Аперіодичний підсилювач безперервних коливань

Особливості підстлювачів з загальною базою, загальним колектором. Порівняльний аналіз каскадів підсилення. Оцінка та режими роботи схем СЕ, СБ, СК. Використання уніполярних і біполярних транзисторів, переваги. Трансформаторні та безтрансформаторні схеми.

Аперіодичний підсилювач безперервних коливань

Зміст

1. Особливості підстлювачів з СБ, СК та порівняльний аналіз схем (каскадів) підсилення

2. Порівняльна оцінка схем СЕ, СБ, СК

3. Особливості підсилювачів на уніполярному транзисторі та підсилювачів потужності на БТ

4. Особливості підсилювачів на БТ

5. Призначення елементів схеми

6. Робота схеми

1. Особливості підстлювачів з СБ, СК та порівняльний аналіз схем (каскадів) підсилення

Схема з СК (емітерний повторювач; повторювач напруги). Типова схема ЕП зображена на мал. 2.1.

Мал 2.2

Елементи Rб1,Rб2, Rезабезпечують потрібний режим роботи по постійному струму та його стабілізацію; Rе навантажує ланцюг емітера та служить для виділення підсиленого сигналу, що є одночасно опором ВЗЗ по змінному струму.

Сф–з’еднує колектор по змінному струму з загальним дротом. Особливістю даного каскаду, визначаючою всі його властивості є те, що напруга підсиленого сигналу, створена на Rе змінним струмом емітера Urе , повністю збігається за фазою з вхідним сигналом (див. Мал.2.2.),напруга Uбе буде рівня різниці напруг вхідного сигналу та Urе (вихідного сигналу).

Uбе=Uвх -Urе ≈Uвх-Uвих

Тобто в схемі ЕП діє 100% ВЗЗ по змінному струму, який й визначає основні характеристики даного підсилювача.

Коефіцієнт підсилення напруги:

Kuеп= Uвих/Uвх≈Uвх-Uбе/Uвх=1-Uбе/Uвх <1

Оскільки Uбе << Uвх то Kuеп≈1

Коефіцієнт підсилення струму .

З-за того, що вхідним струмом в схемі ЕП є струм емітера, а вхідним струм бази,то

Кіеп=Іе/Іб >>1≈-h21e

Коефіцієнт потужності

Kpen=Kien*Kuen≈–h21e

100% Взз по струму, який має місце в схемі ЕП, суттєво збільшує вхідний та зменшує вихідний опір каскаду.

Тобто ЕП (повторювач напруги) має наступні властивості:

· Не змінює фазу сигналу, підведеного до цого входу;

· Не підсилює вхідний сигнал по напрузі (Ku≈1 ),але підсилює по струму та потужності;

· опір (Zвх>>1/g11e – без врахування впливу базового дільника) та малий вихідний опір;

·

з урахуванням не перелічених властивостей ЕП та в першу чергу високий вхідний та малий вихідний опір його використовують для узгодження з малим опором.

З-за слабкого впливу змін опору навантаження ЕП на його вхідну проводимість ЕП можливо використовувати для розв’язка нестабільного навантаження від джерела коливань з високою стабільністю.

Схема з загальною базою

Мал.2.3.

Варіант схеми зображений на мал. 2.3. з загальною базою. Призначення елементів Rб1,Rб2,Rе,Rк,Cф,як і всхемі з СЕ. Сбл з’еднує базу з загальним дротом по змінному струму.

Основна особливість даного підсилювача це те, що крізь джерело підсилюємого сигналу проходить змінна складова струму емітера, а вхідним опором каскаду практично є опір, переходу Б-Е, зашунтований опорами Rе та опором джерела вхідного сигналу. Це обумовлює дуже низький вхідний опір, значно менший ніж у схем з СЕ а тимпаче СК.

Вихідним сигналом в даній схемі є змінна напруга ~URk,створюватиме змінним струмом Ik~ наRk. Так як Ik~ є частиною Iе~ , який синфазний з напругою вхідного сигналу Uвх , то вихідний сигнал в схемі СБ співпадає за фазою з вхідним сигналом.

Схема СБ не підсилює по струму, так як вхідним струмом є струм емітераIе , а вихідним – менший за величиною струм колектора Ik,то

Кiзб=Iвих/Iвх=Ik/Iе=Ik/Ik+Iб=1/1+Iб/Ik≈1 (Ik>>Iб)

По напрузі схема СБ підсилює навіть краще, ніж схема СЕ

Кзб о =- g21 e /g22 e +1/Rk +1/Rn ;

Кзб о ≈ g21 e /1/Rk +1/Rn

Ко – коефіцієнт підсилення напруги в області передніх частот, де нерівномірність АЧХ відсутня, а її нормоване значення рівне одиниці.

Вхідна провідність схеми з СБ в порівнянні з схемами СЕ та СК велика та практично рівна:

Yвх ≈g21 e ; g21 e >>g11 e g21 e >>g22 e

Тобто дана схема має самий низький вхідний опір із розглянутих схем: СБ, СК та СЕ.

Вхідна провідність схеми СБ такаж як й в схемі СЕ та рівна :

Yвих = g22 e


Коефіцієнт підсилення потужності приблизно рівен коефіцієнту підсилення напруги, так як схема СБ не підсилює по струму

Кі зб ≈1

2. Порівняльна оцінка схем СЕ, СБ, СК

1. З розглянутих схем тільки схема СЕ змінює фазу підсилюємого сигналу на підсилювачі ( в області середніх частот);

2. Найбільшими підсилювальними властивостями володіє схема СЕ, у якого Кu зе >> 1 та Кі зе >> 1, в той час як Кu зк <1та Кі зб <1;

3. Схеми СК та СБ мають більш широку смугу робочих частот в порівнянні зі схемою СЕ, з-за того, що в цих схемах має місце ВЗЗ;

4. Найбільшим вхідним опором володіє схема з СК;

5. Найменшим вхідним опором володіє схема з СБ;

6. Найменшим вихідним опором володіє схема з СК;

7. Наймнший вихідний опір має схема з СБ.

Кількісна оцінка розглянутих параметрів приведена в таб. 9.1. (Л.1. с 383)

3. Особливості підсилювачів на уніполярному транзисторі та підсилювачів потужності на БТ

При використанні польових транзисторів (ПТ) для побудови схем підсилювачів також, як і в випадку БТ, можливі три схеми їх підключення: з загальним витоком (ЗВ), загальним стоком (ЗС) та загальним Затвором (ЗЗ).

Основною особливістю схем підсилювачів на ПТ, є те, що розміром струму вихідного кола (кола стока) керує змінна напруга сигналу, діюча на ділянці затвор-стік, а не струм переходу Б-Е, як в схемах Підсилювачів на БТ. Процеси в Підсилювачах на ПТ в багато в чому схожі з процесами в лампових підсилювачах.

Залежність струму стоку від температури обумовлює наявність в схемі підсилювача на ПТ елементів (кіл), температурної стабілізації точки спокою

З-за значно більшого (на декілька порядків ε з-в =108 -1010 Ом) вхідного опору ПТ в порівнянні з БТ струм затвору в режимі спокою має розмір, яким можливо в більшості випадків знехтувати.

Варіанти схем підсилювачів на ПТ с керованим р-n переходом та каналом n- типу зображені на мал.2.4

1. Схема з ЗВ та з витоковою температурною стабілізацією;

Схема з ЗС ( витоковий повторювач);

2. Схема з ЗЗ


В)

Мал 2.4.

В схемах ЗВ та ЗЗ опір R1 може бути відсутнім, якщо розмір опору Rв можна обрати таким, що забезпечується потрібна напруга на ділянці затвор-виток.

Величина постійного струму в схемах підсилювачів на ПТ не залежно від схеми його включення проходить постійний струм стоку, джерелом якого є джерело Ев . Полярність включення цього джерела визначається типом каналу, у ПТ з каналом р-типу на стік подається від’ємна напруга, а з каналом n-типу – позитивна.

Проводячи порівняльну оцінку властивостей схем підсилювачів на ПТ, не важко помітити, що по таким параметрам, як впливна фазу підсилюємого сигналу, коефіцієнт підсилення, вхідний та вихідний опори, смугу робочих частот, неважко помітити, що вона аналогічна розглянутій раніше оцінці підсилювачів на БТ.

4. Особливості підсилювачів на БТ

Коефіцієнт корисної дії (η) визначається виразом:

η =P~ /Po = 2Um *Im /E*Io =0,5*ξIm / Io

ξ= Um / Eкоефіцієнт ЕС джерела живлення.


Im ,Io – відповідно амплітуда струму в навантаженні, та постійна складова струму вихідного кола ПП.

Для отримання високого КПД елемент,що підсилює необхідно за можливістю більш повно використовувати які по напрузі, так й по струму.

Розрізняють схеми однотактних та двухтактних ПП, трансформаторних та безтрансформаторних.

Елементи, що підсилюють в трансформаторних ПП найбільш часто включають за схемою ЗЕ, володіючий більшим підсиленням потужності. Вариант схеми однотактного трансформаторного транзисторного ПП зображено на мал.2.5.

Мал 2.5.

Призначення елементів схеми ПП, кола струму бази та колектора ті ж, що й в схемі резистивного Підсилювача на БТ ( за виключенням трансформатора Тр ).

Трансформатор в схемі ПП виконує наступні функції :

· Виключає проходження постійної складової струму колектора крізь навантаження (роз’е’єднує навантаження та вихідне коло та вихідне коло ПП по постійному струму)

· Трансформує опір нагрузки в розмір, необхідний для навантаження кола колектора по змінному струму, тобто забезпечує погодження вихідного опору ПП з опором навантаження для отримання в навантаженні максимальної потужності.

Елементи, що підсилюють в схемах однотактних П працюють в режимі класу А (лінійному режимі), при цьому постійна складова струму його вихідного кола залишається при підсиленні сигналів практично постійною, що дозволяє використовувати в транзисторнних ПП схему емітерної стабілізації.

До основних характеристик щднотактного ПП відносяться:

1. Потужність в корисній нагрузці Rk Pн =0,5I2 k 1 m *R2 ,де – амплітуда першої гармоніки струму колектора; ηmp = Pн / P – ККД вихідного трансформатора.

2. Потужність, що споживається від джерела живлення:

3. P0 =Ek *Ikn Ikn - струм колектора в режимі спокою

4. ККДη= Pн / P0 =0,5* I2 k 1 m *R2 ηmp / Ek * Ikn = * ηmp , тутηк =0,5*I2 k 1 m *R2 / Ek * Ikn – ККД колекторного кола.ηmp =0,7-0,85 та зменшується зі зменшенням розмірів трансформатору (тобто його потужності).

5. Потужність, яка розсіюється на колекторному переході:Pк = P0 - P= Ek *Ikn – 0,5 I2 k 1 m *R2 = Ek * Ikn - 0,5 Ik 1 m *Ukm

6. Коефіцієнт нелінійних викривлень (коефіцієнт гармонік):

Кri =√ I2 k 2 m + I2 k з m +.../ Ik 1 m

Граничне значення ККД однотактного ПП не превищує 0,5(це тільки теоретично). Дійсно, якщо покласти Ik 1 m =Ikn ,амплітуду напруги на колекторі Umk =Ek ,а ККД трансформатора ηmp =1 ,отримуємо:

η=0,5 Ik 1 m * Umk /( Ek * Ikn )=0,5 Ikn * Ek /( Ek * Ikn )=0,5

Практично η помітно менше, так як з-за значень нелінійних викривлень коефіцієнти використання транзистора як по струму так і по напрузі не перевищують значень 0,7-0,8.

Більш високі значення ККД вдається отримати в схемах двухтактних ПП, в яких елементи, що підсилюють, працюють в режимі класу В (з відсічкою струму рівній θ° =180° /2).

Варіант схеми транзисторного трансформаторного ДПП зображен на мал.2.6.

Мал 2.6.

Режим спокою в даній схемі задається підбором елементів дільника, а ланцюг емітерної стабілізації Rε Cε відсутній, так як постійна складова струму колектора залежить від амплітуди підсилюємих сигналів.

В ДПП обидва прилади, що підсилюють повинні бути ідентичними, а схема в цілому-симетрична відносно загальної точки, так як збудження транзисторів відбувається в протифазі та з однаковими амплітудами.На схемі точками позначені одноіменні затиски обмоток трансформаторів Тр.1 та Тр.2, а знаками “+” та “-”-розділ потенціалів на вторинній обмотці Тр.1(без дужок-для додатнього періоду,в дужках-для від’ємного).

Фізпроцеси в схемі пояснюються графіками залежності струмів транзисторів i(1) k та i(2) k та струиу різниці в первісній обмотці Тр.2.

Протягом позитивного півперіду вхідного сигналу через обмотку Трю2 проходить тільки струм ik 2 , так як транзистор VT1 буде практично закритий. При від’ємному півперіоді стан транзисторів VT1 та VT2 змінюється на протилежний: відкритий VT1, закритий VT2.

Результуючий струм в обмотці Тр.2 рівний різниці струмів i(1) k та i(2) k (мал.2.7.в) повторює форму вхідного сигналу(звідсіля і назва схеми-двутактна).

Графіки мал.2.7. дають декілька спрощене пояснення фізпроцесів в транзисторному ДПП, так як отримати в резисторах різку відсічку струму колектора дуже важко.

ККД ДПП значно більше ККД однотактного ПП,дійсно,вважаючи приблизно, що амплітуда напруги між колекторами Ukm рівня Ek ,а амплітуда струму колектораIkm рівна максимальному значенню струму колектора, яке він приймає під час роботи, отримуємо для потужності в навантаженні.

Pн =0,5Ikm *Ukm =0,5Ikmax *Ek ηтр ;

Для середньої потужності, що витрачається:

Pо =1/Т0Т Ek *2Iko dt, Iko =1/Т0Т/2 Ikm *cos(ωt)dt= Ikm /T= Ikmax /T

Pо =Ek *Ikmax 2/T.

Тоді для ККД ДПП(без урахування ККД вихідного трансформатора Тр.2), маємо:

ηк = Pн / P0 = Ek Ikmax /(2* Ek Ikmax 2/π)= π/4=0,78

Практично ККД не досягає граничного значення, але помітно більше ККД однотактного ПП.

Так як трансформатори вносять додаткові частотні та нелінійні викривлення, порівняно громіздкі та не можуть бути елементами ІМС, виникла необхідність створення безтрансформаторного ДПП.

Розроблені схеми ДПП, побудовані як на транзисторах однієї провідності, так і на комплементарних транзисторах.

Варіант схеми безтрансформаторного ДПП на транзисторах різної провідності зображен на мал.2.8.

P2 ,VD-1,VD-2-елементи, які забезпечують необхідний розмір напруги на ділянці Б-Е транзисторів VT-2,VT-3 в стані спокою та температурну стабілізацію їх струмів колектора. С2 -виключає проходження постійних складових струму колектора VT-2,VT-3 через Rн . R3 R4 ланцюг ВЗЗ по напрузі-для підтримання рівності напруг UKEvt 2 =UKevt 3 =0.5Ek при зміні t°, расброс параметрів та інше. В режимі споеою в схемі ДПП проходять постійні складові струмів бази та колектора під дією напруги джерела живленняЕк . Значення цих струмів невеликі, так як транзистори майже зачинені малою напругою на ділянках Б-Е, знятим з діодів VD-1таVD-2 в прямому включенні.

Для простоти вважаємо підсилюємий сигнал гармонічним. Двутактний каскад працює наступним чином. При появі на колекторі транзистора VТ-1 напруги підсилюємого сигналу, яка одночасно подається до баз VТ-2 та VТ-3(до бази VТ-3 безпосередньо, до бази VТ-2 малий опір відкритих діодів VD-1,VD-2). Наприклад позитивної полярності n-p-n транзистор відчиняється,а VТ-3 зачиняється. Змінна складова струму колектора VТ-2 проходить через Rn по колу: К-Б-Е

С2 Rn К.

В другий півперіод напругою від’ємні полярності танзистор VТ-2 зачиняється, а VТ-3 відчиняється та його змінний струм колектора проходить по колу

К→ ┴ → Сф → Rn →С2 → К.

Тобто в даній схемі VТ-1 та VТ-2 почергово відчиняються, а зачиняються на час, рівний половині періода підсилюваємого сигналу, а їх колекторні струми створюють на опорі навантаження напругу, співпадаючу за формолю з вхідним сигналом, але більшої потужності.

При побудові схем ДПП на однотипних транзисторах необхідно як і в попередній схемі (мал. 2.8) забезпечити почергову роботу транзисторів тільки протягом половини періода підсилюваємого сигналу. В режимі спокою вихідні транзистори ПП повинні знаходитись в однаковому стані з можливо меншим струмом колектора спокою. При цьому схма ПП будується итак, щоб відкриття одногоз транзисторів відкликало закритт іншого. Ці схеми отримали назву схем з послідолвним збудженням (управлінням) елементів, що підсилюють.

Варіант схеми ДПП на однотипних транзисторах зображений на мал.2.9.

5. Призначення елементів схеми

R1, VD-1 cхема зміщення рівня, що забезпечує режимрежим спокою транзистора VТ-2 (напруга зсуву на ділянці Б-Е VТ-1).

R2 – опору навантаження кола колектора VТ-1, воно ж виконує роль опору зв’язку. На ньому створюється напруга протифазна до напруги, підведеної до ділянки Б-Е VТ1. Ця напруга через маленький опір стабілітрона VD-1 подається на базу VТ-2 та керує його станом.

R – приймає участь в забезпеченні потрібного режиму спокою транзисторів та температурну стабілізацію точки спокою.

6. Робота схеми

При подачі на базу транзистора VТ-1 , наприклад, позитивного півперіода підсилюваємого сигналу, змінна складова струму колектора ~ік1 , протікаюча по колу +Ек→R2 →К-Б-Е→Rн →┴→-Ек створює протифазне до вхідної напруги на R2 . Ця напруга через малий опір стабілітрона VD-1 підводиться до бази VТ-2 та закриває його. Через опір навантаження проходить змінна складова струму колектора тільки VТ-1.

При зміні полярності вхідного сигналу інвертована напруга з R2 відчиняє транзистор VТ-2 та його змінний струм колектора, протікаючи по колу: ┴ → Rн →К-Б-Е (VТ-2) →-Ек, створює на Rн синфазну з вхідним сигналом напругу підсиленого сигналу. Транзистор VТ-1 під час від’ємного півперіода вхідного сигналу підзапирається, а його струм, що проходить через Rн зменшується практично до нуля.

Тобто в даній схемі транзистори VТ-1 та VТ-2 працюють почергово, тобто в два такти. Протягом позитивного півперіода вхідного сигналу транзистор VТ зачинений та напруга в навантаженні створюється змінним струмом колектора VТ-1. Під час від’ємного півперіода транзистор VТ-1 підзапирається, а VТ-2 відкривається та через опір навантаження проходять назустріч одне одному струми обох транзисторів. Але ік2 >>ік1 , та тому можна вважати, що корисний ефект в навантаженні створюється тільки струмом VТ-2.

Література

1.Качанов Н.С. ЛРТУ М.ВИ.1974 р. Стор 369-383, 426-438