Файл: Методические указания по изучению дисциплины и выполнению контрольных работ Для студентов зф всех специализаций и направлений подготовки.docx

В зависимости от величины смещения на базе транзистора U_см различают следующие режимы работы усилителя: A, B, AB, C, D.

Режим A характеризуется выбором рабочей точки на линейном участке входной характеристики (Рис. 16). В исходном состоянии транзистор открыт напряжением смещения U_см и в цепи коллектора протекает ток I_ко. При поступлении входного сигнала на выходе усилителя появляется выходной сигнал в противофазе по отношению ко входному. Режим А характерен тем, что форма выходного сигнала повторяет форму входного сигнала за счёт работы транзистора в активной зоне без захода в область насыщения и отсечки. Режим характеризуется минимальными нелинейными искажениями. В это же время работа усилителя в режиме А характеризуется низким КПД, который теоретически не может превышать 0,5, что объясняется постоянным током I_ко вне зависимости от наличия или отсутствия входного сигнала. Поэтому такой режим используется только в маломощных каскадах, в которых необходимо иметь минимальные нелинейные искажения.

Рис. 16 Входная (а) и выходная (б) характеристикики усилителя в режиме работы А.

Режим В (Рис. 17) характеризуется тем, что напряжение смещения U_см=0, а следовательно, рабочая точка выбирается в самом начале входной характеристики. Особенностью режима В является то, что при отсутствии входного сигнала отсутствуют базовые и коллекторные токи. При поступлении входного сигнала ток в коллекторе имеет пульсирующий характер и протекает в течение половины периода. Режим В характеризуется высоким КПД, который может достигать 70%, однако выходной сигнал сильно искажается. Поэтому такой режим применяется только в двухтактных усилителях.

Рис. 17 Входная (а) и выходная (б) хар-ки усилителя в режиме работы В
Режим АВ занимает промежуточное положение между режимом А и В. Он характеризуется небольшим напряжением смещения И

_см_, меньшими нелинейными искажениями по сравнению с режимом А. Режим АВ используется в высококачественных двухтактных усилителях мощности.

Режим С (Рис.18) характеризуется тем, что рабочая точка на входной характеристике сдвинута влево от начала координат. Следовательно, более половины периода транзистор находится в закрытом состоянии. Режим С характеризуется высоким КПД, большими нелинейными искажениями и применяется в генераторах частоты.

Рис.18 Входная (а) и выходная (б) хар-ки усилителя в режиме работы C
Режим D характеризуется тем, что усилительный элемент может находиться в открытом (режим насыщения) либо в закрытом (режим отсечки) состояниях.

Таким образом, ток в выходной цепи может принимать только два значения. Скорость перехода из одного состояния в другое характеризует быстродействие усилительного элемента. Обычно U_нас<1В, поэтому КПД такого усилительного каскада близок к 1. Режим работы D, который называют еще ключевым режимом, применяется в импульсных схемах.

Влияние обратных связей на работу усилителей.

Обратной связью в усилителе называют явление передачи энергии выходного сигнала или его части на вход ЭУ через звено ОС.

ОС может охватывать один (местная ОС рис. 19, а) или несколько каскадов (общая ОС рис. 19, б) усилителя.

Рис. 19 Вид местной (а) и общей (б) ОС

ОС существенно влияет на ряд параметров усилителя, и ее применяют для получения определенных показателей ЭУ и специально вводят в схему.

Кроме того, в усилителях имеется и, так называемая, паразитная ОС, когда выходные цепи ЭУ влияют на входные за счет емкостных, индуктивных и гальванических паразитных связей, возникающих между элементами схемы ЭУ.

Количественно ОС оценивают коэффициентом передачи цепи обратной связи, показывающим какая часть выходной энергии поступает на вход ЭУ.

Свойства ЭУ, охваченного ОС, зависят в первую очередь от соотношения фаз напряжения, поступающего по цепи ОС и входного напряжения.

Если напряжение на входе усилителя возрастает (в предельном случае фазы U

_ос и U_вх совпадают), ОС называют положительной (ПОС).

Если напряжение на входе ЭУ уменьшается (в предельном случае напряжения U_вх и U_ос находятся в противофазе), ОС называют отрицательной (ООС).

В ЭУ используют в основном ООС, позволяющие увеличить стабильность параметров ЭУ, уменьшить вносимые усилителем искажения и уровень собственных шумов.

ПОС применяют, главным образом, в схемах автогенераторов.

По способу снятия энергии с выхода ЭУ различают ОС:

– по току;

– по напряжению;

– смешанную (комбинированную) ОС.

2.2.3.1 Усилители постоянного тока.

Усилителями постоянного тока УПТ называют электрические схемы, способные усиливать сколь угодно медленно изменяющиеся электрические сигналы, в том числе и сигналы постоянного тока (f_с= 0).

УПТ нашли широкое применение в схемах и комплексах АО, например, в измерительных системах, в системах автоматического управления, в аналоговых вычислительных устройствах и в преобразовательных устройствах «код-аналог» (ЦАП) и «аналог-код» (АЦП) как бортовых, так и наземных комплексов.

В развитии схемотехники УПТ наибольшее распространение получили схемы на транзисторах и ИМС. В схемах АО используются и магнитные усилители постоянного тока.

Применение УПТ, особенно в интегральном исполнении привело и к повышению надежности, долговечности, уменьшению габаритов и потребляемой мощности усилительных устройств.

Развитие схемотехники УПТ:

– УПТ на магнитных усилителях;

– УПТ на транзисторах;

– УПТ на ИМС, что привело к повышению надежности, долговечности, уменьшению габаритов и потребляемой мощности.

Основные параметры УПТ

– К_u=

– статический коэффициент усиления УПТ по напряжению;

– К_I=

– коэффициент усиления по току;

– К_р=

– коэффициент усиления по мощности;

– R_вх – входное сопротивление УПТ;

– R_вых – выходное сопротивление УПТ;

– ∆U_вых –диапазон изменения выходного напряжения;

– нагрузочная способность (I_н_max);

– быстродействие усилителя;

– полоса пропускания УПТ (АЧХ);

– е_др= – приведенный дрейф нуля УПТ во всем рабочем диапазоне температур за заданный интервал времени.

УПТ должен иметь равномерную АЧХ на диапазоне частот от

f_с = 0 до верхней границы полосы пропускания. Вид АЧХ УПТ (см.рис. 20)

Рис. 20 Амплитудно-частотная характеристика УПТ

Дрейф нуля и способы его компенсации

Дрейфом нуля называется явление, при котором на выходе усилителя имеется выходной сигнал, даже если на входе сигнала нет.

Дрейф нуля в УПТ возникает под действием следующих дестабилизирующих факторов:

изменение температуры окружающей среды;
изменение давления и влажности окружающей среды;
колебания напряжения источников питания;
старение и изменение основных параметров элементов схемы УПТ.

В результате воздействия перечисленных факторов на выходе УПТ при отсутствии изменений входного сигнала на входе, на выходе появляется случайное неконтролируемое напряжение, имеющее как медленно изменяющуюся составляющую U_др-_., так и случайные более быстрые отклонения дрейфа U_др__.

Оценим дрейф нуля (его постоянную составляющую), возникающий при изменении температуры.

Для биполярного транзистора(БТ), включенного по схеме с ОЭ, коллекторный ток

I_кп  h_21э I_бп + h_21э I_ко, (31)

где h_21э – коэффициент прямой передачи тока;

I_ко – тепловой ток коллекторного перехода.

Все величины, входящие в (31), зависят от температуры и изменяются во времени из-за процесса старения.

Параметр h_21э возрастает на 0,4–0,6% на каждый градус выше 25^оС и уменьшается на 0,2–0,3% на каждый градус ниже 25^оС.

Для удобства сравнения различных усилителей по дрейфу используют его уровень, приведенный ко входу усилителя. Под уровнем дрейфа (приведенный дрейф), отнесенного ко входу усилителя, понимают эквивалентную ЭДС в цепи источника сигнала, создающую такое же изменение напряжения (или тока) на его выходе, какое в действительности вызывает воздействие дестабилизирующих факторов. Указанную ЭДС обычно находят, поделив напряжение дрейфа на выходе усилителя на коэффициент усиления.