер. Схема не имеет усиления.
Это крайний пример, но даже несколько десятков милливольт по обе стороны от идеальной точки смещения окажут значительное влияние на эту схему.
Помимо связи, конденсаторы также используются для таких вещей, как обход эмиттера (как упоминает Влад) Вот первая схема снова с добавленным конденсатором обхода эмиттера:
И моделирование:
Обратите внимание, что коэффициент усиления увеличился примерно до 100 по сравнению с первой схемой (1 В / 10 мВ = 100). Это связано с тем, что эмиттерный резистор обеспечивает отрицательную обратную связь и регулирует усиление в первой цепи.При добавлении конденсатора постоянный ток не изменяется, но переменный ток теперь видит путь с более низким импедансом к земле (конденсатору), поэтому усиление переменного тока увеличивается. Таким образом, AC “обходит” землю.
Есть много других применений конденсатора, но это основные применения в типичной схеме аудиоусилителя (кроме, конечно, фильтрации шины питания). Усилитель с общим эмиттером
– Electronics-Lab.com
Представляем усилитель с общим эмиттером
В следующих трех руководствах, включая этот, мы представим три элементарных топологии усилителей на биполярных транзисторах: усилитель с общим эмиттером , усилитель с общим коллектором и, наконец, усилитель с общей базой.
Мы начинаем эту серию руководств с рассмотрения наиболее распространенного типа усилителя, который можно найти в бесконечном списке приложений: усилитель с общим эмиттером , который в дальнейшем мы будем называть «CEA».
На первом рисунке ниже представлена упрощенная электрическая схема конфигурации CEA. Цель Рисунок 1 – просто показать общую конфигурацию CEA. Однако некоторые важные элементы реальной архитектуры CEA отсутствуют и будут представлены более подробно в следующем разделе.
рис 1: электрическая схема CEA
В этой конфигурации входной сигнал доставляется в ветвь базы, а выходной – в ветвь коллектора биполярного транзистора. Название «Общий эмиттер» происходит от того факта, что ветвь эмиттера напрямую подключена к земле цепи.
Полная конфигурация CEA
Упрощенная схема, приведенная на , рис. 1 , не включает никаких цепей смещения, конденсаторов связи и развязки и т. Д. Реальная схема конфигурации CEA приведена на рис. 2 :
рис 2: Полная конфигурация CEA
Прежде всего, давайте разберемся с добавленными резисторами:
Сопротивление R _L параллельно сопротивлению коллектора R _C, оно представляет нагрузку, то есть следующий этап цепи после CEA: это может быть антенна, динамик или просто еще один усилитель или каскад электронной схемы.
Сопротивление R _S представляет собой внутреннее сопротивление синусоидального источника.
Резисторы R ₁ и R ₂ включены параллельно основной ветви биполярного транзистора и образуют так называемый сетевой делитель напряжения . Этот делитель напряжения, показанный в руководстве «Смещение биполярного транзистора в конфигурации с общим эмиттером», является наиболее подходящим методом смещения, поскольку он улучшает стабильность усилителя.
Кроме того, добавлены три емкости:
Конденсаторы C ₁ и C ₃ обычно известны как «конденсаторы связи».Емкость связи C ₁ позволяет только сигналу переменного тока (AC) проходить в качестве входа конфигурации CEA, блокируя прохождение постоянного тока (DC) от источника питания к источнику. Емкость связи C ₃ делает то же самое, блокируя любую составляющую постоянного тока, поступающую от нагрузки R _L или идущую на нее. Подводя итог, C ₁ и C ₃ позволяют сигналу переменного тока полностью пересекать CEA, но блокируют вход сигналов постоянного тока в CEA.
Эмиттерная ветвь подключена к земле через «развязывающую» или «деривационную» емкость C ₂.Позже в руководстве показано, как важна эта емкость для усиления сигнала напряжения.
В этой конфигурации постоянный ток ограничен смещением CEA, и он опускается на землю, в то время как переменный ток может пересекать CEA от входа к выходу. Поскольку эта схема работает с сигналами постоянного и переменного тока, при анализе конфигурации CEA, как это делается в следующих двух разделах, необходимо принимать во внимание и то и другое.
Эквивалентная цепь постоянного тока
В постоянном токе конденсатор связи и развязки работает как разомкнутая цепь.Принимая во внимание этот факт, эквивалентная схема в постоянном токе Рисунок 2 представлена на Рисунок 3 ниже:
рис.3: Эквивалентная схема CEA на постоянном токе
В этой схеме базовое напряжение V _B определяется формулой делителя сети:
Базовое сопротивление R _B обычно не учитывается при вычислении V _B, так как оно находится в параллельной конфигурации с сопротивлениями смещения, и его значение в большинстве случаев как минимум на порядок выше, чем R _{. 2}.Однако для некоторых конфигураций это утверждение может быть недействительным или, если требуется высокая точность значения V _B, полная формула должна включать базовое сопротивление R _B:
уравнение 1: Полное выражение базового напряжения
Таким образом, мы можем выразить V _E = V _B -V _BE, где V _BE = 0,7 В – пороговое напряжение биполярного транзистора на основе кремния.
Предположим, что коэффициент усиления по току биполярного транзистора β определяется выражением I _C = β × I _B с током коллектора I _C и током базы I _B, как описано в Рис. 2 .Мы уже упоминали непосредственно перед этим, что R _B >> R ₂, более того, поскольку I _E ≅I _C, мы можем написать из Рисунок 3 , что R _B × I _B = R _E × I _C . При замене I _C на β × I _B, базовый ток I _B упрощается и мы получаем выражение для сопротивления базы:
уравнение 2: Выражение сопротивления базы
Эквивалентная цепь в переменном токе
В переменном токе конденсаторы связи и развязки эквивалентны короткому замыканию.Следовательно, эмиттерная ветвь закорочена на землю, а смещение и коллектор не включены. Кроме того, мы вводим в схему небольшое сопротивление эмиттера диода r _e = 25 мВ / I _out , которое представляет собой динамическое сопротивление для малых сигналов переменного тока p / n перехода биполярного транзистора. Принимая это во внимание, эквивалентная схема в переменном токе Рисунок 2 соответствует Рисунок 4 ниже:
рис.4: Эквивалентная схема CEA в переменном токе
Входное сопротивление
Общее входное сопротивление R _в конфигурации CEA определяется параллельной конфигурацией сопротивлений смещения и базы R ₁ // R ₂ // R _B:
уравнение 3: Выражение входного сопротивления
Выходное сопротивление
Полное выходное сопротивление R _из конфигурации CEA определяется параллельной конфигурацией сопротивлений коллектора и нагрузки R _C // R _L:
уравнение 4: Выражение выходного сопротивления
Коэффициент усиления по напряжению
Прирост напряжения в конфигурации CEA просто определяется как A, _В, = V, _{на выходе,} / В, _{, на выходе}, .При рассмотрении схемы, представленной на рисунке , рис. 4 , мы имеем V _out = R _out × I _out и V _in = r _e × I _out. Выходной ток упрощается, а коэффициент усиления по напряжению определяется соотношением:
уравнение 5: Выражение усиления напряжения на высокой частоте
Уравнение 5 дает выражение усиления напряжения, когда деривационная емкость ведет себя как идеальное короткое замыкание, то есть на высоких рабочих частотах.
Важность производной емкости
Интересно увидеть эффект деривационной емкости C ₂, представленной на Рис. 2 . Действительно, если эта емкость не используется, эмиттерная ветвь не закорочена на землю, как показано на рис. 4 , а общее сопротивление в этой ветви составляет R _E + r _e вместо r _e. Таким образом, коэффициент усиления по напряжению становится:
уравнение 6: Выражение усиления напряжения на низкой частоте
Обычно сопротивление эмиттера удовлетворяет R _E >> r _e, так что мы можем аппроксимировать усиление напряжения на A _В = R _out / R _E .Поскольку сопротивление эмиттера намного больше, чем сопротивление небольшого диода, коэффициент усиления по напряжению очень сильно уменьшается.
Например, типичные значения: R _C // R _L = 1 кОм, R _E = 500 Ом и r _e = 5 Ом.
Без деривационной емкости коэффициент усиления по напряжению составляет A _В = 1000/505 = 1,98
С деривационной емкостью коэффициент усиления по напряжению становится A _В = 1000/5 = 200
Поэтому деривационная емкость в эмиттерной ветви очень важна для усиления сигнала напряжения. Уравнение 6 дает выражение усиления напряжения, когда деривационная емкость ведет себя как полностью разомкнутая цепь, то есть на очень низких рабочих частотах или в режиме постоянного тока.
Затухание источником
На рис. 4 мы не рассматривали источник с его внутренним сопротивлением R _S, представленный на рис. 2 . В действительности на усиление по напряжению влияет коэффициент V _B / V _S, который представляет диммирование, вызванное малым внутренним сопротивлением источника.Коэффициент усиления при ослабленном напряжении составляет A _V ‘= A _V × (V _B / V _S) , и этот коэффициент определяется по формуле:
уравнение 7: Коэффициент ослабления усиления по напряжению
Этот коэффициент обычно очень близок к 1, поэтому часто не учитывается для получения приблизительного значения усиления конфигурации CEA.
Текущее усиление
Текущее усиление определяется следующим образом: A _I = I _out / I _in, где I _in = V _in / R _in и I _out = V _out / R _out.Получается тогда:
Коэффициент усиления по напряжению A _В может быть получен с помощью выражения Уравнение 5 , которое упрощает R _из и оставляет:
уравнение 8: Выражение текущего усиления
Поскольку R _в >> r _e, текущее усиление конфигурации CEA является высоким.
Инверсия фазы
Одна очень важная характеристика CEA, о которой мы еще не упомянули, заключается в том, что он инвертирует фазу выходных сигналов.Давайте рассмотрим, например, CEA с коэффициентом усиления 10 по напряжению, который имеет входное напряжение 2 В от пика до пика, и визуализируем входное и выходное напряжения на одном рисунке:
рис. 5: Изображение инверсии фазы. Построено с использованием MatLab®
Инверсия фазы в основном означает, что максимум выходного напряжения соответствует минимуму входного напряжения, а минимум выходного сигнала соответствует максимуму входного сигнала.
Заключение
В заключение, мы увидели, как ведет себя конфигурация усилителя с общим эмиттером (CEA).Сначала представлена упрощенная схема, чтобы познакомиться с основными аспектами этого усилителя. Позже мы увидели архитектуру полной схемы CEA, поняв роль резистора смещения и нагрузки, а также конденсаторов связи и развязки. Анализируя эквивалентную схему в режимах постоянного и переменного тока, мы получили выражения для важных параметров: входного и выходного импеданса, а также коэффициентов усиления по напряжению и току. CEA представляет с высоким коэффициентом усиления по напряжению и току , которые увеличиваются за счет наличия деривационной емкости в ветви эмиттера, он также имеет высокое входное и выходное сопротивление, что делает его подходящим в качестве универсального усилителя для многих приложений.Еще одна характеристика, характерная только для CEA, – это инверсия фазы 180 ° = π rad между входным и выходным сигналами.
В следующем уроке мы проанализируем другой тип усилителя, который выдает выходной сигнал из своей эмиттерной ветви: усилитель с общим коллектором.
Разница между усилителями постоянного и переменного тока
Если вы недавно пытались глубже понять усилители мощности, вы, вероятно, встречали термины «усилитель переменного тока» и «усилитель постоянного тока».Какая была ваша первая мысль? Был ли это переменный ток и постоянный ток? Что ж, термины «переменный ток» и «постоянный ток» в усилителях точно не относятся к току. Эти термины относятся к методу связи между различными ступенями усиления.
Наша статья призвана помочь вам понять принципы работы каждого из этих двух типов усилителей и объяснить различия между усилителями переменного и постоянного тока.
Что означают переменный и постоянный ток в усилителях переменного / постоянного тока?
AC в усилителях переменного тока говорит нам о том, что разные каскады усиления связаны с конденсатором или трансформатором.Поэтому эти конденсаторы / трансформаторы известны как разделительные конденсаторы / трансформаторы. Конденсаторы связи и трансформаторы предназначены для снятия постоянного напряжения и обеспечения свободного пути для переменного напряжения.
Усилители со связью по переменному току, особенно твердотельные, уже не так распространены, как 40 лет назад. С другой стороны, большинство ламповых усилителей связаны по переменному току. Некоторые компании до сих пор используют связь по переменному току для твердотельных усилителей (например, McIntosh).
McIntosh MA8900 – Интегральный усилитель со связью по переменному току
Усилители постоянного тока
также известны как усилители с прямой связью.Схема усилителя с прямой связью выглядит намного чище, потому что конденсаторы и трансформаторы не используются для связи между двумя каскадами усиления.
Подключение по постоянному току очень распространено в наши дни. Большинство современных полупроводниковых и интегрированных усилителей мощности связаны по постоянному току.
PS Audio Stellar S300 – усилитель мощности со связью по постоянному току
Прежде чем обсуждать различия и преимущества каждого типа усилителя, давайте посмотрим, как выглядят схемы усилителей со связью по переменному и постоянному току и как они работают.
Усилители со связью по переменному току (с конденсаторной или трансформаторной связью)
Цепь усилителя с конденсаторной связью (RC-связью)
Когда два каскада усиления соединены друг с другом через комбинацию конденсаторов и резисторов, схема усилителя считается с конденсаторной связью, емкостной связью или RC-связью.
На рисунке ниже вы можете увидеть схему двухкаскадного транзисторного усилителя с RC-связью (транзисторный усилитель означает, что транзисторы Q1 и Q2 используются для усиления сигнала).
Принципиальная схема двухкаскадного усилителя с конденсаторной связью (RC-связью)
Как видите, выход первого каскада (Q1) соединен с входом второго каскада (Q2) с помощью разделительного конденсатора C2. Выходной каскад второго транзистора (Q2) соединен с нагрузочным резистором (RL – динамик) с разделительным конденсатором C3.
Резисторы R1, R2, RE предназначены для смещения делителя напряжения для Q1 и Q2 и стабилизации цепи.
RC и RE – резисторы, которые должны снижать напряжение VCC на 50% (RC – коллекторный резистор, RE – эмиттерный резистор).
Конденсатор C2 соединяет выходной каскад Q1 с входным каскадом Q2. Из-за конденсатора C2 и RC-резистора этот усилитель считается RC-связанным.
Конденсатор C1 соединяет вход с клеммой базы транзистора Q1 (вход первого каскада). Конденсатор C3 соединяет выход транзистора Q2 (выход второго каскада) с нагрузочным резистором RL (ваши динамики).
Слабый сигнал (который предполагается усилить) подается на базу Q1, который усиливает сигнал и переключает фазу сигнала (сдвиг фазы на 180 °). Затем сигнал подается через разделительный конденсатор C2 на базу Q2 (вход второго каскада). C2 устраняет постоянный ток и пропускает сигнал переменного тока. Q2 выполняет дальнейшее усиление и снова переключает фазу сигнала (еще один сдвиг фазы на 180 °), что означает, что входной сигнал и выходной сигнал находятся в фазе (сдвиг фазы на 360 °).Усиленный сигнал проходит через конденсатор C2, который также устраняет постоянную составляющую, и усиленный сигнал поступает на нагрузочный резистор RL (динамики).

Трансформаторная цепь усилителя
Когда два каскада усилителя соединены с трансформатором, мы называем эту схему трансформаторной связью. Одной из наиболее важных характеристик трансформаторов является то, что они отлично подходят для согласования импеданса. Таким образом, если две ступени имеют разные импедансы, добавление трансформатора с нужным количеством первичных и вторичных обмоток позволит вам согласовать импедансы двух ступеней (выход первой ступени и вход второй ступени).
На изображении ниже вы можете увидеть схему двухкаскадного усилителя с трансформаторной связью.
Принципиальная схема двухкаскадного трансформаторного усилителя
Как видите, выход первой ступени (Q1) соединен с входом второй ступени (Q2) с помощью трансформатора связи T1. Выходной каскад второго каскада (Q2) соединен с нагрузочным резистором RL (динамик) с трансформатором связи T2.
Резисторы R1, R2, RE предназначены для смещения делителя напряжения для Q1 и Q2 и стабилизации цепи.
Конденсатор C1, расположенный на входе, предназначен для устранения постоянного напряжения и обеспечения прохождения сигнала переменного тока.
Конденсатор CE предназначен для дополнительной стабилизации цепи и обеспечения пути сигнала с низким реактивным сопротивлением. Он подключен к резистору RE (в обоих каскадах) и действует как конденсатор обхода эмиттера – он отводит ток эмиттера на землю, что снижает падение напряжения на RE. Из-за этого увеличивается коэффициент усиления по напряжению.
Когда входной сигнал (VIN) подается на базу транзистора Q1 через конденсатор C1, сигнал усиливается и поступает на первичную обмотку T1.При правильном количестве витков обмотки вы можете максимизировать энергию, протекающую от первичной обмотки ко вторичной обмотке T1.
Затем сигнал идет от вторичной обмотки T1 на базу транзистора Q2 (вход второго каскада). Q2 обеспечивает дополнительное усиление и отправляет его на первичную обмотку T2. Энергия перетекает из первичной обмотки во вторичную, а затем передается на RL (сопротивление нагрузки – динамик). Опять же, если количество витков обмотки тщательно рассчитано, максимальная энергия будет передана на RL.

Усилители постоянного тока (с прямой связью)
Если между двумя каскадами усиления нет трансформаторов или конденсаторов, усилитель имеет прямую или постоянную связь. Принципиальная схема усилителя с прямым подключением является наиболее простой и понятной. Усилители со связью по постоянному току обычно используются для усиления низкочастотных сигналов. Вы можете увидеть это на изображении ниже.
Принципиальная схема двухкаскадного усилителя с прямой связью
Итак, как видите, выход первого каскада (транзистор Q1) напрямую подключен к входу второго каскада (транзистор Q2).Нет трансформаторов связи или конденсаторов.
Смещение делителя напряжения приложено к первой ступени (R1, R2, RE). Это необходимо для стабилизации схемы и сохранения точки Q в центре линии нагрузки.
Выходной сигнал первой ступени напрямую передается на вход второй ступени. Подается напряжение VCC (постоянное напряжение), и выходной сигнал снимается со второго каскада через нагрузочный резистор RL (динамик).
Когда на базу Q1 подается слабый входной сигнал (это низкочастотный сигнал), Q1 усиливает сигнал, и его выход доступен через резистор коллектора (RC).Выходной сигнал первого каскада напрямую подается на вход второго каскада, который выполняет дальнейшее усиление и отправляет выходной сигнал на нагрузочный резистор RL.

Преимущества и недостатки усилителей переменного тока
RC-соединение Усилители
с RC-связью не слишком дороги и не слишком сложны в сборке, что делает их довольно популярными. Усилители с RC-связью обеспечивают постоянное усиление (устойчивое усиление) во всем слышимом частотном спектре (20 Гц – 20 кГц), и частотная характеристика во всем этом спектре очень хорошая.
Говоря о недостатках, важно упомянуть плохое согласование импеданса (вход с низким импедансом и выход с высоким сопротивлением). Кроме того, их коэффициент усиления по мощности относительно невелик, а передача мощности мала из-за плохого согласования импеданса.
Из-за их частотной характеристики и высокой точности воспроизведения звука они часто используются в аудиоиндустрии. RC-связь также используется в усилителях напряжения.
Трансформаторная связь
Усилители с трансформаторной связью имеют более высокое усиление, чем усилители с RC-цепочкой (в 10-20 раз выше).Их наиболее важным преимуществом является согласование импеданса (достигается за счет использования трансформаторов с правильным числом витков на первичной и вторичной обмотках). Таким образом, вы можете согласовать низкий выходной импеданс одного каскада с высоким входным импедансом другого каскада.
Усилители с трансформаторной связью
также очень эффективны – они не вызывают значительных потерь мощности.
Что касается недостатков, вам необходимо знать, что усилители с трансформаторной связью не имеют постоянного усиления, как усилители с RC-цепочкой.Их усиление значительно зависит от частот, и оно особенно мало для очень низких и очень высоких частот. В заключение, их частотная характеристика далека от совершенства.
Трансформаторы также издают заметный гудящий шум. Они довольно громоздкие и тяжелые. К тому же они довольно дорогие.
Из-за своих достоинств они используются в системах, где необходимо согласовать импеданс различных каскадов и обеспечить максимальную мощность на выходное устройство (например, динамики).
Преимущества усилителей с прямой связью Усилители со связью по постоянному току
являются самыми дешевыми в производстве, поскольку не требуют дорогих трансформаторов и конденсаторов. Из-за отсутствия дополнительных компонентов они также самые простые, компактные и легкие. Их согласование импеданса приличное (не так хорошо, как у усилителей с трансформаторной связью, но лучше, чем у усилителей с RC-цепочкой). Их частотная характеристика очень хорошая, особенно когда речь идет о очень низких частотах.
Рекомендуемая литература:
Самыми важными недостатками являются плохое усиление высоких частот и высокая чувствительность к перепадам температуры. Их производительность также меняется со временем.
РЕЗЮМЕ
Подводя итог, вот простая таблица, объясняющая преимущества и недостатки усилителей с RC-связью, с трансформаторной связью и с прямой связью.
КАТЕГОРИЯ RC-соединение Трансформаторное соединение Прямое соединение
Стоимость Посередине Самый дорогой Самый дешевый
Размер и вес Посередине Самый большой и самый тяжелый Наименьший
Согласование импеданса Не очень хорошо Отлично Довольно хорошо
Частотная характеристика Отлично для слышимого диапазона Не очень Наилучшее
Использование Усиление напряжения Усиление мощности Лучшее для усиления низких частот
AudioReputation была основана в 2017 году с единственной целью – предоставить Вам, нашим читателям, всю необходимую информацию о потребительском аудиооборудовании и помочь Вам получить лучшее оборудование за свои деньги.
Мы специализируемся на аудиооборудовании в целом, но с самого начала нашей основной сферой интересов было (и остается) потребительское аудиооборудование. Наши обзоры, сравнения и учебные пособия разработаны, чтобы предложить вам руководство через запутанный и увлекательный мир наушников, динамиков, звуковых панелей, систем домашнего кинотеатра, аудиоинтерфейсов и другого сопутствующего звукового оборудования.
Наша специализированная команда AudioReputation работает круглосуточно, чтобы дать вам обзоры новейшего аудиооборудования и предоставить объективные и непредвзятые идеи.Точность и объективность – наши главные приоритеты, и мы придерживаемся этих принципов с самого начала. Бренды не платят нам за рекламу своей продукции – наша работа и этот веб-сайт поддерживаются читателями, и мы очень этим гордимся.
Нам нравится общаться с нашими читателями и обсуждать звуковое оборудование. Мы призываем вас проявить любопытство и спросить все, что вы хотите знать о динамиках, наушниках или любом другом оборудовании, и мы сделаем все возможное, чтобы дать вам быстрый ответ.
Как работает усилитель класса А?
Транзистор
используется практически во всех электронных устройствах или гаджетах, которые вы видите или мечтаете о приобретении в ближайшем будущем. Прямо с этого мобильного телефона, которым юный студент колледжа так гордится, поскольку он делает его жизнь сверхлегкой, к тому крошечному микроконтроллеру внутри ноутбука, который помогает мотивирующему выступающему создавать свои видеоролики на YouTube, чтобы передать свои с трудом заработанные жизненные навыки людям. широкую публику объединяет одно – старый добрый транзистор.
Транзистор также является основным компонентом, или мы можем назвать его сердцем усилителя класса А. В этом руководстве давайте разберемся, как работает усилитель класса A, в увлекательной, простой и увлекательной форме.
Работа транзистора
Для этого нам нужно понимать основы работы транзистора, когда он используется в схемах усилителя.
На приведенной выше диаграмме показаны различные компоненты, которые присутствуют внутри и снаружи NPN-транзистора. В верхнем левом углу у нас есть три типа токов: I (B), показанные красным, I (C), показанные синим, и I (E), показанные зеленым.Базовый вывод показан как большой красный B, а выводы коллектора и эмиттера показаны как большой синий C и большой зеленый E соответственно. Рядом с терминалом коллектора есть большие синие ворота, которые автоматически открываются, когда мы открываем маленькие розовые ворота, расположенные рядом с базовым терминалом. Таким образом, небольшие ворота у основания могут поднять большие ворота у коллектора. V (CE) – это разница напряжений между клеммами коллектора и эмиттера, а V (BE) – это разница напряжений между клеммами базы и эмиттера.Черная стрелка слева от зеленой клеммы эмиттера указывает на то, что это транзистор типа NPN.
Как показано выше, небольшой минутный ток I (B) на клемме базы вызывает открытие маленького розового затвора, что, в свою очередь, вызывает открытие большого синего затвора. Когда этот больший затвор открывается, он позволяет большому току I (C) течь от коллектора к выводу эмиттера.
Как показано выше, базовый ток I (B) и I (C) объединяются, чтобы сформировать ток эмиттера I (E), который в конечном итоге проходит на вывод эмиттера.
Действие усилителя транзистора
Как показано на рисунке выше, небольшое изменение V (BE) вызывает изменение I (B), которое затем поднимает как розовые, так и синие ворота.
Когда розовые и синие затворы поднимаются, это напрямую вызывает большое изменение тока коллектора I (C). Поток I (C) вызывает изменение разницы в напряжении между выводами коллектора и эмиттера, что в конечном итоге изменяет компонент V (CE).
Таким образом, малый входной сигнал на базе усиливается как большой выходной сигнал на коллектор-эмиттер.Это усилительное действие транзистора полностью используется в усилителе класса А.
Эмиттерный переход
работает как диод

Переход эмиттер-база транзистора с прямым смещением фактически работает как ДИОД и обеспечивает небольшое сопротивление переменному току входному сигналу.
На рисунке выше (C), (B) и (E) показаны клеммы коллектора, базы и эмиттера соответственно.
R (C) и R (E) – сопротивления коллектора и эмиттера соответственно.
r (e) ’- это сопротивление переменному току эмиттерного диода транзистора (здесь самое важное)
и равно 25 мВ / л (E)
.
I (E) – постоянный ток эмиттера.
Все становится проще, если при анализе усилителя с общим эмиттером эмиттерный диод рассматривается как небольшое сопротивление. Поступая так, мы фактически упрощаем вычисление коэффициента усиления по напряжению и входного импеданса позже.
Работа усилителя
На рисунке выше показан усилитель с общим эмиттером CE.Усилитель имеет два типа входных сигналов, один из которых является входным сигналом переменного тока, а другой – входным сигналом постоянного тока. Первичным или наиболее важным компонентом здесь является транзистор NPN. Назначение этого усилителя – усилить входной переменный ток, который на него подается. Это достигается смещением базы транзистора с помощью резисторов R1 и R2. Это смещение осуществляется с помощью входного сигнала постоянного тока. Вы можете спросить, для чего нам нужна предвзятость. Ответ на этот вопрос заключается в том, что только благодаря смещению постоянного тока мы можем достичь желаемой точки Q (подробнее об этом, когда мы изучим линию нагрузки в следующих параграфах).После того, как желаемая точка Q установлена, становится возможным иметь правильные изменения базовых и коллекторных токов, когда на усилитель подается переменный ток, что в конечном итоге делает усиление возможным и реальным.
Функция конденсатора связи
Конденсатор связи, используемый здесь, играет особую роль. Это гарантирует, что внутреннее сопротивление входного генератора переменного тока не влияет на смещение постоянного тока транзисторной цепи. Это становится возможным, поскольку конденсатор связи блокирует постоянный ток.
Функция байпасного конденсатора
Функция байпасного конденсатора заключается в обеспечении тракта с очень низким импедансом для сигналов переменного тока между эмиттером и землей цепи. Он удерживает на эмиттере постоянное значение напряжения. Таким образом, вариации напряжения базы вызывают прямые изменения V (BE) на переходе база-эмиттер транзистора.
Влияние синусоидального сигнала на входе переменного тока
База транзистора, управляемая источником переменного тока, вызывает синусоидальные изменения I (B) или тока базы.В результате этого мы наблюдаем изменения тока коллектора I (C). Во время положительной половины входной синусоидальной волны происходит увеличение прямого смещения транзистора, что приводит к увеличению I (B) и I (C). Однако во время отрицательной половины входного сигнала все три компонента схемы, то есть прямое смещение, I (B) и I (C), уменьшаются.
Линия нагрузки постоянного тока, точка Q и фазовый сдвиг
Линия нагрузки постоянного тока представляет собой график, который демонстрирует, как перемещается точка Q или точка смещения постоянного тока и в каком диапазоне, когда вход переменного тока подается на схему усилителя.
На графике выше, который фактически представляет собой трехмерную картонную модель, оранжевая горизонтальная полоса со стрелкой представляет ось X и V (CE). Зеленая вертикальная полоса со стрелкой представляет ось Y и I (C). Синяя полоса представляет собой линию нагрузки, по которой скользит красная точка Q или точка смещения. Буква Q имеет небольшую черную стрелку, которая помогает ей настраиваться на значения I (C). На приведенном выше рисунке красный Q находится в самом верхнем крайнем положении, а на рисунке ниже – в самом нижнем крайнем положении.Этот диапазон между нижним и верхним крайними значениями равен вариациям базового тока I (B). Итак, в основном Q танцуют внутри показанного розового квадрата. Применяемый входной сигнал переменного тока не должен быть очень большим, что может плохо повлиять на мгновенную рабочую точку или точку Q и привести к насыщению или отсечке. Из обоих рисунков видно, что I (C) обратно пропорционально V (CE), потому что, когда I (C) уменьшается, V (CE) увеличивается, и наоборот. Этот факт также подтверждается моделью транзистора, описанной ранее в этой статье.Кроме того, входное напряжение переменного тока, когда оно положительное, вызывает увеличение I (C), а когда оно отрицательное, вызывает уменьшение I (C). Все это является причиной сдвига фазы на 180 градусов между входом и выходом (усиленным) схемы усилителя. Другими словами, можно сказать, что входное и выходное напряжение переменного тока смещены по фазе на 180 градусов. Только усилитель с общим эмиттером обеспечивает сдвиг фазы на 180 градусов.
Коэффициент усиления переменного тока транзистора
Дается формулой
Бета = i (c) / i (b)
Где Beta – коэффициент усиления по переменному току, а i (c) и i (b) – значения переменного тока для тока коллектора и базы соответственно.
Коэффициент усиления транзисторного усилителя
Вычисляется по формуле
A (v) = V (out) / V (in)
Где V (выход) и V (вход) – размах выходного и входного напряжения соответственно.
Усилитель Действие
Обратите внимание, как незначительное входное напряжение переменного тока на переходе BE (база-эмиттер) вызывает очень большое изменение тока коллектора I (C). В конечном итоге это приводит к увеличению выходного переменного напряжения на коллекторе.
Усилители мощности
Усилитель мощности – это тип электронной схемы, которая может выдавать большое количество энергии при нагрузке первого типа с низким импедансом.
Усилитель мощности может принадлежать к любому из трех классов, то есть к классу A, B или C. Разница между этими тремя классами заключается в том, что некоторые из них работают в активной области больше, чем другие, в течение одной и той же части входного цикла переменного тока.
Работа усилителя класса А
Эффективность мощности и искажение сигнала определяется классом схемы усилителя. На рисунке ниже показаны формы сигналов для усилителя класса А. Первая волна, показанная ниже, является входом, который фактически управляет базой транзистора, а вторая волна – это волна тока коллектора I (c), которая течет в результате входа.
Ось Y или горизонтальная ось представляет угол проводимости на рисунке выше. Из приведенного выше рисунка ясно видно, что ток коллектора I (c) течет на 360 градусов входного сигнала. Таким образом, усилитель всегда находится во включенном состоянии, в результате чего эффективность усилителя класса A очень низкая, примерно от 25 до 30 процентов. Однако по этой причине коэффициент усиления такого усилителя велик. Усилитель класса A служит линейным усилителем, поскольку выходной сигнал является копией (точнее, усиленной копией) входного сигнала.Однако следует отметить, что работающий транзистор никогда не должен приближаться к насыщению или отключению из-за входного сигнала. Если это произойдет по какой-либо причине, вы получите выходной сигнал с плоскими пиками.
Схема, показанная на рисунке выше, представляет собой схему усилителя с общим эмиттером класса A. Ага! так что вы можете связать его с обычным усилителем, работа которого вы уже поняли в начале этой статьи. Да, почти то же самое с некоторыми незначительными изменениями, которые я сейчас опишу.Прежде всего, резисторы смещения R1 и R2 заменяются одним переменным резистором R (b). R3 переименован в R (c). R4 и байпасный конденсатор уволены с работы и здесь не работают. Принцип работы тот же, что и у обычного усилителя, уже хорошо объясненный ранее. Точка Q, которая скользит по линии нагрузки, в противном случае перемещается в ее центр, регулируя R (b).
Модель выше показывает линию нагрузки с точкой Q в центре. V (CEQ) во многом аналогичен V (CE) с точки зрения его поведения, с той лишь разницей, что это скорее конкретный вид значения, чем диапазон значений.То же верно и для I (CQ), и для I (C).
Характеристики усилителя класса А
Это усилитель с низким уровнем искажений, очень низким КПД, но высоким коэффициентом усиления. Когда в транзисторе есть отсечка, область коллектор-эмиттер ведет себя как открытая, в то время как в случае насыщения та же область коллектор-эмиттер ведет себя как короткая.
Расчеты в усилителе класса А
Базовый ток смещения определяется формулой
I (B) = (Входное напряжение постоянного тока – V (BE)) / R (b)
I (C) = I (B) × усиление постоянного тока
В (CE) = входное напряжение постоянного тока – (I (C) × R (c))
Коэффициент усиления по напряжению = В (выход) / В (вход)
Применение усилителя класса A в реальном мире
Усилитель напряжения.
Усилитель тока.
Усилитель мощности.
Танмай Дасгупта работает внештатным техническим создателем видео на YouTube и блоггером в EFY Group. Он твердо уверен, что технологии должны быть полезны и должны помогать в решении человеческих проблем или задач. Он увлечен базовой электроникой, робототехникой и картонным моделированием.
.

КАТЕГОРИЯ	RC-соединение	Трансформаторное соединение	Прямое соединение
Стоимость	Посередине	Самый дорогой	Самый дешевый
Размер и вес	Посередине	Самый большой и самый тяжелый	Наименьший
Согласование импеданса	Не очень хорошо	Отлично	Довольно хорошо
Частотная характеристика	Отлично для слышимого диапазона	Не очень	Наилучшее
Использование	Усиление напряжения	Усиление мощности	Лучшее для усиления низких частот