Лекции по "Схемотехнике аналоговых устройств"
Автор: Пользователь скрыл имя, 18 Февраля 2013 в 00:47, курс лекций
Описание работы
1. Принцип электронного усиления и классификация усилителей
2. Основные показатели качества усилительных устройств
3. Анализ работы УК с помощью ВАХ
4. Критерии выбора положения ИРТ
5 Принципы обеспечения заданного положения ИРТ
Работа содержит 45 файлов
1
Анализ работы усилительного каскада с помощью ВАХ
В статическом режиме связь между токами и напряжениями на электро-
дах транзистора описывается системой нелинейных алгебраических уравне-
ний. Графически эта система может быть представлена семействами вольт-
амперных характеристик (ВАХ).
Входная ВАХ – это зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер
при фиксированном напряжении между коллектором и эмиттером. Для тран-
зистора n-p-n-структуры схема измерения входной ВАХ и типичный вид этой
зависимости представлены на рис. 1.
Рис. 1
Здесь токи и напряжения представлены постоянными значениями.
В силу того, что для транзистора I
к
=β I
б
проходная характеристика тран-
зистора (зависимость тока коллектора от напряжения база-эмиттер при фик-
сированном напряжении между коллектором и эмиттером) имеет вид, анало-
гичный рис. 1б.
При отрицательных напряжениях база-эмиттер транзистор закрыт и ток
базы не протекает.
Выходная ВАХ – это зависимость тока коллектора от напряжения кол-
лектор-эмиттер при фиксированном токе базы (рис. 2).
2
Рис. 2
Возможность использования транзистора для усиления сигналов объяс-
няется тем, что имеет место пропорциональная зависимость между слабым
током базы и сильным током коллектора I
к
=β I
б
. Поэтому, если источник
сигнала включить в базовую цепь, а нагрузку – в цепь коллектора, то можно
ожидать усиления сигнала по мощности. Для иллюстрации этого факта рас-
смотрим схему, изображенную на рис. 3а
Рис. 3
Для того чтобы обеспечить протекание постоянного тока базы, соответ-
ствующего прямой ветви входной ВАХ, приложим к переходу база-эмиттер
источник открывающего тока I
б0
. Последовательно с ним включим источник
сигнального тока i
с
. Для упрощения геометрических построений предполо-
жим, что источники идеальные (не имеют внутренних сопротивлений). В
коллекторную цепь, помимо источника питания E
+
, включим резистор на-
3
грузки, имеющий линейную ВАХ (рис. 3б). Тогда при отсутствии сигналь-
ных воздействий i
с
=0 в коллекторной цепи установится ток I
к0
, а напряже-
ние источника питания распределится между двумя потребителями U
н
и U
кэ0
Токи и напряжения при отсутствии сигнальных воздействий будем называть
начальными.
В процессе сигнальных воздействий ток коллектора и напряжение меж-
ду коллектором и эмиттером будет меняться. Точка на плоскости выходных
ВАХ, связывающая текущие значения тока и напряжения, называется рабо-
чей точкой (РТ).
Точка (I
к0
, U
кэ0
) на плоскости выходных ВАХ, соответствующая отсут-
ствию сигнальных воздействий, называется исходной рабочей точкой (ИРТ).
Ее положение определяется не только начальным током базы, но и сопротив-
лением R
н
в коллекторной цепи, точнее ее ВАХ (рис. 4).
Рис. 4
Поскольку падение напряжения на резисторе R
н
вычитается из напряже-
ния источника питания, то на плоскости выходных ВАХ линия, связывающая
ток и напряжение резистора нагрузки, должна быть отложена зеркально от-
носительно вертикальной прямой, соответствующей напряжению источника.
ВАХ нагрузки, изображенная на плоскости выходных ВАХ, называется на-
грузочной линией или нагрузочной характеристикой.
В процессе усиления РТ перемещается по плоскости выходных ВАХ не
произвольным образом. Ее траектория зависит от управляющего тока базы и
сопротивления резистора в коллекторной цепи. Иначе говоря, РТ перемеща-
4
ется по нагрузочной характеристике в соответствии с управляющим током
базы. На рис. 4 траектория перемещения РТ отмечена жирной линией.
Если базовый ток под действием источника сигнала изменяется по гар-
моническому закону, как это изображено на рис. 5 справа, то РТ перемещает-
ся последовательно вверх и вниз по нагрузочной линии, и напряжение между
коллектором и эмиттером также изменяется по гармоническому закону. Сле-
дует заметить, что увеличению базового тока соответствует уменьшение на-
пряжения коллектор-эмиттер, а уменьшению базового тока – увеличение вы-
ходного напряжения.
Рис. 5
Таким образом, изменения слабого тока базы приводят к пропорцио-
нальным изменениям большого тока коллектора, что и обеспечивает усиле-
ние тока сигнала. Источник сигнального тока создает на переходе база-
эмиттер входное напряжение, а ток коллектора, протекая через сопротивле-
ние нагрузки, создает на нем падение выходного напряжения, что при опре-
деленных условиях можно рассматривать как усиление по напряжению.
Если источник сигнала имеет конечное внутреннее сопротивление, то он
отдает во входную цепь транзистора конечную мощность. Поскольку ток ко-
ллектора много больше тока базы можно рассчитывать, что и мощность,
5
выделяющаяся в нагрузке, окажется много больше мощности, отбираемой
входной цепью транзистора от источника сигнала.
Вернемся к схеме рис. 3а и сделаем ряд замечаний.
1. В схемотехнике широко используется понятие "земли", "общей точки"
или "точки нулевого потенциала". В соответствии с этим подходом потенци-
ал какого-либо узла схемы принимается за нулевой, а потенциалы всех
остальных узлов отсчитываются от потенциала выбранного узла. Этот узел с
нулевым потенциалом называют общей точкой или землей схемы. Выбор
общей точки в большой степени произволен. Удобно выбирать его таким об-
разом, чтобы к нему сходилось максимальное число ветвей. Как правило, в
качестве точки нулевого потенциала можно выбрать отрицательный вывод
источника питания. На схемах земля обозначается жирной чертой (рис. 6а).
Рис. 6
2. Для избежания начертания многочисленных проводников и их пере-
сечений на схемах частот используется обозначение электрических связей с
помощью буквенно-цифровых обозначений. Тогда считается, что проводни-
ки, имеющие одно и то же обозначение электрически связаны. На рис. 6б
точки, обозначенные E
+
электрически связаны – источник питания подклю-
чен к верхнему выводу резистора нагрузки.
3. Для простоты начертания источники постоянной ЭДС на схемах ино-
гда не изображают, а факт подсоединения узла схемы к источнику напряже-
ния указывают каким-либо наглядным обозначением, например E
+
(рис. 6в).
Принципиальным моментом на всех приведенных модификациях схемы
являлось включение сопротивления нагрузки в цепь последовательно с ис-
точником питания. Однако нагрузка схемы как потребитель мощности, на-
пример вход следующего каскада, может потребовать иного включения, в ча-
6
стности заземления одного из выводов. Тогда возникает 2 задачи. С одной
стороны каким-то образом обеспечить подачу постоянного напряжения пи-
тания на коллектор, изолировав источник питания с нулевым внутренним со-
противлением от сигнальной цепи. С другой стороны необходимо передать
сигнал с коллектора в нагрузку, исключив постоянное напряжение питания.
Если сигнал не содержит постоянной составляющей, то вторая задача
решается с помощью специально организованной цепи связи, в простейшем
случае с помощью конденсатора (рис. 7а). При правильном выборе емкости
конденсатор обеспечивает изоляцию нагрузки от цепи коллектора по посто-
янному току, передавая в нагрузку переменный сигнал.
Рис. 7
Для подачи питания на коллектор транзистора на рис. 7а использован
специальный резистор R
к
. Важным следствием такого решения является тот
факт, что положение ИРТ на плоскости выходных ВАХ определяется сопро-
тивлением, связывающим коллектор транзистора с источником питания, а
движение РТ в процессе сигнальных воздействий определяется не только R
к
,
но и R
н
.
Для анализа подобных явлений в схемотехнике используется понятие
эквивалентных схем для постоянного и переменного токов.
Для постоянных воздействий все конденсаторы и источники сигнально-
го тока в схеме представляют собой разрывы в цепи, все индуктивности и ис-
точники сигнальной ЭДС – короткие замыкания. Для схемы рис. 7а эквива-
лентная схема на постоянном токе приведена на рис. 7б.
Для переменных сигнальных воздействий все конденсаторы достаточно
большой емкости и источники постоянного напряжения в схеме представля-
7
ют собой короткие замыкания цепей, все катушки с достаточно большой ин-
дуктивностью и источники постоянного тока – разрывы. Для схемы рис. 7а
эквивалентная схема на постоянном токе приведена на рис. 7в. При этом
предполагается, но не изображается на схеме наличие всех необходимых по-
стоянных потенциалов на электродах транзистора и токов через них.
Из последней схемы наглядно видно, что для переменного тока нагруз-
кой транзистора является параллельное соединение резисторов R
к
и R
н
. На-
грузочные характеристики для этих режимов приведены на рис. 8а.
Рис. 8
Важный вывод – нагрузочные линии для постоянного и переменного то-
ков могут отличаться.
Как видно из схемы мощность сигнала в данной схеме выделяется не
только на сопротивлении нагрузки. Часть ее бесполезно тратится на сопро-
тивлении R
к
. Для снижения этих потерь в ряде случаев в цепь коллектора
вместо резистора устанавливают индуктивный элемент – дроссель (рис. 9а).
Эквивалентные схемы для постоянного и переменного токов приведены
на рис. 9б и 9в соответственно, а нагрузочная линия для постоянного и пере-
менного токов приведена на рис. 8б.
В данном случае для переменного тока нагрузочная характеристика вер-
тикальна, и начальное напряжение коллектор-эмиттер равно напряжению пи-
тания, а для переменного тока наклон нагрузочной характеристики определя-
ет резистор нагрузки.
8
Рис. 9
Другой пример выходной цепи связи представлен на рис. 10а.
Рис. 10
Здесь развязка по переменному и постоянному токам, а также преобра-
зование сопротивлений осуществляется трансформатором. Поведение нагру-
зочной линии аналогично приведенному на рис. 8б за тем исключением, что
наклон линии для переменного тока определяется сопротивлением R'
н
в пер-
вичной цепи трансформатора.
В случае более сложных цепей нагрузки, содержащих реактивные эле-
менты, нагрузочная характеристика может существенно отличаться от пря-
мой линии. Для примера подобного поведения рассмотрим случай, когда на-
грузка, включенная в коллекторную цепь, зашунтирована емкостью (рис.
10б), а на вход воздействует прямоугольный импульс тока.
9
Рис. 11
В этом случае при воздействии импульса тока в базовой цепи ток кол-
лектора возрастает. Однако емкость нагрузки препятствует мгновенному из-
менению напряжения на нагрузке, и РТ перемещается из точки "а" в точку
"б" (рис. 11). На временном интервале, соответствующем неизменному току
базы, напряжение на нагрузке возрастает (РТ перемещается из точки "б" в
точку "в"). При обратном скачке тока базы ток коллектора уменьшается, а
напряжение остается неизменным (РТ перемещается из точки "в" в точку
"г"). После окончания действия импульса напряжение на коллекторе возвра-
щается к значению, соответствующему ИРТ.
При более сложных цепях нагрузки и формах входного воздействия РТ
может двигаться по весьма замысловатой траектории, приводя иногда к опас-
ным для транзистора режимам работы.
Информация о работе Лекции по "Схемотехнике аналоговых устройств"