Усилительные каскады на биполярных транзисторах презентация

Усилитель – это устройство, увеличивающее мощность входного сигнала за счет энергии источника питания, т.е. усилитель всегда лишь управляет передачей энергии к нагрузке.
Многие усилители состоят из нескольких ступеней, осуществляющих последовательное усиление сигнала, которые называются - каскадами

Классификация усилителей
по виду сигнала:
усилители периодических сигналов;
усилители постоянного тока (УПТ);
импульсные усилители;
специальные.
по роду усиливаемой величины:
усилители тока (ki>1);
усилители напряжения (ku >1);
усилители мощности (kp >1)

Важнейшим показателем усилителей является амплитудно-частотная характеристика (АЧХ): зависимость модуля коэффициента усиления ku для синусоидального входного сигнала от частоты.
УСИЛИТЕЛИ
ku
f
fв
fв=103-108 Гц
УПТ
ku
f
fв
fв=15-20 кГц
УЗЧ
fн
fн- десятки Гц
ku
f
fв
до сотен МГц
УВЧ
fн
от десяток кГц
ku
f
fв
до сотен МГц
ШПУ
fн
от десяток Гц
ku
f
f0
узкая полоса
частот
УПУ

Основные элементы каскада: управляемый элемент (БТ) и резистор R
Для обеспечения работы каскада при ~ входном сигнале в его входной и выходной цепи должны быть созданы постоянные составляющие тока Iп и напряжения Uп. Для этого во входную цепь подают постоянное напряжение Uвх п.
УЭ
R
-E
uвых
uвх
i

Графоаналитический метод расчета усилительного каскада с ОЭ
2Um БЭ
UБЭ П
_
+
t
t
_
+
В
П
А
IБ, мкА
80
60
40
20
2ImБ
0 50 100 150 200 250 uБЭ, мВ
UКЭ = 5В
IБП

Линия нагрузки
uВХ
RЭ
СЭ
ЕК
Rк
VT
UК
1) IК=0; UК П=ЕК
2) UК П=0; IК=ЕК/RК

Графоаналитический метод расчета усилительного каскада с ОЭ
t
ImK
_
+
+
_
t
20 мкА
40 мкА
60 мкА
IБ = 80 мкА
2Um КЭ
UКЭ П
0 2 4 6 8 12 uКЭ, В
iK, мА
5
4
3
2
1
IKП
2Im K
M
B
П
A
N
IБ = 0

Порядок расчета
На выходных характеристиках строится линия нагрузки каскада, которая представляет собой геометрические места точек, координаты которых соответствуют возможным значениям точки покоя каскада.
На входной характеристике выбирается необходимое значение тока базы покоя, и тем самым определяются координаты точки покоя П, путем пересечения соответствующей выходной характеристики с линией нагрузки.
Для исключения искажений выходного сигнала необходимо, чтобы рабочая точка при перемещении вверх по линии нагрузки не заходила в область нелинейных начальных участков выходных характеристик, а при перемещении вниз – в область начальных токов коллектора.

Широкополосный (апериодический) усилитель
Основное требование к усилителю:
отсутствие искажений закона изменения входного сигнала в процессе усиления.
Для обеспечения этого требования для режима покоя необходимо выбрать прямолинейный участок входной характеристики и подать постоянное напряжение, смещающее эмиттерный переход в прямом направлении.

ШПУ
С1 и С2 – разделительные емкости (отделяют переменную составляющую от постоянной составляющей;
С3 – блокирующий конденсатор (устраняет ООС по переменному току);
RБ1, RБ2 – делитель напряжения (для смещения эмиттерного перехода в прямом направлении и выхода на линейный участок входной характеристики.
uВХ
С1
RБ2
RЭ
С3
RБ1
ЕК
RК
VT
С2
RН

0 – t1:
uвх= 0 (постоянное напряжение); uБ=2 В; uЭ = 2 - 0,6 = 1,4 В; uК = 8 В (режим зависит от RК);
t1 – t2:
малый входной сигнал, uБ=2 + uвх, uЭ=const, т.к. есть С3 (фильтрация переменной составляющей);
t2 – t3:
Большой входной сигнал. Возможны искажения типа «ограничение». Нежелательно искажение uК ;
t3 – t4:
Другой режим, при увеличении RК (аналогично t1 – t2). Искажений нет, режим удачнее.
uВХ, В
1
0
-1
UKЭ П2
t
uK, В
ЕК
8
4
0
UБЭ П
t
t
uБ, В
3
2
1
0
Временные диаграммы усилительного каскада
UKЭ П1
t1
t2
t3
t4

Избирательные усилители
- это усилители, работающие в определенной полосе частот.
Типы усилителей:
Резонансный усилитель;
Усилитель с полосовыми фильтрами;
Усилитель с избирательными RC цепями.

Частотные свойства одиночного колебательного контура
Резонанс токов
Резонанс напряжений
ω
X
R0
r0
XL=ωL
XC=1/ωC
ω0
ρ
- Условие резонанса
2Δω

ρ – характеристическое сопротивление, т.е. сопротивление каждого элемента на резонансной частоте;
R0, r0 – эквивалентное резонансное сопротивление (теоретически R0=∞, r0=0 – для контура без потерь);
Потери в контуре – активное сопротивление провода катушки, потери в сердечнике, гистерезис, вихревые токи.

Селективность усилительных свойств оценивается добротностью:
2 Δω – полоса пропускания
Обычно Q = 5 – 100 (у специальных усилителей – до 1000)

Резонансный усилитель с ОЭ
L, C –параллельный контур коллекторной цепи (вместо резистора в широкополосном усилителе).
uВХ
RЭ
СЭ
VT
ЕК
RН
L
C
Rвых складывается из R0, Rвых транзистора и Rн.
Если пренебречь Rвых транзистора и Rн, то kU ~ R0, а на резонансной частоте сопротивление контура велико и kU - максимален

Усилитель постоянного тока (УПТ)
УПТ предназначены для усиления сигналов, медленно изменяющихся во времени, т.е. сигналов, частота которых приближается к нулю.
Дрейфом усилителя называется самопроизвольное изменение выходного напряжения УПТ при неизменном напряжении входного сигнала.
Причины дрейфа: нестабильность напряжения питания схемы, температурная нестабильность параметров транзисторов и резисторов.
Напряжение дрейфа определяют при закороченном входе усилителя по приращению выходного напряжения.

Т.П. – термопара – электрический термометр (служит для преобразования текущего значения температуры в электрический сигнал.
Термопара состоит из 2-х различных металлических пластин, одни концы которых соединены сваркой или пайкой. При нагреве места соединения пластин на их концах образуется постоянное напряжение, которое пропорционально значению температуры нагрева.
R1, R2 – делитель напряжения
E1-компенсирующая ЭДС
R4 – термостабилизация режима
R3, VT1 и R4 – делитель напряжения

VT
Mз
Mo
RБ
Iк0
Ключевой режим работы БТ
Импульсная и цифровая техника базируется на работе транзистора в качестве ключа (замыкание и размыкание цепи нагрузки)
uКЭ, В
IБ 5
IБ 4
IБ 3
IБ 2
IБ 1
IБ = 0
iК, мА
ΔUкэ откр.
uВХ
Rк
- Ек
Iк0
IБ
+(-)
-(+)
Iк

Качество транзисторного ключа определяется в первую очередь падением напряжения на транзисторе в открытом состоянии (остаточное напряжение) и остаточным током транзистора в закрытом состоянии.
Строится линия нагрузки по уравнению:
UКЭ= - (EK - IK·RK)
Режим отсечки транзистора осуществляется подачей на его вход напряжения положительной полярности (Uвх>0). Эмиттерный переход запирается и IЭ=0. Вместе с тем через резистор RБ протекает обратный (тепловой) ток коллекторного перехода IК0 (точка МЗ).

Протекание IК0 связано с тем, что транзистор в закрытом состоянии не обеспечивает полное отключение RK от источника питания. Малое значение IК0 является одним из критериев выбора транзистора для ключевого режима работы.
Значение входного запирающего напряжения выбирают из расчета:
UБЭ= Uвх.зап – IK0·RБ > 0
Для германиевых транзисторов UБЭ =0,5–2 В.

Режим открытого состояния транзистора достигается изменением полярности входного напряжения (Uвх<0), точка М0.
ΔUКЭ откр – остаточное напряжение на транзисторе в открытом состоянии;
В зависимости от типа транзистора ΔUКЭ откр = 0,05 – 1 В и IK = EK/RK.

Диаграммы напряжений и токов ключевой схемы
t
Uвх
Uвх зап
Uвх отп
IK0
IБ отп
t
t
t
IБ
IК
UКЭ
ΔUКЭ отп
IK0RK
IK0
t0-t1 – транзистор заперт, токи IБ и IК определяются тепловым током транзистора IK0,
UКЭ= - (EK - IK·RK);
t1-t2 – отпирание транзистора, из-за инерционности транзистора IK и UКЭ изменяются по экспоненте;
t3 – к схеме прикладывается запирающее напряжение, возникает задержка в запирании транзистора.
-ЕК