andrey

Путь к Файлу: /Разное / Аналоги / Підсилювальні каскади на польових транзисторах та електронних лампах.doc

Ознакомиться или скачать весь учебный материал данного пользователя
Скачиваний:   2
Пользователь:   andrey
Добавлен:   31.01.2015
Размер:   251.5 КБ
СКАЧАТЬ

 

ЛЕКЦІЯ №7

З ДИСЦИПЛІНИ “АНАЛОГОВІ ЕЛЕКТРОННІ ПРИСТРОЇ”

 

 

 

ТЕМА ЛЕКЦІЇ    Підсилювальні каскади на польових транзисторах та електронних лампах

 

 

Мета: вивчення  принципів побудови підсилювачів на польових транзисторах та електронних лампах

 

 

Література: [1] с.

 

Питання заняття та розподіл часу:

1.  Підсилювальні каскади  на польових транзисторах          (45 хв.)

2. Підсилювальні каскади на електронних лампах (45 хв.)


1. Підсилювальні каскади на польових транзисторах

 

По аналогії з підсилювачами на біполярних транзисторах існують три схеми включення польових транзисторів (ПТ) до складу підсилювачів: зі спільним витоком (CВ), зі спільним стоком (CС) та спільним затвором (CЗ). Найбільше підсилення напруги та потужності мають каскади з СВ. Принципова схема такого підсилювача на ПТ з керованим р-n переходом зображена на рис. 1.34, а.

Резистор Rс разом з резистором Rн відіграють роль опoру навантаження для змінного струму

Підсилювальні каскади на польових транзисторах та електронних лампахПідсилювальні каскади на польових транзисторах та електронних лампах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Як і резистори Rк у каскадах з CЕ, опір резисторів Rс звичайно становить сотні Ом...кілооми.

Резистор Rз фіксує потенціал затвору на нульовому рівні при відсутності вхідного сигналу, бо затворний струм майже дорівнює нулю. Щоб не зменшувати вхідний опір підсилювача, опір Rз звичайно становить сотні кОм...МОм. Резистор Rв з конденсатором Св називають колом автоматичного зміщення робочої точки транзистора на стокозатворній характеристиці (рис. 1.34, б). Робочу точку А вибирають на перетині лінійної частини цієї характеристики, де її крутість S велика, з прямою під кутом α, де

Підсилювальні каскади на польових транзисторах та електронних лампах

(1.101)

де (Vзв)рт і (Iс)рт - постійна напруга між затвором та витоком і постійний стоковий струм у робочій точці відповідно.

Ємність конденсатора Св повинна забезпечувати навіть на низьких частотах виконання нерівності 1/ωнCв  << Rв, щоб не зменшувати підсилення вхідного сигналу.

Динамічна лінія навантаження підсилювача (рис. 1.34, а) за аналогією з (1.22) визначається рівнянням

uс = Ес – ісRсн.

Якщо підсилювач працює в режимі А (рис. 1.4, а), то його вихідна напруга повторює закон зміни вхідної напруги. Для випадку гармонічної вхідної напруги часові діаграми вхідної напруги, стокового струму та вихідної напруги зображені на рис. 1.35.

 

Підсилювальні каскади на польових транзисторах та електронних лампах 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Із діаграм бачимо, що, як і каскад з CЕ, підсилювач з CВ інвертує фазу вхідного сигналу. Амплітуда Uвх, на відміну від підсилювачів на БТ, може становити декілька вольт навіть для малопотужних ПТ, тому динамічний діапазон по входу (1.4) у підсилювачів на ПТ, як правило, перевищує 100 дБ [26].

Резистор Rв за аналогією з резистором Rе у підсилювачі з CЕ забезпечує також стабільність режиму роботи та параметрів підсилювача на ПТ. Принцип стабілізації полягає в тому, що, коли при зміні температури або флуктуаціях напруги Ес змінюється постійна складова струму Iс, це приводить згідно з (1.101) до зміни напруги (Vзв)рт таким чином, що величина Iс намагається прийняти своє попереднє значення (Iс)рт. Нагадаємо [10], що термостабільність ПТ вища, ніж у БТ (|δIс/ΔТ| < 0,5 %/град), тому величина опору Rв, потрібна для термостабілізації, як правило, не перевищує величину (1.101) і становить для малопотужних ПТ десятки...сотні Ом.

У підсилювачах на ПТ з побудованим та індукційним каналами (рис. 1.36, а, б) для вибору режиму роботи використовують додатковий подільник у затворному колі Rз1, Rз2.

Це обумовлено тим, що в ПТ з побудованим каналом стоковий струм навіть при Vзв = 0 дуже малий, а у ПТ з індукційним каналом для його утворення потрібна напруга Vзв тієї ж полярності, що Ес.

Підсилювальні каскади на польових транзисторах та електронних лампах
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Положення робочої точки транзисторів Т1 на рис. 1.36, а, б визначається напругою

Підсилювальні каскади на польових транзисторах та електронних лампах.

(1.102)

Резистори Rз1, Rз2, як і резистор Rз на рис. 1.34, а, визначають вхідний опір підсилювача, бо затворний струм дорівнює нулю. Звичайно опір резисторів Rз1, Rз2 становить сотні кОм...МОм.

Підсилювальні каскади на польових транзисторах та електронних лампахПідсилювач (рис. 1.36, б) має динамічне навантаження у вигляді транзистора Т2. Канал транзистора Т2 завжди відкритий, бо його затвор з'єднаний з плюсом джерела живлення. Але опір цього каналу не постійний, він залежить від напруги (uзв)2 = (uсв)2, яка змінюється за наявності на вході підсилюваного сигналу. Тому для знаходження лінії навантаження спочатку будують в одній системі координат стокозатворну та вихідну характеристики транзистора Т2, на перетині яких отримаємо т. А, Б, В, Г, Д, Е (рис. 1.37, а).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Завдяки тому, що струми транзисторів однакові (iс1 = iс2), ці точки легко перенести на вихідну вольтамперну характеристику транзистора Т1 (рис. 1.37, б). Точки А′, Б′, В′, Г′, Д′, Е′ визначають статичну лінію навантаження підсилювача, яка мало відрізняється від динамічної лінії навантаження, бо, як правило, опір Rн значно більший, ніж 1/S2, де S2 = tgg - крутість стокозатворної характеристики транзистора Т2 (рис. 1.36, б). У режимі А робочу точку (т. Б′) вибирають на лінійній частині цієї характеристики, де S2 ≈ const та вихідні характеристики транзистора Т1 майже лінійні, тобто (Rвих т)1 = diс1/dUсв1 ≈ const.

Треба зазначити, що рівень нелінійних спотворень підсилюваних сигналів у каскадах на малопотужних ПТ дещо більший, ніж у підсилювачах на БТ завдяки нелінійності вихідних характеристик ПТ при малих значеннях напруги uсв. Тому розрахунок режиму роботи всіх підсилювачів на ПТ краще робити графічним методом, тобто з використанням їх вольтамперних характеристик. Для зменшення нелінійних спотворень, особливо великих при малих uсв, напругу живлення Ес вибирають із значним запасом Ес = (1,5...2)uвих макс, де uвих макс – максимальний діапазон зміни вихідної напруги.

Для визначення основних параметрів підсилювача з CІ зобразимо його малосигнальну еквівалентну схему для змінних складових струмів та напруг (рис. 1.38). Амплітудні значення змінних струмів та напруг показані на рис. 1.38 великими прописними буквами.

Підсилювальні каскади на польових транзисторах та електронних лампах 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


До складу еквівалентної схеми підсилювача входять резистор Rз [для схем на рис. 1.36 Rз = Rз1Rз2/(Rз1 + Rз2)], генератор змінного стокового струму Suвх зі своїм внутрішнім диференційним опoром Rвихт, резистори навантаження Rс, Rн та ємності затвор - виток Сзв, сток - виток Ссв, сток - підложка Ссп, ємність навантаження Сн, які входять до складу вхідної Свх та вихідної Свих ємностей підсилювача (рис. 1.38). Наявність всіх вищевказаних ємностей треба враховувати лише на високих частотах. Ємність роздільних конденсаторів Ср на рис. 1.38 відсутня, бо вона мало впливає на частотні характеристики підсилювачів з CВ навіть на низьких частотах завдяки великому опору Rз. Навіть для кремнієвих транзисторів з керованим р - n переходом затворний струм становить декілька наноампер, тому в області середніх частот

Підсилювальні каскади на польових транзисторах та електронних лампах.

(1.103)

Вхідна ємність підсилювача з СВ по аналогії з вхідною ємністю каскада з СЕ дорівнює Свх = Сзв + Сзс(1 + Кu), де другий доданок обумовлений ефектом Міллера (1.74a).

Завдяки  великому вхідному опору підсилювача можна вважати, що Ке = Кu. Як бачимо з рис.1.38,

Підсилювальні каскади на польових транзисторах та електронних лампах.

Якщо Rвих т >> Rсн, то в області середніх частот коефіцієнт підсилення напруги дорівнює

Підсилювальні каскади на польових транзисторах та електронних лампах.

(1.104)

Із еквівалентної схеми бачимо, що вихідний опір підсилювача в області середніх частот дорівнює

Підсилювальні каскади на польових транзисторах та електронних лампах.

(1.105)

Для рис. 1.36, б, де роль резистора Rс виконує опір 1/S2 відкритого каналу Т2, вихідний опір дорівнює Rвихт/(1+S2Rвихт). При цьому якщо 1/S2 << Rн, коефіцієнт підсилення напруги становить Кu = –S1/S2.

Вихідна ємність підсилювача дорівнює сумі паралельно з’єднаних ємностей Свих = Ссв + Ссп + Сн.

Коефіцієнт підсилення потужності в підсилювачах на ПТ виражають як (1.10), бо завдяки нульовому струму на вході говорити про підсилення струму немає смислу.

Частотні характеристики підсилювачів з CВ визначаються по аналогії з підсилювачами з CЕ частотами ω та ωв:

Підсилювальні каскади на польових транзисторах та електронних лампах,

(1.106)

де Підсилювальні каскади на польових транзисторах та електронних лампах

Із останнього виразу виходить, що підсилювальні можливості в області високих частот в основному визначаються не спадом крутості стокозатворної характеристики ПТ з ростом частоти, а його паразитними ємностями. Якщо їх зменшити до часток пФ, то можна одержати у підсилювачах на арсенід-галлієвих ПТ значення в до сотні ГГц [23].

Разом з каскадом з CВ дуже поширено використання каскадів зі спільним стоком - витокових повторювачів (ВП).

Принципова схема ВП на МОН транзисторі з індукційним n-каналом зображена на рис. 1.39, а.

Режим роботи ВП, як і підсилювача з СВ (рис. 1.36, а), визначається резисторами Rз1, Rз2 з урахуванням падіння напруги на резисторі Rв (1.102).

Еквівалентна схема ВП для змінних струмів та напруг, необхідна для отримання підсилювальних параметрів ВП, зображена на рис. 1.39, б. Як бачимо, вона схожа з еквівалентною схемою підсилювача з СВ (рис. 1.38). Різниця між ними полягає в тому, що в ВП вхідна ємність значно менша, бо ємність Сзв входить до неї з дуже малим коефіцієнтом (1 - Кu) (1.75), бо ВП не змінює фазу підсилюваного сигналу. Крім того, в еквівалентну схему ВП замість Rс входить Rв, менша ємність Свих, а також інший вихідний опір транзистора Rвих т. Останній може бути знайдений як Rвих т = Δuвих/Δiвих  при uвх = 0. Якщо uвх = 0, то Δuвих = Δuзв, а Δiвих = Δiс, тобто

Rвих т = Δuзв/Δiс = 1/S.

(1.107)

Підсилювальні каскади на польових транзисторах та електронних лампах

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Із еквівалентної схеми (рис. 1.39, б) бачимо, що, як і в підсилювача з CВ, вхідний опір ВП в області середніх частот дорівнює Rз1Rз2/(Rз1 + Rз2). Коефіцієнт підсилення напруги ВП в області середніх частот дорівнює

Підсилювальні каскади на польових транзисторах та електронних лампах

Якщо поділити чисельник та знаменник останнього виразу на амплітуду змінної напруги Uзв, то остаточно отримаємо

Підсилювальні каскади на польових транзисторах та електронних лампах.

(1.108)

Із еквівалентної схеми (рис. 1.39, б) та (1.107) бачимо, що вихідний опір ВП дорівнює

Підсилювальні каскади на польових транзисторах та електронних лампах.

(1.109)

Треба зауважити, що завдяки порівняно невеликій крутості S ~ 5…250 мА/В ІП мають більший вихідний опір, ніж ЕП (1.51а), (1.51б).

Нижня гранична частота ВП визначається аналогічно (1.106):

Підсилювальні каскади на польових транзисторах та електронних лампах.

Завдяки великому Rз екв можуть бути одержані як завгодно малі значення ωн.

Верхня гранична частота визначається як

Підсилювальні каскади на польових транзисторах та електронних лампах

бо стала часу ωs крутості ПТ дуже мала.

Підсилювальні каскади на польових транзисторах та електронних лампахПризначення ВП таке ж, як у емітерних повторювачів, тобто узгодження високоомних джерел вхідного сигналу з низькоомним навантаженням. Крім того, ВП, так само як ЕП, можуть бути використані як підсилювачі потужності, а також помножувачі добротності коливальних контурів (рис. 1.40, а). Така можливість існує завдяки негативному знаку вхідного опору ВП (ЕП) на високих частотах. Для пояснення цього факту на рис. 1.40, б зображена векторна діаграма комплексних амплітуд змінних струмів і напруг на вході та виході ВП з резистивно-ємнісним навантаженням Rн, Сн.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Якщо нехтувати інерційними якостями ПТ, то стоковий струм Jc збігається по фазі з напругою Uзв (рис. 1.40, б). Цей струм на резистивно-ємнісному навантаженні утворює витокову напругу Uв, яка запізнюється відносно Jc на кут, менший 90°. Вхідна напруга, як бачимо з рис. 1.40, а, є векторною сумою Підсилювальні каскади на польових транзисторах та електронних лампах.

На досить високих частотах завдяки великому Rзекв (рис. 1.39, б) можна вважати, що весь вхідний струм тече через ємність Свх. Це означає, що вхідний струм Jвх випереджує Uзв на 90°. Тоді, як бачимо з рис. 1.40, б, струм Jвх випереджує Uвх на кут, більший 90°, отже активна складова Ja цього струму протифазна Uвх, що означає наявність у вхідному опорі ВП негативної активної (– Rвх) складової. Якщо модуль 1/|Rвх| менше від резонансної провідності 1/Rрез коливального контуру L, C (рис. 1.40, а), то його добротність збільшується. Збільшення добротності коливального контуру приводить до збільшення амплітуди напруги на ньому, тобто означає підсилення цієї напруги. Таке підсилення звуть регенеративним, а регенеративні підсилювачі часто звуть помножувачами добротності. При нерівності |Rвх| < Rрез помножувач добротності (рис. 1.40, а) збуджується, тобто стає автогенератором гармонічних коливань.

Таким чином, основними перевагами підсилювачів на ПТ є їх великий опір, великий динамічний діапазон підсилюваних сигналів у широкому діапазоні частот та термостабільність. До недоліків підсилювачів на малопотужних ПТ треба віднести велике значення мінімальної напруги uсі, а також необхідність захисту ПТ від статичної електрики та радіації [13].

 

2. Підсилювальні каскади на електронних лампах

 

Принципи побудови підсилювачів на електронних лампах дуже схожі з розглянутими принципами побудови підсилювачів на ПТ, бо ці активні прилади мають схожі передаточні та вихідні характеристики, а також мають дуже високий вхідний опір, тобто керуються не струмом, як БТ, а напругою. Більш поширені підсилювачі на пентодах, ніж на тріодах, бо останні мають менші значення головного підсилювального параметра ламп-крутості S анодно-сіткової характеристики ia = f(u) (рис. 1.41, б). Всі позначення, зв’язані з 1-ю (керуючою) сіткою ламп традиційно мають літеру “g” (guiding). Типова принципова схема підсилювача зі спільним катодом на пентоді має вигляд (рис. 1.41, а).

Підсилювальні каскади на польових транзисторах та електронних лампах
 


        

Rе

 

Се

 
Підсилювальні каскади на польових транзисторах та електронних лампах
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Призначення елементів схеми підсилювача:

коло Rк, Ск по аналогії з рис. 1.34 називають колом автоматичного зміщення положення робочої точки А на анодно-сітковій характеристиці (рис. 1.41, б), бо (u)рт = - (Iарт + Iерт)Rк, де Iарт та Iерт – постійні складові анодного струму та струму екранної сітки в робочій точці;

конденсатор Ск шунтує резистор Rк по змінному струму (1/ωСк << Rк), бо підвищувати великий вхідний опір підсилювача немає потреби;

резистор Rg фіксує потенціал 1-ї сітки на нульовому рівні за відсутності вхідного сигналу, бо сітковий струм ig дорівнює нулю в робочому діапазоні u<0;

роздільний конденсатор Cр разом з Rg відіграють роль кола зв'язку з джерелом вхідного сигналу, тому на низьких частотах повинна виконуватись нерівність 1/ωнСр << Rg;

резистор Rа разом з резистором Rн відіграють роль навантаження підсилювача для змінного струму Підсилювальні каскади на польових транзисторах та електронних лампах;

резистор Rе забезпечує режим роботи по другій (екранній) сітці, напруга на якій дорівнює Vе = Еа – IеRе

За наявності вхідного сигналу напруга Vе не змінюється, бо змінний екранний струм замикається через конденсатор Cе навіть на низьких частотах (1/ωнСe << Rе).

Принцип роботи підсилювача можна пояснити за допомогою вихідних характеристик транзистора, на яких зображені графіки статичної та динамічної ліній навантаження (рис. 1.42). Останні визначаються відповідно до співвідношень

Підсилювальні каскади на польових транзисторах та електронних лампах

де Підсилювальні каскади на польових транзисторах та електронних лампах

с tg α1 = Rа;

с tg α2 = Rан.

 

Як бачимо з рис. 1.42, зміна вхідної напруги приводить до зміни напруги на керуючій сітці відносно катода (u), анодного струму та анодної напруги. Змінна складова анодної напруги проходить через роздільний конденсатор Cр як вихідна напруга uвих підсилювача. Початкова фаза uвих протилежна початковій фазі uвх (рис. 1.42), як це було в каскадах з СЕ та СВ.

Підсилювальні каскади на польових транзисторах та електронних лампах 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Підсилювальні параметри знаходяться за допомогою еквівалентної схеми підсилювача зі спільним катодом для змінної напруги (рис. 1.43).

Підсилювальні каскади на польових транзисторах та електронних лампах
 

 

 

 

 

 

 

 


Як бачимо з рис. 1.43, еквівалентна схема лампового підсилювача повністю збігається з аналогічною еквівалентною схемою підсилювача із СВ (рис. 1.38): замість затворного резистора Rз стоїть резистор Rg, замість вихідного опору ПТ (Rвих т) стоїть диференційний опір пентода Rі = duа/diа, замість стокового резистора Rс - анодний резистор Rа. Співвідношення для паразитних ємностей Cвх та Свих показані на рис. 1.43, де С та С - ємності “керуюча сітка – катод” та “керуюча сітка – екранна сітка” відповідно; Сак та Саз - ємності “анод – катод та “анод – захисна сітка” відповідно. При використанні тріода замість пентода ємності дорівнюють Свх = Сgк + Саg(1 + Кu); Свих = Сак + Сн, де Саg - ємність “анод - керуюча сітка”.

Аналогія еквівалентних схем підсилювача з CВ та підсилювача зі спільним катодом дозволяє використати співвідношення (1.103...1.105) для підсилювальних параметрів в області середніх частот:

Підсилювальні каскади на польових транзисторах та електронних лампах

(1.110)

Нижня гранична частота підсилювача зі спільним катодом визначається аналогічно (1.106). Завдяки порівняно великому часу прольоту електронів між електродами ламп величина в не перевищує декількох сотень МГц [13].

Основними перевагами підсилювачів на електронних лампах, як і підсилювачів на ПТ, є великий вхідний опір та великий динамічний діапазон підсилюваних сигналів. До недоліків лампових підсилювачів треба віднести їх великі габарити, споживану потужність, мале значення верхньої граничної частоти. Тому основною областю застосування лампових підсилювачів є підсилення великої потужності в порівняно низькочастотному діапазоні.

 

Наверх страницы

Внимание! Не забудьте ознакомиться с остальными документами данного пользователя!

Соседние файлы в текущем каталоге:

На сайте уже 21970 файлов общим размером 9.9 ГБ.

Наш сайт представляет собой Сервис, где студенты самых различных специальностей могут делиться своей учебой. Для удобства организован онлайн просмотр содержимого самых разных форматов файлов с возможностью их скачивания. У нас можно найти курсовые и лабораторные работы, дипломные работы и диссертации, лекции и шпаргалки, учебники, чертежи, инструкции, пособия и методички - можно найти любые учебные материалы. Наш полезный сервис предназначен прежде всего для помощи студентам в учёбе, ведь разобраться с любым предметом всегда быстрее когда можно посмотреть примеры, ознакомится более углубленно по той или иной теме. Все материалы на сайте представлены для ознакомления и загружены самими пользователями. Учитесь с нами, учитесь на пятерки и становитесь самыми грамотными специалистами своей профессии.

Не нашли нужный документ? Воспользуйтесь поиском по содержимому всех файлов сайта:



Каждый день, проснувшись по утру, заходи на obmendoc.ru

Товарищ, не ленись - делись файлами и новому учись!

Яндекс.Метрика