Полупроводниковые приборы Электропроводность полупроводников (стр. 6 )

Для получения усиленного сигнала достаточно большого значения применяются многокаскадные усилители. Для передачи сигнала с одного на другой каскад используются следующие элементы межкаскадных связей: резистивно-емкостные (наиболее часто), непосредственные (гальванические, трансформаторные и т. д.)

Рассмотрим амплитудно-частотную характеристику двухкаскадного усилителя. Снижение коэффициента усиления в области нижних частот обусловлено разделительными конденсаторами Ср1, Ср2, Ср3.

Увеличение сопротивлений разделительных конденсаторов на нижних частотах приводит к падению напряжения сигнала на них и, следовательно, выходное напряжение падает.

В области верхних частот учитываются емкости коллекторных переходов Ск, а также входные емкости монтажа схемы, которые снижаются с ростом частоты. Это приводит к завалу АЧХ усилителя.

В области средних частот влиянием всех реактивных элементов схемы можно пренебречь и, следовательно, коэффициент усиления на этих частотах будет иметь максимальное значение.

Выходные каскады усилителей.

Выходные каскады предназначены для отдачи в нагрузку заданной мощности сигнала при высоком КПД и минимальном уровне искажений.

При небольшой выходной мощности в выходных каскадах применяют те же транзисторы, что и в предварительных. Для получения средней и большой мощности используются мощные транзисторы.

В зависимости от положения рабочей точки на характеристике транзистора различают четыре основных режима работы усилителей мощности: А, В, АВ, С.

режим А. Ток в выходной цепи транзистора протекает  в течение всего периода сигнала. Форма колебаний выходного тока будет почти в точности воспроизводить изменения сигнала во входной цепи. Это обеспечивает минимальные нелинейные искажения сигнала. Однако этот режим характеризуется низким КПД (20-30%). Данный режим  применяется в маломощных каскадах, в которых важны малые нелинейные искажения, а КПД не имеет существенного значения. режим В. Здесь ток покоя должен равняться нулю. При подаче на вход напряжение сигнала положительная полуволна будет вызывать появление выходного тока через транзистор; при отрицательной – выходной ток отсутствует. Следовательно, выходной ток будет иметь форму импульсов с углом отсечки равным р/2. Угол отсечки – половина той части периода, в течение которой ток сигнала протекает через усилительный элемент. В этом режиме достаточно большой КПД (60-70%), но уровень нелинейных искажений достаточно велик. Используется в двухтактных схемах для получения большой мощности при высоком КПД. режим АВ. Промежуточный между режимами А и В. Он  более экономичен, чем А (кпд 40 –50%), и характеризуется меньшими искажениями, чем в В. режим С. Ток выходной цепи течет меньше половины периода входного сигнала. Каскад усилителя при отсутствии сигнала и при его малых значениях не работает. Поэтому усилитель потребляет от источника питания меньше энергии, чем в режиме В. эти усилители не воспроизводят весь период усиливаемого сигнала, что искажает сам сигнал.

Применение: радиопередающие устройства.

Обратные связи в усилителях.

Подача напряжения с выхода усилителя на его вход называется обратной связью. ОС бывает паразитной  (вредной) и преднамеренной, возникающей за счет включения в схему специальных цепей обратной связи.

ОС может быть положительной и отрицательной. При положительной напряжение ОС совпадает по фазе с входным напряжением. Поэтому ко входу прикладывается напряжение

U1=Uвх + Uос

При отрицательной напряжение ОС находится в противофазе с входным напряжением

U1=Uвх - Uос

Наиболее часто применяется последовательная отрицательная ОС (ПООС) по напряжению.

Величина, показывающая, какая часть выходного напряжения подается на вход каскада называется коэффициентом передачи цепи ОС  в, и принимает значения 0 – (+1) при положительной ОС, при отрицательной ОС 0 – (-1)

По мере увеличения численного значения напряжение ОС данная связь становится более глубокой.

Коэффициент усиления усилителя с ОС выражается следующим образом

,  где  =Uос

Разделим числитель и знаменатель на U, тогда

, где  к =  - коэффициент усиления каскада без ОС.

Произведение называют фактором ОС, знак которого совпадает со знаком самой ОС. При положительной ОС знаменатель дроби уменьшается, поэтому коэффициент усиления возрастает в раз. Но так как вк→1, то кос→∞ и,=>, усилитель может самовозбуждаться и переходить в состояние генератора. Поэтому данный вид ОС практически не применяется.

При отрицательной ОС коэффициент усиления уменьшается в раз. При вк >>1 общий коэффициент усиления схемы зависит от коэффициента усиления собственного усилителя, а определяется только коэффициентом передачи ОС.

Отрицательная ОС уменьшает возникающие в усилителе нелинейные искажения за счет подачи высших гармоник усиливаемого сигнала на вход усилителя по обратной связи в противофазе относительно выходного напряжения.

Аналогичное влияние ООС оказывает на напряжение помех (фон, наводки и т. д.), а также влияет на входное и выходное сопротивления каскада.

, 

Из полученных выражений видно, что входное сопротивление усилителя за счет введения ООС увеличивается в  раз, а выходное уменьшается в раз.

Усилители с глубокой ООС широко применяются в микросхемах. Типичный представитель – эмиттерный повторитель, Rвх которого велика, а Rвых – мало. 

Существуют несколько видов паразитных ОС:

между каскадами через цепи питания, емкостная (электростатическая) связь, обусловленная паразитными емкостями между выходом и входом усилителя, магнитная связь, появляющаяся при близком расположении входных и выходных трансформаторов усилителя.

Чтобы устранить паразитные ОС, требуется большой практический опыт и понятия об их возникновении.

Понятия об операционных усилителях

       Операционный усилитель (ОУ) – это усилитель с большим коэффициентом усиления (20000 и более), разработанный для выполнения математических операций сложения, вычитания, умножения и деления. Выполняется в едином корпусе и выпускается как самостоятельное полупроводниковое изделие (микросхема).

       Линейный интегральный ОУ обладает способностью работы при низких напряжениях. Используется в источниках питания и генераторах сигналов, в системах отображения информации и измерений, а также в областях управления процессами производства, связи, вычислительной техники. Внутреннее устройство ОУ достаточно сложно, поэтому выполняемые ими операции определяются подключенными к нему внешними компонентами.

       Каждый ОУ имеет пять основных выводов: два – для подключения питания, два – для подачи входных сигналов и один – для снятия выходного сигнала.

Те выводы, где стоят обозначения + U  и - U, подключаются к источнику питания, имеющего три зажима: положительный, отрицательный и общий заземляющий. Типичное значение максимального напряжения, которое можно приложить к выводам , т. е. 18 В

Вывод выхода: Вывод, подключенный к Rн, второй к земле. Выходное напряжение измеряется относительно земли. Поэтому, ОУ имеет только один вывод выхода, т. е. несимметричный вывод. Ток выхода достаточно ограничен (5-10 мА); выходное напряжение определяется напряжением питания и напряжением выходного транзистора. Для работы данных транзисторов в усилительном режиме, падение напряжения коллектор – эмиттер должно равняться 1-2 В. Таким образом, напряжение выхода может увеличиваться до (+U  -2)В в положительном и до ( - U +2)В в отрицательном направлении. Верхний предел выходного напряжения  называется положительным напряжением насыщения (+U), а нижний – отрицательным (-U). Оба предела  - по току и напряжению - устанавливаются при минимальном сопротивлении нагрузки Rн=2 Ком.

       Обычно в схемах не приводят полное изображение выходной цепи каждого ОУ с батареями питания, используя упрощенное изображение.

Входные выводы: обозначаются (+) и (-). Они называются дифференциальными ( разностными), т. к. выходное напряжение зависит от разности напряжений на них ЕД и коэффициента усиления К усилителя. Полярность выходного напряжения совпадает с полярностью напряжения на входе (+) и противоположна или инверсна полярности напряжения на входе (-). Поэтому ввод (-) –инверсный, а ввод (+) – неинверсный. Полярность выходного напряжения зависит только от разности напряжений на инверсном и неинверсном входах:

Ед= Uвх+  - Uвх- 

Знак Ед говорит о:

полярности напряжения на входе (+) относительно Uвх-; О полярности выходного напряжения относительно земли.

Одной из особенностей входной цепи – это высокое значение полного сопротивления между входами, а также между каждым из входов и землей.

Если входное дифференциальное напряжение Ед достаточно мало, то выходное напряжение будет определяться  Ед и коэффициентом усиления по напряжению без обратной связи К. В идеальном случае