Полупроводниковые приборы Электропроводность полупроводников (стр. 5 )

а)  с общим эмиттером;  б) с общей базой  в) с общим коллектором

  (ОЭ)  (ОБ)  (ОК)

Ес – источник электрического сигнала;

Еб – батарея смещения;

Ек, э – источники коллекторного (базового, эмиттерного) напряжения;

Rс – внутреннее сопротивление источника сигнала;

Rн – сопротивление нагрузки.

       

В схеме с ОЭ входной сигнал подается между выводами базы и эмиттера транзистора. Последовательно с Ес  включается батарея смещения. Выходной сигнал снимается с участка коллектор-эмиттер. Во время положительного периода уменьшаются токи эмиттера и коллектора. Падение напряжения на нагрузке также уменьшается. Одновременно Uкэ становится более отрицательным и потенциал коллектора уменьшается. Поэтому фаза выходного U в схеме изменяется на р(1800) по сравнению с фазой  Uвх.

  Аналогично работают схемы с ОБ и ОК (эмиттерный повторитель).

В схеме с ОБ выходной ток коллектора является составной частью тока эмиттера  Iвх, который и создает падение напряжения  U на R. В схеме с ОК входной сигнал подается на участок база-эмиттер; выходной – с сопротивления, включенного между

эмиттером и корпусом. Здесь фазы входных и выходных сигналов совпадают.

       Каждый из трех схем имеют свои достоинства и недостатки, которые обуславливают их применение. Наиболее часто применяются схемы включения транзисторов с общим эмиттером. Для согласования усилительных каскадов с разными сопротивлениями входа и выхода применяются схемы с общим коллектором.

Основные  технические показатели усилителей электрических сигналов.

Основные технические параметры усилителей: коэффициенты усиления по току ki, напряжению ku  и по мощности kp; ширина полосы пропускания ДF  , чувствительность, выходная мощность Pвых, искажения, вносимые усилителем.

  Коэффициентом усиления называется величина, показывающая, во сколько раз выходной сигнал больше входного.

Коэффициенте усиления находятся следующим образом:

  - по току

по напряжению

по мощности

Если усилитель имеет несколько каскадов усиления с коэффициентами усиления  k1, k2, k3,… kп, то общий коэффициент усиления  схемы находится как

k  = k1 * k2  * k3 *… kп,

В реальном усилителе сигналы разных частот усиливаются по-разному.  Зависимость коэффициента усиления от частоты сигнала называют частотной характеристикой

Kср  - максимальный коэффициент усиления;

∆F = Fв – Fн  - ширина полосы пропускания

верхняя  нижняя

граница  граница

Искажения могут быть частотными, амплитудными и фазовыми.

А) частотные оцениваются коэффициентом частотных искажений, которые являются отношением коэффициента усиления на средней частоте к коэффициенту усиления на определяемой частоте.

Коэффициент частотных искажений на верхнем и нижнем пределах частот одинаков и равен

МВ = МН = 1,41

Если усилитель имеет несколько каскадов усиления и известны частотные искажения в каждом каскаде, то коэффициент всего усилителя определяется следующим образом 

М = М1 * М2 *  М3 * …* МН

Б) Для определения амплитудных искажений необходимо знать, что такое чувствительность. Чувствительность – это минимальный сигнал, подаваемый на вход усилителя, при котором на выходе создается выходное номинальное напряжение (мощность).

Выходное номинальное напряжение (мощность) – это наибольшее выходное номинальное напряжение (мощность), при котором искажения не превышают значений, оговоренных в технической документации. Зависимость  выходного напряжения от входного  при неизменной частоте сигнала называется амплитудной характеристикой. 

Здесь имеются три участка: нижний изгиб – собственные шумы усилителя,

Верхний изгиб – искажения, за счет синусоидальности тока, участок АВ – линейный, т. к. искажения здесь минимальны. Это рабочий участок.

Оба изгиба являются амплитудным искажением, возникающий при появлении новых колебаний (высшие гармоники). Степень нелинейности искажений оценивается величиной коэффициента нелинейных искажений:

,  где

- сумма электрических мощностей, выделяемая на нагрузке 2, 3 и т. д. гармониками.

Для многокаскадных усилителей общая величина определяется как:

= 1+ 2+…+ п,  где

  - коэффициенты нелинейных искажений первого, второго и т. д. каскадов.

В) Фазовые искажения возникают из-за наличия в усилителе реактивных элементов. Для разных частот сдвиги фаз на реактивных элементах не одинаковы. Эти искажения не улавливаются человеческим ухом, поэтому в УНЧ не учитываются. В других усилителях с этим явлением необходимо бороться, т. к. выходной сигнал очень меняется. Их не будет в том случае, если сдвиг фаз между входным и выходным напряжением остается постоянным для всех частот или изменяется пропорционально частоте.

Входное сопротивление – сопротивление между входными зажимами усилителя для электрического сигнала

Выходное сопротивление

       Зная Rвх, можно легко определить и оптимальное внутреннее сопротивление возбудителя, при котором будут обеспечены максимальная передача мощности сигнала на вход транзистора и шунтирующее воздействие усилителя на возбудитель.

         Зная Rвых, определяется оптимальное сопротивление нагрузки R с номинальной мощностью при допустимых искажениях.

Принцип действия усилителя низкой частоты на транзисторах

При Uвх= 0 на выходе напряжение U также рано 0 (режим покоя).  C1 и C2  отделяют вход усилителя и его выход от предыдущего и последующих каскадов. При работе транзистора ток коллектора не должен превышать максимально допустимый. Транзистор работает при некотором определенном напряжении  U между коллектором и эмиттером

Uкэ= Eк  - Iк Rк

И является рабочим для данного транзистора. Во избежании искажений (< 5%) режим работы усилителя должен быть выбран по специальной рабочей характеристике. Для создания режима покоя нужно в усилителе обеспечить определенный ток смещения (ток базы). Для этого используются различные схемы.

Данная схема называется схемой с фиксированным током базы Iб. Здесь

Ek = Uбэ  +Rб Iб

, 

Здесь Uбэ  << Ек, поэтому им пренебрегают, при этом сопротивление базы очень велико, поэтому данная схема применяется достаточно редко.

         Наиболее часто применяется схема с фиксированным напряжением смещения на базе.

Напряжение смещения снимается с резистора, входящего на делитель напряжения R1, R2. Ток здесь выбирается достаточно большим и значительно меньше Iб в режиме покоя. Значения резисторов определяются следующим образом

,  ,  Iд=(2-5)Iб

Резисторы R1, R2 подключаются параллельно, поэтому данный делитель имеет большое сопротивление и удовлетворяет условию:

>> Rвх

Температурная стабилизация режима работы транзисторов

Температура окружающей среды и разброс параметров транзисторов приводит к различным видам искажений. Для стабилизации тока коллектора часто применяется обратная связь по постоянному току или напряжению. Если ток коллектора увеличивается, увеличится падение напряжения U на резисторе Rк, что приведет к снижению Uкэ и соответственно к снижению Uкб. Ток базы уменьшится.

Часть напряжения усиленного сигнала через резистор смещения Rб поступает на базу – вход транзистора в противофазе с выходным напряжением сигнала. Поэтому здесь действует, так называемая, отрицательная обратная связь по напряжению. Это коллекторная стабилизация.

Данная схема более эффективна. Стабилизация по постоянному току происходит при помощи делителя напряжения R1, R2 и Rэ.

Напряжение, управляющее током, состоит из двух встречно-параллельных: прямое фиксированное UR2 , снимаемое с R2 , и URэ от тока эмиттера Iэ. При увеличении температуры, увеличивается  Iк, следовательно, увеличивается падение U на  Rэ от  Iэ. Напряжение  UR2 остается постоянным. Напряжение между базой и эмиттером Uбэ уменьшается. Это вызывает уменьшение токов базы и коллектора. К резистору Rэ подключается параллельно Сэ большой емкости, величина которого выбирается с условием

  <<  Rэ

Это позволяет избежать применения отрицательной обратной связи.

Рабочую характеристику транзистора можно стабилизировать, используя терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом, включенным в базовую цепь транзистора.

Межкаскадные связи.