Коэффициент усиления усилителя с ООС.

Блок

Р-п переход. Вольтамперная характеристика. Диод.

p-n-переход

Контакт двух материалов- p-n-переход – стал основой конструкции многих полупроводниковых конструкций. В p-материале основными носителями являются положительные заряды(дырки), в n-материале – электроны. В p-материале есть отрицательные заряды, но в меньшей концентрации (неосновные носители), в n-материале неосновными носителями будут дырки. Транзисторы изготавливаются на базе германия и кремния.

Кт 315 –кремниевый транзистор (цифра означает марку).

Существуют два способа соединения p и n-проводников:

сплавной,
диффузионный.

Рис.27.1.

Потенциальный барьер (контактная разница потенциалов) (рис.27.1) для германия будет 0,3-0,5В, для кремния 0,6 – 0,8В.

Условное обозначение диода на рис.27.2

Рис.27.2.

Напряжение может быть подано на диод двумя способами (рис. 27.3).

а) б)

Рис.27.3.

В случае а) потенциальный барьер станет меньше и через диод будет протекать прямой ток (рис.27.4).

а) б)

Рис.27.4.

В случае б) барьер увеличится и через диод протекает обратный ток (рис.27.5).

а) б)

Рис.27.5.

Прямой и обратный ток и определяются суммами токов основных и неосновных носителей, ток основных носителей называется током диффузии, ток неосновных носителей – дрейфовым.

Теоретическая вольтамперная характеристика p-n-перехода определяется выражением .

Экспериментальная ВАХ представлена на рис.27.6.

Рис.27.6.

Причинами увеличения обратного тока являются два фактора:

· образование лавины,

· возникновение «туннельного» эффекта.

Это все электрические пробои. Лавина есть результат ударной ионизации. Практически возникает в широких p-n-переходах. «Туннельный» эффект связан с непосредственным отрывом носителей от кристаллической решетки и проявляется в узких p-n-переходах.

Характеристики лавинного и туннельного диодов представлены на рис.27.7.

Лавинный диод Туннельный диод

Вольтамперные характеристики (ВАХ)

Статическими называют характеристики, в которых каждая точка дает значения постоянного напряжения при соответствующем значении постоянного тока. Из них определяются статическое сопротивление и статическая проводимость нелинейного элемента:

и .

Динамическими называют характеристики, дающие связь между напряжением и током при достаточно быстрых изменениях тока. Они могут отличаться от статических характеристик, например, вследствие тепловой инерции и других причин. Из них определяются динамические сопротивление и проводимость нелинейного элемента:

и .

При достаточно медленном изменении напряжения и тока динамические характеристики совпадают со статическими. Определенные из статических характеристик сопротивления и проводимости в виде производных du / di или di / du называют дифференциальными. Обозначим их через r_d и g_d.

ВАХ можно разделить на следующие виды:

1. Монотонная ВАХ (рис.15.1,а), для которой точки напряжения связаны однозначно.

2. Управляемая током ВАХ (рис.15.1,б), для которой при -∞≤i≤+∞ напряжения определяются однозначно, но при заданном u токи неоднозначны.

3. Управляемая напряжением ВАХ (рис.15.1,в), для которой при -∞≤u≤+∞ напряжения однозначно определяют токи, но при заданном токе напряжения неоднозначны.

4. Неуправляемая ВАХ (рис.15.1,г), для которой многозначны токи и напряжения.

Дио́д (от др.-греч. δις^[1] — два и -од^[2] означающего путь) — двухэлектродный электронный прибор, обладающий различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока. Электрод диода, подключаемый к положительному полюсу источника тока, когда диод открыт (то есть имеет маленькое сопротивление), называют анодом, подключаемый к отрицательному полюсу — катодом

Биполярный транзистор.

Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают npn и pnp транзисторы (n (negative) — электронный тип примесной проводимости, p (positive) — дырочный). В биполярном транзисторе, в отличие от полевого транзистора, используются заряды одновременно двух типов, носителями которых являются электроны и дырки (от слова «би» — «два»). Схематическое устройство транзистора показано на втором рисунке.

Электрод, подключённый к центральному слою, называют базой, электроды, подключённые к внешним слоям, называют коллектором иэмиттером. На простейшей схеме различия между коллектором и эмиттером не видны. В действительности же главное отличие коллектора — бо́льшая площадь p — n-перехода. Кроме того, для работы транзистора абсолютно необходима малая толщина базы.

Биполярный точечный транзистор был изобретен в 1947 году, в течение последующих лет он зарекомендовал себя как основной элемент для изготовления интегральных микросхем, использующих транзисторно-транзисторную, резисторно-транзисторную и диодно-транзисторную логику.

Обозначение биполярных транзисторов на схемах

Простейшая наглядная схема устройства транзистора

Схемы включения

Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями:

· Коэффициент усиления по току I_вых/I_вх.

· Входное сопротивление R_вх=U_вх/I_вх

[править]Схема включения с общей базой

Усилитель с общей базой.

· Среди всех трех конфигураций обладает наименьшим входным и наибольшим выходным сопротивлением. Имеет коэффициент усиления по току, близкий к единице, и большой коэффициент усиления по напряжению. Фаза сигнала не инвертируется.

· Коэффициент усиления по току: I_вых/I_вх=I_к/I_э=α [α<1]

· Входное сопротивление R_вх=U_вх/I_вх=U_бэ/I_э.

Входное сопротивление для схемы с общей базой мало и не превышает 100 Ом для маломощных транзисторов, так как входная цепь транзистора при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора.

Достоинства:

· Хорошие температурные и частотные свойства.

· Высокое допустимое напряжение

Недостатки схемы с общей базой :

· Малое усиление по току, так как α < 1

· Малое входное сопротивление

· Два разных источника напряжения для питания.

[править]Схема включения с общим эмиттером

· Коэффициент усиления по току: I_вых/I_вх=I_к/I_б=I_к/(I_э-I_к) = α/(1-α) = β [β>>1]

· Входное сопротивление: R_вх=U_вх/I_вх=U_бэ/I_б

Достоинства:

· Большой коэффициент усиления по току

· Большой коэффициент усиления по напряжению

· Наибольшее усиление мощности

· Можно обойтись одним источником питания

· Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.

Недостатки:

· Худшие температурные и частотные свойства по сравнению со схемой с общей базой

[править]Схема с общим коллектором

· Коэффициент усиления по току: I_вых/I_вх=I_э/I_б=I_э/(I_э-I_к) = 1/(1-α) = β [β>>1]

· Входное сопротивление: R_вх=U_вх/I_вх=(U_бэ+U_кэ)/I_б

Достоинства:

· Большое входное сопротивление

· Малое выходное сопротивление

Недостатки:

· Коэффициент усиления по напряжению меньше 1.

Схему с таким включением называют «эмиттерным повторителем»

Транзисторный ключ.

Транзисторные ключи выполняются на биполярных или полевых транзисторах. В свою очередь ключи на полевых транзисторах делятся на МДП-ключи и ключи на полевых транзисторах с управляющим р—га-переходом.

Ключи на биполярных транзисторах делятся на насыщенные и ненасыщенные. При анализе транзисторных ключей рассматривают два режима — статический и динамический.

В статическом режиме анализируется закрытое и открытое состояние ключа. В закрытом состоянии ключа на его входе низкий уровень напряжения (сигнал логического нуля), при котором оба перехода смещены в обратном направлении (режим отсечки). При этом коллекторный ток определяется только тепловым током.

При использовании ключа в логических интегральных схемах, в которых обычно применяются транзисторы типа п—р—п, запирающее напряжение положительно и в этом случае имеет место только "условное" запирание транзистора, когда его эмиттерный переход смещен в прямом направлении; однако уровень действующего на его входе напряжения меньше порогового уровня, равного около 0,6 В, и коллекторный ток транзистора относительно мал, т.е. составляет лишь единицы процентов от тока открытого транзистора.

В открытом состоянии ключа на его входе высокий уровень напряжения (сигнал логической единицы). При этом возможны два режима работы открытого транзистора — работа в линейной области выходной характеристики или в области насыщения.

В активной области эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном, при этом для кремниевых транзисторов напряжение на эмиттерном переходе составляет около 0,7 В и коллекторный ток практически линейно зависит от тока базы.

В области Насыщения оба перехода транзистора смещены в прямом направлении и изменение тока базы не приводит к изменению коллекторного тока. Для кремниевых транзисторов ИС напряжение на смещенном в прямом направлении р—n-переходе составляет около 0,8 В, для германиевых оно равно 0,2...0,4 В.

Насыщение ключа достигается увеличением тока базы. Однако при некотором его значении, которое называется базовым током насыщения „, дальнейший рост тока базы практически не приводит к росту коллекторного тока насыщения , при этом напряжение на коллекторе (с учетом коллекторной нагрузки) составляет несколько десятков или сотен милливольт (в ИС около 0,1...0,2 В). Одной из важных характеристик ключа в режиме насыщения является параметр 8 — коэффициент насыщения, равный отношению 1кн/1бн- На границе насыщения 8=1. С увеличением коэффициента насыщения ключа увеличивается его нагрузочная способность, уменьшается влияние различных дестабилизирующих факторов на выходные параметры ключа, но ухудшается быстродействие. Поэтому коэффициент насыщения выбирается из компромиссных соображений, исходя из условий конкретной задачи.

Быстродействие ключевого элемента определяется максимально допустимой частотой следования входных переключающих сигналов. Очевидно, что оно зависит от общей длительности переходного процесса, определяемой инерционностью транзистора и влиянием паразитных параметров (например, перезарядом паразитных емкостей в процессе переключения). Часто для характеристики быстродействия ключевого (логического) элемента используется среднее время задержки сигнала при его передаче через элемент. При конечной длительности фронта входного сигнла задержки включения и выключения отсчитываются на 10- или 50-процентных уровнях входного и выходного сигналов.

Взаимодействие ключей друг с другом осуществляется через элементы связи. Если уровень напряжения на выходе первого ключа высокий, то на входе другого ключа должен быть уровень, при котором второй ключ открывается и работает в заданном режиме, и, наоборот, если первый ключ открыт, то на входе второго ключа должен быть достаточно низкий уровень, при котором второй ключ закрыт. Цепь связи оказывает существенное влияние на переходные процессы, возникающие при переключении, и, следовательно, на быстродействие ключей. Используемые в ключевых устройствах элементы связи показаны на рис. 8.10.

Ключевой каскад на рис. 8.10, а представляет собой каскад по схеме с ОЭ, на входе которого включен резистор Rb, обеспечивающий при заданном входном напряжении Ui требуемый ток насыщения базы

(8.6)

где Ub.=(0,7...0,8) В — напряжение база-эмиттер открытого транзистора (здесь и далее имеются в виду кремниевые транзисторы); S=1,5...2 — коэффициент насыщения; В — коэффициент усиления транзистора по току; и,н=(0,1...0,2) В — напряжение на коллекторе открытого транзистора; Ucc — напряжение питания.

Усилители на транзисторах.

Промышленность выпускает гигантское количество интегральных микросхем - мощных усилителей низкой частоты. Номенклатура и ассортимент позволяют выбрать, что душе угодно. Душе начинающего любителя угодно, чтобы попроще и помощней, а также - подешевле. В результате появилось немерянное количество конструкций, выполненных на микросхемах, предназначенных для автомобильной аудиотехники. Вроде - просто, но что скрывается за этой простотой?

Смотрим в даташиты, и видим: "номинальное напряжение питания-14 вольт... Максимальное напряжение- 18 вольт..." То есть выше 15 вольт - работоспособность микросхем не гарантируется. Далее - ток потребления. Для обеспечения требуемой выходной мощности требуется и соответствующий ток от источника питания - не менее 3 ампер для стерео режима. А если система типа домашнего кинотеатра - 6 каналов? Потребуется источник с током 9 ампер, и выходным стабилизированным напряжением 14 вольт. Сделать линейный стабилизатор с такими параметрами ой как не просто.

Можно сделать импульсный, или использовать компьютерный. А стабилизатор необходим, иначе есть риск повреждения микросхем в режиме работы без нагрузки, когда вырастает напряжение не нагруженного стабилизатора, или будет падать максимальная неискажённая мощность при подаче пикового сигнала. Ёмкость фильтрующего конденсатора для 12-вольтового питания можно рассчитать из условия 3000мкф на один ампер. Да, баночки получаются не хилые.. И диоды выпрямительного моста - тоже требуют радиатора.. И провода питания нужно соответствующие... (М-р-р.. Хозяин, а что сказать про внутреннюю схемотехнику интегральных УНЧ? Там ведь не один десяток полупроводниковых структур, и каждая может быть источником шумов и искажений. Примечание кота Сэра Мурра). Короче говоря - использование автомобильных УНЧ в стационарной аппаратуре - тупиковый путь.

Критика тогда хороша, когда она конструктивна. Поэтому предлагаю вернуться назад, к истокам транзисторной схемотехники. (Я наблюдаю возрастание интереса к ретро-технике, теперь "продвинутые" любители вдруг обнаружили, что схемотехника 30-40-летней давности на слух воспринимается, почти как ламповый хай-энд. Примечание кота Сэра Мурра). Итак, схема:

Схема содержит восемь транзисторов и девять резисторов, причём два из них - подстроечные. Усилитель охвачен обратной связью через резисторы R4 R5 и конденсатор С2. Структура усилителя соответствует двухкаскадному усилителю напряжения. Первый каскад собран на транзисторе Т1. Второй каскад - на транзисторе Т2, содержит в качестве нагрузки генератор тока для обеспечения тока покоя выходного каскада - транзистор Т3, и генератор тока Т4.

Выходной каскад собран на составных транзисторах по так называемой схеме Шиклаи, что позволило объединить коллекторы выходных транзисторов и позволяет устанавливать их на общий радиатор без изоляционных прокладок. Кроме того, коэффициент передачи напряжения в такой схеме немного выше, чем у обычного составного эмиттерного повторителя. Из теории построения усилителей известно, что двухкаскадный усилитель является устойчивым вплоть до единичных коэффициентов усиления, и поэтому наш усилитель обходится без дополнительных корректирующих цепей. Нагрузка может подключаться традиционным способом - через выходной конденсатор, но лучше - с использованием искусственной средней точки. В этом случае выходные конденсаторы служат одновременно и фильтрующими для выпрямителя.

Усилитель работоспособен в широком диапазоне питающих напряжений - от 9 до 30 вольт. При этом можно обойтись только настройкой необходимого тока покоя - от 10мА при 9 вольтах, до 50..100 мА при 30 вольтах. Для стабилизации тока покоя желательно вынести на радиатор и закрепить рядом с выходными транзисторами либо диод D1, либо транзистор Т3. Размеры радиатора для выходной мощности 10 ватт - не менее 200 кв. см. Двойной размах выходного напряжения меньше напряжения питания примерно на 2 вольта. Коэффициент нелинейных искажений возрастает от 0,1% при малых выходных мощностях, до 1 % при достижении порога ограничения сигнала в диапазоне частот30 Гц - 20 кГц. Динамический диапазон- 80 дб, соотношение сигнал - шум 90 дб. Транзисторы могут использоваться любые, подходящие по смыслу. В описаниях заграничной аппаратуры они так и называются - транзисторы общего назначения.

Размеры печатной платы соответствуют размерам печатной платы интегрального усилителя аналогичной мощности, и при желании могут быть уменьшены. Но начинающим любителям наоборот, лучше немного увеличить размеры, для облегчения монтажа.

5.Обратная связь в усилителях

Обратная связь и характеристики усилителя.

Коэффициент усиления усилителя с ООС.

В реальных схемах могут возникать фазовые сдвиги в цепях усилителя и ОС. Поэтому передаточные характеристики цепей выражаются в общем случае комплексными числами. При принятых обозначениях рис 1.3.2.1 (- напряжение на входе системы; - напряжение на входе усилителя; - напряжение на выходе системы; - напряжение на выходе цепи ОС; - коэффициент усиления усилителя без учета ОС; - коэффициент передачи цепи ОС; -коэффициент передачи системы) можно иметь следующие очевидные соотношения для усилителя с обратной связью.

(1.3.2.1)

или

(1.3.2.2)

Таким образом, введение обратной связи изменяет коэффициент усиления усилителя. Произведение , представляющее собой передаточную функцию последовательно соединенных четырехполюсников и , называется петлевым усилением, а величина (1-) — глубиной обратной связи.

В зависимости от фазовых соотношений величин величина коэффициента передачи системы может изменяться. При положительной ОС фаза напряжения совпадает с фазой напряжения источника сигнала и произведение является положительной вещественной величиной, то есть

(1.3.2.3)

При отрицательной ОС фаза U₃ сдвинута на 180° по сравнению с фазой U₁, а произведение будет отрицательной вещественной величиной, то есть

(1.3.2.4)

Из соотношения (1.3.2.3) следует, что введение ПОС при Kc<1 увеличивает коэффициент усиления. При Kc = 1 коэффициент усиления становится равным бесконечности, а при Kc>1 - отрицательным. Физически это означает, что в отсутствие переменного напряжения на входе усилителя с ОС на его выходе присутствует некоторая переменная напряжение. Схема самостоятельно генерирует это напряжение, то есть усилитель превращается в автогенератор.

Для ООС коэффициент усиления усилителя уменьшается в раз, но при этом улучшается стабильность, которая оценивается относительной величиной коэффициента усиления .

Действительно, дифференцируя (1.3.2.4) и подставляя значение K_c, находим

, (1.3.2.5)

то есть введение ООС уменьшает относительную величину изменения коэффициента усиления усилителя в раз. Необходимость стабилизации K связана с тем, что в схемах под воздействием внешних факторов (температура, давление, влажность, старение элементов) происходит изменение электрических параметров элементов, что и приводит к изменению коэффициента усиления. По этому в усилителях ООС часто применяется специально для стабилизации коэффициента усиления. Чем глубже ООС, тем лучше стабилизация коэффициента усиления. Заметим, что при глубокой ООС K>>1 коэффициент усиления усилителя практически не зависит от параметров усилительной цепи, а определяется только параметрами цепи ОС:

(1.3.2.6)

Стабильность усиления при этом оказывается высокой, так как она определяется параметрами пассивных элементов цепи ОС, стабильность которых выше, чем у параметров активных элементов цепи усилителя.

Дата добавления: 2018-10-26; просмотров: 264; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 4 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!