Общие принципы построения схем ЭУ. Режимы работы УЭ

Краткое содержание лекции

Усилитель состоит из отдельных каскадов. При проектиро­вании усилительного каскада решается целый ряд самостоятельных задач, основные из которых следующие:

· Выбор режима работы У Э.

· Выбор способа питания выходных цепей УЭ по постоянно­му току

· Выбор способа подачи напряжения смещения

· Выбор схемы стабилизации режима работы УЭ

· Выбор схемы межкаскадной связи

· Выбор и обеспечение способа включения УЭ по переменному току,

РЕЖИМЫ РАБОТЫ УСИЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

УЭ могут работать в различных режимах работы, отличающихся друг от друга тем, что ток в выходной цепи УЭ может протекать в течение различной части перио­да сигнала, действующего на его входе. Различают следующие основ­ные режимы работы УЭ: А, В, С и D.

РЕЖИМ А

Режимом класса А называюттакой режим работы усилительного элемента, при котором ток в выходной цепи существует в течение всего периода сигнала (рис. 1а).

Точка по­коя усилительного элемента находится примерно на середине пря­молинейного участка зависимости выходного тока от входного напряжения (проходной характеристики); это достигается подачей соответствующего напряжения смещения во входную цепь,

Достоинства – малые нелинейные искажения.

Недостатки - низкий КПД.

Режим А применяют в каскадах предварительного усиления, также в каскадах мощного усиления небольшой мощности; в каскадах мощного усиление с выходной мощностью выше нескольких ватт режим А не применяют из-за низкого КПД. Режим А можно использовать в однотактных и в двухтакт­ных каскадах.

Рис. 1. Режимы работы усилительного элемента: а-—режим А; б —режим В; в — ре­жим С

РЕЖИМ В

Режимом класса В называют такой режим работы усилитель­ного элемента, при котором ток в выходной цепи существует в те­чение примерно половины периода сигнала (рис. 1.б).

Точка по­коя усилительного элемента расположена на нижнем конце идеализированной (спрямленной) проходной характеристи­ки.

Углом отсечки называют половину той частипериода, выраженной в угловых единицах, в течение которой ток сигнала протекает через усилительный элемент. Угол от­сечки обозначают через ; в идеальном режиме В угол отсечки равен л/2 = 90°, а выходной ток протекает в течение полупериода. Однако в действительности из-за нижнего изгиба характеристики ток покоя в режиме В оказывается не равным нулю, а составляет 5—15% максимального значения выходного то­ка Imax и угол отсечки в немного превышает 90°. Из-за последне­го обстоятельства этот режим иногда 'называют режимом АВ, так как он является как бы промежуточным между режимом А и идеальным режимом В.

Достоинства – высокий КПД.

Недостатки - большие нелинейные искажения.

Из-за высокого КПД режим В широко применяется в каскадах мощного усиления, несмотря на необходимость применения двух­тактной схемы; каскады мощного усиления с выходной мощностью порядка десятка ватт и выше работают почти всегда в режиме В. В переносных устройствах, питаемых от химических источников тока, применение режима В экономически выгодно даже в каска­дах с выходной мощностью в доли ватта.

РЕЖИМ С

Режимом С называют такой режим работы, при котором ток в выходной цепи усилительного элемента течет меньше половины периода сигнала рис. 1в.

Точка по­коя располагается на горизонтальной оси, левее точки пересечения спрям­ленной проходной характеристики с горизонтальной осью, и усилительный элемент в отсутствие сигнала полностью заперт, а при подаче сигнала пропускает ток меньше половины периода (угол отсечки <90°).

Достоинства – КПД еще выше, так как потребле­ние питающей энергии меньше, чем в режиме В из-за отсутствия тока покоя и еще большего отношения амплитуды первой гармо­ники выходного тока к его среднему значению.

Недостатки - использование двухтактной схемы здесь не дает воз­можности получить в выходной цепи сигнал той же формы, что и подаваемый во входную цепь;

- происходит ограничение сигнала по минимуму, в резуль­тате чего колебания с малыми амплитудами не проходят через усилитель. Поэтому в усилителях гармонических сигналов произвольной формы режим С не применяют.

Ре­жим С широко применяют в мощных резонансных усилителях (на­пример, в радиопередающих устройствах), где нагрузкой являет­ся параллельный резонансный контур, настроенный на частоту по­даваемого на вход синусоидального колебания или на одну из его высших гармоник.

Контрольные вопросы

2.1. Что называют режимом А? Укажите его достоинства, недостатки и об­ласть применения.

2.2. Что называют режимом В? Почему режим В более экономичен и ис­пользуется только в двухтактных схемах?

2..3. Что такое угол отсечки выходного тока? Чему равен угол отсечки в режимах В и С?

2.4. В каких случаях целесообразно использовать работу лампы с токами управляющей сетки?

2.5. Почему режим С не используется в апериодических усилителях?

2.6. По заданной осциллограмме выходного тока коллектора определите режим работы и угол отсечки.

2.7. Поясните особенности ключевого режима работы транзистора.

Задание на СРС

3.1. Конспект Ключевой режим [ОЛ6.2] стр 57.

Задание на СРСП

4.1. Изобразите осциллограммы выходного тока коллектора для углов отсечки =60°, 120°.

Глоссарий

ЛЕКЦИЯ №25

Способы питания УЭ

Краткое содержание лекции

Чтобы транзистор усиливал сигналы необходимо эмиттерный переход сместить в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. Состояние, в котором находится УЭ при отсутствии на его входе усиливаемого сигнала, называется состоянием покоя. Постоянные то­ки и напряжения в цепях УЭ, соответствующие состоянию покоя, на­зывают токами и напряжениями покоя они определяют на входной и выходной статических характеристиках УЭ точку покоя. Положение точки покоя характеризует режим работы УЭ по постоянному току.

Токи и напряжения покоя УЭ устанавливают подачей соответствую­щих постоянных напряжений (или токов) от источника питания (ИП). Для обеспечения требуемого режима работы на УЭ обычно подается два напряжения: между эмиттирующим и управляющим электродамп (смещение) и между эмиттирующим и управляемым электродами (вы­ходное постоянное напряжение). Например, в биполярном транзисто­ре смещение — это напряжение между базой и эмиттером, а выходное напряжение — напряжение между коллектором и эмиттером транзи­стора.

Имеется два варианта питания выходных цепей УЭ: включение источ­ника питания последовательно (рис. 1а) и параллельно (рис. 1.б) с нагрузкой. В первом через нагрузку Zн протека­ет и постоянная и переменная составляющие выходного тока транзи­стора; во втором постоянная составляющая выходного тока из-за вклю­чения конденсатора Ср не проходит через нагрузку Zн, а переменная составляющая из-за включения дросселя Lдр не проходит через источ­ник питания.

Рис.1

Питание выходных цепей усилительных элементов в маломощных многокаскадных усилительных устройствах обычно производят от одного источника постоянного тока, подключая к нему цепи коллекторов, стоков, анодов всех каскадов параллельно рис. 2. Но при этом между каскадами возникает паразитная обратная связь через общий источник питания, ее ослабление до допустимой величины заставляет усложнять и удорожать как усилитель, так и источник питания. Паразитная обратная связь через общий источник питания в многокаскадном усилителе возникает вследствие того, что токи сигнала выходных цепей всех каскадов, протекая через источник питания с внутренним сопротивлением Zп, создают на нем падение напряжения сигнала Uпm,которое вместе с постоянной составляющей напряжения источника питания Е через коллекторные (или анодные) резисторы выходных цепей и делителя напряжения поступают обратно в цепи управляющих электродов усилительных элементов, образуя число петель паразитной обратной связи, равное числу каскадов усилителя. Эти петли паразитной обратной связи в трехкаскадном усилителе с биполярными транзисторами можно проследить на рис. 2., они могут привести усилитель к самовозбуждению.

Рис. 2. Паразитная обратная связь через общий источник питания в многокаскадном усилителе

Наиболее употребительным и экономичным способом снижения паразитной связи через общий источник питания является применение развязывающих фильтров RфCф, которые включаются в провод питания каскадов предварительного усиления (на рис. 2 показаны пунктиром). Развязывающие фильтры в многокаскадном усилителе можно включать последовательно друг с другом (рис. 3а), параллельно (рис. 3б) и смешанно.

Рис 3. Питание цепей усилителя от одного источника: а - при последовательном; б- при параллельном включении развязывающих фильтров

Последовательное включение более экономично, так как при нем для первых каскадов используется развязывающее действие фильтров последующих каскадов, поэтому на практике оно наиболее применимо. Однако в широкополосных усилителях из-за более сильного влияния фильтрующих цепочек при их последовательном включении на хар­актеристики усилителя в области низших частот нередко прихо­дится применять и параллельное включение,

В ламповых усилителях с большим коэффициентом усиления и высшей рабочей частотой порядка десяткой мегагерц и выше изменение характеристик усилителя и его самовозбуждение на высоких частотах может вызвать паразитная обратная связь черезобщий источник питания цепей накала, так как вследствие значительного индуктивного сопротивления проводников цепи накала на высоких частотах эта цель не отводит на общий провод попадающую на нее через паразитные емкости энергию усиленного сигнала, а передает ее таким же путем на управляющие сетки первых каскадов. В качестве источника питания цепи коллектора чаще всего используют выпрямитель, питаемый от сети переменного тока,— наиболее дешевый в эксплуатации, долговечный и надежный; в переносных усилителях, работающих вдали от сети переменного тока, для питания цепи коллектора используют гальванические элементы или аккумуляторы, что значительно дороже. Иногда в качестве источника коллекторного питания применяют термоэлементы, солнечные батареи, атомные генераторы.

В усилителях с большой выходной мощностью (от нескольких десятков ватт и выше) обычно приходится использовать несколь­ко источников питания.

Контрольные вопросы

2.1. Какие недостатки имеет схема питания коллекторных (или анодных) це­пей многокаскадного усилителя от общего источника?

2.2. Почему в мощных ламповых усилителях обычно приходится использовать несколько источников питания?

2.3. Что называют самовозбуждением усилителя? Может ли возникнуть самовозбуждение при глубокой отрицательной обратной связи?

2.4. Каковы причины возникновения паразитной обратной связи через общий источник питания? Как влияет эта паразитная обратная связь на свойства?

2.5. Для какой цели в цепи питания усилительных каскадов многокаскадного усилителя включают цепочки RфCф?

2.6. Какие требования предъявляются к источнику питания многокаскадного усилителя?

2.7. Почему для усилителя, работающего в режиме В, необходим источник питания, имеющий низкое внутреннее сопротивление?

Задание на СРС

3.1. Конспект: Расчет цепочек развязывающих фильтров [ОЛ6.2] стр 271-272.

Задание на СРСП

4.1. Рассчитать цепочку RфCф .

Глоссарий

ЛЕКЦИЯ №26

Способы подачи смещения

Краткое содержание лекции

Для установления необходимого положения рабочей точки (необходимой величины тока покоя выходной цепи) во входную цепь усилительного элемента подают напряжение смещения, по­лярность и значение которого зависят от типа усилительного эле­мента и положения рабочей точки, и определяются по характери­стикам. Например, у биполярных транзисторов типа р-п-р смеще­ние на базе должно быть отрицательным относительно эмиттера, у транзисторов типа п-р-п— положительным; его значение обыч­но в пределах 0,1—0,5 В для германиевых транзисторов и 0,5— 1 В — для кремниевых. В реальных усилителях обычно используют один источник питания в цепи коллектора напряжением 6 – 100 В, поэтому для подачи смещения лишнее напряжение надо погасить. Это можно выполнить тремя способами:

Фиксированным током базы рис. 1.

Сопротивление Rбвыбирается во много раз больше сопро­тивления по постоянному току между коллектором и базой транзисто­ра, напряжение . . определяются по входным характеристикам транзистора, исходя из выбранного режима работы. Поэтому

Ток базы практически не зависит от парамет­ров транзистора, имеет фиксированное значение, определяемое лишь напряжением источника питания и сопротивлением Rб.

Достоинства:простота, экономичность.

Недостатки:можно применить только в режиме А.

Рис.1 Рис.2

Фиксированным напряжением рис. 2.

Необходимое напряжение смеще­ния Uбэо обеспечивается с помощью делителя напряжения R1 и R2 в цепи базы. Через делитель протекает ток делителя, обычно выбирают , не зависит от параметров транзистора, поэтому при воздействии дестабилизирующих факторов останется неизменным, а значит и напряжение смеще­ния Uбэо = будет фиксированным. , тогда , а .

Достоинства:можно применять и в режиме А и в режиме В.

Недостатки:менее экономична. Находит наибольшее применение.

Автоматический способ подачи напряжения смещения на затвор ПТ и сетку ЭЛ рис. 3.

У полевого транзистора отсутствует ток затвора и полярность напряжения смещения на затворе противоположна полярности напряжения питания на стоке, поэтому предыдущие два способа подачи смещения применить невозможно, а применяют автоматический способ.

При п- канале на затвор транзистора подается от­рицательное напряжение смещения, при этом р-п переход закрыт и постоянный ток в цепи затвора отсутствует. По этой причине потен­циал затвора равен потенциалу общего провода, а потенциал истока транзистора относительно общего провода положителен и больше на значение напряжения U_Rист на резисторе Rист. Напряжение , где. Следо­вательно, между истоком и затвором в схеме рис. 3.а действует отрицательное смещение .

Рис.3

Для обеспечения требуемого смещения на полевом транзисторе может быть использован отдельный самостоя­тельный фиксированный источник смещения. Однако это невыгодно, так как требует дополнительного источника питания, и вообще, неже­лательно по той причине, что характеристики полевого транзистора значительно изменяются в зависимости от температуры и имеют боль­шой разброс от экземпляра к экземпляру. По этим причинам в боль­шинстве практических схем с полевыми транзисторами применяется ав­томатическое смещение (рис. 3 а), создаваемое током Iсо полевого транзистора на резисторе R_ИCT.

Для питания усилителей на ИМС используются либо двуполярные источники постоянного тока, либо однополярные. Двуполярный источ­ник питания имеет три зажима: положительный, отрицательный и об­щий заземляющий. Такой тип источника питания иногда называют источником с расщепленным питанием: наиболее типовые значения на­пряжений ± 6,3; ± 15; ± 18 В. В усилителях на ИМС специального назначения может применяться и несимметричное питание, например -(- 12 и — 6 В. В однополярном источнике питания имеются два за­жима: положительный (или отрицательный) и общий заземляющий. Таким образом, для питания усилителей на ИМС используется широкая градация номинальных значений положительной и отрицательной по­лярностей.

Необходимо учитывать, что различие значений питающих напря­жений на практике затрудняет, а иногда делает невозможным исполь­зование в одном усилителе ИМС различных серий, даже если они по своим параметрам и функциональному назначению подходят для про­ектируемого усилителя.

Контрольные вопросы

2.1. Поясните, с какой целью подают напряжение смещения на УЭ?

2.2. Между какими электродами БТ, ПТ и ЭЛ подают напряжение смещения?

2.3. Изобразите схему подачи напряжения смещения фиксированным током базы, поясните принцип действия.

2.4. Изобразите схему подачи напряжения смещения фиксированным током базы, поясните принцип действия.

2.5. Изобразите схему подачи напряжения смещения на затвор ПТ автоматическим способом, поясните принцип действия.

2.6. Изобразите схему подачи напряжения смещения на сетку ЭЛ автоматическим способом, поясните принцип действия.

2.7. Поясните особенности питания усилителей на ИМС.

Задание на СРС

3.1. Автоматический способ подачи напряжения смещения на сетку ЭЛ [ОЛ6.2] стр 90-91 рис.4.13.

Задание на СРСП

4.1. Рассчитать элементы катодного смещения, если Uсио=-1 В, Iа=2,5 мА, Iэс=0,5 мА.

Глоссарий

ЛЕКЦИЯ №27