andrey

Путь к Файлу: /Разное / Аналоги / Засоби стабілізації режиму роботи та параметрів базових підсилювальних каскадів.doc

Ознакомиться или скачать весь учебный материал данного пользователя
Скачиваний:   2
Пользователь:   andrey
Добавлен:   31.01.2015
Размер:   214.5 КБ
СКАЧАТЬ

ЛЕКЦІЯ №4

 

 

ТЕМА 1. Базові підсилювальні каскади

 

ТЕМА ЛЕКЦІЇ 4.   Засоби стабілізації режиму роботи та параметрів базових підсилювальних каскадів

 

Час проведення: 2 год.

 

Мета: вивчити  причини дестабілізації параметрів базових підсилювальних каскадів та методи їх усунення

 

 

Питання заняття та розподіл часу:

1. Стабілізація режиму роботи та  параметрів підсилювачів (45 хв.)

2. Причини лінійних спотворень підсилюємих сигналів (45 хв.)


1. Стабілізація режиму роботи та параметрів підсилювачів

 

Головними причинами нестабільності режиму роботи та параметрів підсилювачів на БТ є температурна нестабільність параметрів транзисторів В(b), a, Iкбо та Uбе, нестабільність напруги живлення, а також ефект “старіння”, тобто зміна параметрів транзисторів, резисторів та конденсаторів з перебігом часу.

Особливо великий вплив на режим роботи та параметри підсилювачів чинить зміна температури Т навколишнього середовища. При цьому найбільш неприємним явищем є, так званий, температурний зворотний зв'язок, який полягає в тому, що зростання температури спричиняє зростання струмів через транзистор, а останнє ще більш підвищує температуру транзистора, тобто транзисторні струми швидко досягають своїх максимально допустимих значень і транзистор виходить з ладу.

Відомо, що коефіцієнти підсилення струму транзисторів з підвищенням температури теж зростають. Швидкість їх зростання характеризують відносними температурними коефіцієнтами [13]:

Засоби стабілізації режиму роботи та параметрів базових підсилювальних каскадів     (1.61)

Напруга між базою та емітером зі зростанням температури зменшується зі швидкістю

ТКVбе  = DVбе/DТ = – (2...2,5) мВ/град.                        (1.62)

Значно підвищується зі зростанням температури зворотний струм неосновних носіїв на колекторному переході Ікбо, який вдвічі зростає на кожні 10° у германієвих та на кожні 5° у кремнієвих транзисторів. Але для малопотужних германієвих транзисторів Ікбо ~ 1 мкА, для кремнієвих Ікбо ~ 0,01 мкА, тому їх вплив на режим роботи та параметри підсилювачів дуже незначний.

Зі сказаного виходить, що найбільшу небезпеку являє зміна температури для підсилювачів з CЕ, бо від нестабільного коефіцієнта підсилення струму В (b) (1.61) у транзисторів з CЕ значно залежить як режим роботи, так і параметри підсилювача (1.26, 1.28, 1.29, 1.32, 1.33, 1.35б). Нестабільність режиму роботи та параметрів підсилювача з CБ менша, ніж у підсилювача з CЕ, бо ТК a << ТК β (1.61). Нестабільність режиму роботи та параметрів підсилювача з CК також менша, ніж у підсилювача з CЕ завдяки наявності в емітерному колі резистора Rе (див. рис. 1.9). Дійсно, як бачимо з виразу (1.44), базовий струм ЕП зменшується зі зростанням β, що дозволяє отримати більш стабільний колекторний струм Ік = βІб. Коефіцієнт передачi напруги ЕП (1.49) також мало змінюється при коливаннях нестабільного  b.

Для зменшення впливу температурних коливань на режим роботи та параметри підсилювача з CЕ, як правило, у його емітерному колі теж встановлюють резистор Rе (рис. 1.16, а).

 

Засоби стабілізації режиму роботи та параметрів базових підсилювальних каскадів
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Базовий струм підсилювача на рис.1.16, а знаходиться із рівняння

Ек = ІбRб + Vбе + ІеRе.

Враховуючи, що Іе = (β + 1)Іб, із останнього виразу отримаємо

Засоби стабілізації режиму роботи та параметрів базових підсилювальних каскадів.                                   (1.63)

Із (1.63) бачимо, що струм Іб зі зростанням температури зменшується, бо зростає значення β. Але не можна казати, що зменшення Іб прямо пропорційно підвищенню β, бо у виразі (1.63) Rб має той же порядок, що (β + 1)Rе. Тому колекторний струм підсилювача

Засоби стабілізації режиму роботи та параметрів базових підсилювальних каскадів

при зміні температури дещо змінюється.

Більш стабільним колекторний струм стає в схемі підсилювача з резистором Rе та резисторним подільником Rб1, Rб2 у базовому колі (рис. 1.16, б). Для визначення режиму роботи такого підсилювача скористаємось теоремою Тевенена [12]  і зобразимо його у вигляді (рис. 1.17).

Засоби стабілізації режиму роботи та параметрів базових підсилювальних каскадівЯк бачимо із рис. 1.17, 1.16, б подільник з джерелом живлення Ек зображений у вигляді еквівалентного генератора ЕРС Еекв, яка дорівнює напрузі холостого ходу (транзистор з подільником роз'єднаний):

 

Засоби стабілізації режиму роботи та параметрів базових підсилювальних каскадів           (1.64)

 

Внутрішній опір генератора Еекв за тією ж теоремою дорівнює вхідному опору подільника при короткому замиканні джерела Ек

 

Засоби стабілізації режиму роботи та параметрів базових підсилювальних каскадів.                      (1.65)

 

Із рис. 1.17 бачимо, що базовий струм дорівнює

Засоби стабілізації режиму роботи та параметрів базових підсилювальних каскадів.

(1.66)

Через те, що Rекв < (β+1)Rе, можна вважати, що при зміні температури базовий струм змінюється майже обернено пропорційно β, а колекторний струм  Ік = βІб » const. Для цього опір резистора Rб2 вибирають малим (Rб2 << Rб1), тоді Rекв » Rб2 << (β + 1)Rе. На практиці струм подільника Засоби стабілізації режиму роботи та параметрів базових підсилювальних каскадів вибирають у (5...10) разів більшим, ніж базовий струм (1.66), що дозволяє вважати напругу в т. Б (рис. 1.16, б) при зміні температури майже незмінною Засоби стабілізації режиму роботи та параметрів базових підсилювальних каскадів. Недоліком цього засобу стабілізації є зменшення вхідного опору підсилювача, який стає рівним

Засоби стабілізації режиму роботи та параметрів базових підсилювальних каскадів.

Нагадаємо, що зміна температури впливає також і на напругу Vберт (1.62), вплив якої на базовий струм (1.66) протилежний впливу β. Для зменшення впливу ТКVбе на режим роботи підсилювача з CЕ використовують схему на рис. 1.16, в. Із рис. 1.16, в бачимо, що базовий струм транзистора Т2 дорівнює

Засоби стабілізації режиму роботи та параметрів базових підсилювальних каскадів,

де Vд - напруга на емітерному переході транзистора Т1, який відіграє роль діода.

Через те, що транзистори Т1, Т2 знаходяться в приблизно однакових температурних режимах, температурні зміни їх напруг на емітерних переходах компенсуються. Тоді колекторний струм транзистора Т2 стає майже незмінним

Засоби стабілізації режиму роботи та параметрів базових підсилювальних каскадів.

Розглянемо вплив резистора Rе у підсилювачах з CЕ (рис. 1.16) на їх підсилювальні параметри. Коефіцієнт підсилення напруги за наявності резистора Rе дорівнює

Засоби стабілізації режиму роботи та параметрів базових підсилювальних каскадів.

(1.67)

Завдяки тому, що rб << (b+1)(rе + Rен), Кu » Rкн/Rен, тобто установка Rе забезпечує стабільність не тільки режиму роботи, але й коефіцієнта підсилення напруги. Аналогічний висновок можна зробити про коефіцієнт підсилення ЕРС:

Засоби стабілізації режиму роботи та параметрів базових підсилювальних каскадів.

(1.68)

Із останнього співвідношення бачимо, що зміна b мало впливає на Ке, якщо (Rг + rб) << (β + 1)(re + Rен).

Коефіцієнт підсилення струму в схемах (рис. 1.16) залишається нестабільним, як і в каскаді (див. рис. 1.5, а) (1.32). Але більш важливою є температурна стабілізація вихідного, тобто колекторного, струму підсилювача. Покажемо, що амплітуда вихідного струму за наявності резистора Rе у каскаді з CЕ також мало залежить від зміни коефіцієнта β. Для цього спочатку визначимо амплітуду вхідного струму в підсилювачі (рис. 1.16, а)

Засоби стабілізації режиму роботи та параметрів базових підсилювальних каскадів.

Тоді амплітуда вихідного струму дорівнює (1.31)

Засоби стабілізації режиму роботи та параметрів базових підсилювальних каскадів  (1.69)

Із останнього виразу бачимо, що зміна b майже не впливає на амплітуду вихідного струму, бо rб << (b + 1)(rе + Rен).

Таким чином, робимо висновок, що підсилювальні каскади, зображені на рис. 1.16, забезпечують більш високу стабільність режиму роботи та параметрів, ніж простіша схема підсилювача з CЕ (див. рис. 1.5, а). Але треба мати на увазі, що це підвищення стабільності досягається за рахунок зменшення коефіцієнтів підсилення Кu та Ке (1.67, 1.68).

Тому за необхідності забезпечення лише стабільності режиму роботи підсилювача резистор Rе шунтують конденсатором великої ємності Се (рис. 1.16, в, пунктир). Ємність Се для одержання максимального коефіцієнта підсилення напруги вибирають із співвідношення 1/wнСе << rе, де wн - нижня частота в спектрі підсилюваного сигналу.

Засоби стабілізації режиму роботи та параметрів базових підсилювальних каскадів
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


        

 

Необхідно зауважити, що схема підсилювача з резистором Rе та подільником в базовому колі забезпечує також більш стабільний режим роботи і в каскаді з CК (рис. 1.18, а), де також діє співвідношення (1.66).

Але наявність досить низькоомного подільника, (оскільки Iділ > Iбрт) знижує вхідний опір емітерного повторювача, який тепер дорівнює

Засоби стабілізації режиму роботи та параметрів базових підсилювальних каскадів

Засоби стабілізації режиму роботи та параметрів базових підсилювальних каскадів.

Цей недолік виправляється в схемі (рис. 1.18, б) за рахунок резистора R. Якщо R низькоомний (R << Rб1), то його опір майже не впливає на постійний базовий струм Iбрт, тобто режим роботи залишається стабільним. Визначимо вхідний опір підсилювача (рис. 1.18, б) для змінної складової струму

Засоби стабілізації режиму роботи та параметрів базових підсилювальних каскадів,

де Rдод - додатковий опір, виникаючий за наявності резистора R.

Визначимо Rдод через додатковий змінний струм J~ (рис. 1.18, б):

Засоби стабілізації режиму роботи та параметрів базових підсилювальних каскадів.

Через те, що Кu в емітерному повторювачі близький до 1, величина Rдод може бути зроблена більшою, ніж Rвхт, тобто вхідний опір підсилювача з CК залишається великим.

На завершення треба додати, що включення додаткового резистора R значно збільшує динамічний діапазон по входу підсилювача з CK, бо максимальна вхідна напруга Uвх макс = IбкрRвх т зростає приблизно пропорційно росту опору в емітерному колі. Струм Ібкр - це критичне значення базового струму, яке відповідає межі між активним та насиченим режимом роботи транзистора (робоча точка А1 на рис. 1.6):

Засоби стабілізації режиму роботи та параметрів базових підсилювальних каскадів,

(1.70)

де Ікн - колекторний струм у режимі насичення БТ.

 

 

 

2. Причини частотних (лінійних) спотворень підсилювальних  сигналів

 

Частотні та перехідні характеристики транзисторних підсилювальних каскадів

 

Типові форми амплітудно-частотних Ке(w) та фазочастотних j(w) характеристик транзисторних підсилювальних каскадів зображені відповідно на рис. 1.2, а, б, смуга пропускання підсилювача визначена співвідношенням (1.2). Якщо ширина спектра підсилюваного сигналу перевищує смугу пропускання П, то з'являються  так звані частотні  спотворення вихідного  сигналу. Часто в літературі ці спотворення називають лінійними, бо вони з’являються завдяки наявності в складі підсилювача лінійних “паразитних” реактивних елементів L, С та обмеженої швидкодії транзистора, працюючого в лінійному режимі класу А (підрозд. 1.2).

Причиною обмеженості смуги пропускання підсилювача, тобто залежності коефіцієнта підсилення Ке(w) та фазового зсуву j(w) від частоти в підсилювачах на біполярних транзисторах, в першу чергу є зменшення з ростом частоти підсилювальних параметрів транзистора (a, b). У довідкових посібниках звичайно вказують значення граничної частоти біполярного транзистора wт = 1/tпр, де tпр час прольоту основними носіями електричного заряду через базу. Назва “гранична” означає, що на частоті wт коефіцієнт підсилення струму в схемі CЕ b дорівнює 1. У деяких довідниках з транзисторів вказують значення частот wa або wb, які зв'язані між собою та з частотою wт  співвідношеннями

Засоби стабілізації режиму роботи та параметрів базових підсилювальних каскадів.

(1.71)

Другою причиною залежності параметрів підсилювачів від частоти є наявність у них реактивних елементів: ємності колекторного та емітерного переходів Ск та Се, ємності навантаження Сн та монтажу См, ємностей роздільних конденсаторів Ср, а також індуктивностей з'єднувальних провідників, дроселів  та трансформаторів. Якщо обмежитись найбільш поширеним випадком резистивно- ємнісного навантаження, то на частотах від декількох Гц до декількох десятків МГц основний вплив на частотні характеристики Ке(w), jе(w) мають ємності Ср, Ск, Се, Сн. Еквівалентна схема транзисторного підсилювача з СЕ, яка враховує наявність цих ємностей, зображена на рис. 1.19.

 

Засоби стабілізації режиму роботи та параметрів базових підсилювальних каскадів
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Як бачимо з еквівалентної схеми, основною причиною зменшення підсилення в області низьких частот є роздільні конденсатори Ср1, Ср2, опір яких зростає з падінням частоти, що зменшує вхідну та вихідну напруги:

Засоби стабілізації режиму роботи та параметрів базових підсилювальних каскадів.

(1.72)

На високих частотах підсилення зменшується в першу чергу за рахунок ємностей Ск та Се, які входять до складу вхідної ємності підсилювачів. На рис.1.20, а, б зображені пунктиром ємності колекторного Ск та емітерного Се переходів транзистора, які впливають на вхідний опір підсилювачів з СЕ та СК відповідно. Визначимо спочатку вхідну ємність підсилювача з СЕ.

Із рис.1.20, а бачимо, що ємнісний опір на вході дорівнює

Засоби стабілізації режиму роботи та параметрів базових підсилювальних каскадів .                                          (1.73)

Засоби стабілізації режиму роботи та параметрів базових підсилювальних каскадів
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Визначимо струми J1 та J2 (рис. 1.20, а):

J1 = jwСе Uвх; J2 = jwСк( Uвх – Uвих) = jwCк Uвх(1 + Кu),

бо для каскаду з СЕ Uвих =  –Кu Uвх.

Підставляючи останні вирази в (1.73), отримаємо вхідну ємність підсилювача з СЕ:

Свх = Се + Ск (1+Кu).

(1.74a)

Із (1.74) виходить, що ємність колекторного переходу робить значно більший внесок у вхідну ємність, ніж ємність емітерного переходу. Цей ефект звуть ефектом Міллера [7].

В підсилювачах із СБ та СК величина вхідної ємності значно менша:

для підсилювача з СБ Свх = Се;

для підсилювача з СК

Свх = Се (1–Кu)+Ск                                  (1.74б)

Для пояснення останнього виразу визначимо ємнісний опір на вході підсилювача з СК (рис. 1.20, б):

Засоби стабілізації режиму роботи та параметрів базових підсилювальних каскадів,

де J1  =  jwCкUвх,  J2  =  jwCe(Uвх – Uвих)  =  jwCeUвх(1 – Ku).

Якщо підставити вирази для J1 та J2 у співвідношення для ємнісного вхідного опору, то отримаємо вхідну ємність підсилювача з СК

Свх =  Ск + Се(1  –  Кu)

(1.75)

Наявність ємності Свх на вході підсилювача значно зменшує його вхідний опір Zвх =  Rвх/1 + jwRвхСвх на високих частотах, тобто зменшує величину Uвх, а відповідно, і Uвих = КuUвх. Треба відзначити, що ємність емітерного переходу Се на частотах до декількох сотень МГц можна не враховувати, бо її опір значно більший, ніж re, з яким Се з'єднана паралельно.

Як бачимо з еквівалентної схеми підсилювача з CЕ (рис. 1.19), зменшення вихідної напруги на високих частотах відбувається також завдяки шунтуючому впливу ємності Сн на активне навантаження Rкн, тобто опір навантаження

Засоби стабілізації режиму роботи та параметрів базових підсилювальних каскадів

(1.76)

з підвищенням  частоти  зменшується. Аналогічний вираз із заміною Rкн на Rен має опір навантаження в підсилювачі зі cпільним колектором. У підсилювачі зі СБ опір навантаження з ростом частоти зменшується ще більше, бо паралельно Rкн підключена також ємність Ск, тобто

Засоби стабілізації режиму роботи та параметрів базових підсилювальних каскадів.

(1.77)

Таким чином, ми бачимо, що причини падіння підсилення на низьких та високих частотах різні.

Засоби стабілізації режиму роботи та параметрів базових підсилювальних каскадівПри аналізі лінійних спотворень підсилюваних імпульсних сигналів зручніше користуватись не частотною, а перехідною характеристикою h(t) підсилювача, яка є реакцією підсилювача на вхідний сигнал ег(t) у вигляді ступінчастої напруги при нульових початкових умовах. На рис. 1.21, б зображений типовий вигляд вихідної напруги підсилювачів з СЕ, СК, СБ, за наявності на їх входах прямокутного стрибка ЕРС ег (рис. 1.21, а).

Різка зміна функції h(t) в області малих інтервалів часу після появи скачка ЕРС ег(t) обумовлена зарядом ємності Ск(1 + Кu) та розрядом ємності Сн. Отже, форма h(t) в області малих інтервалів часу визначається ємностями Ск та Сн, які викликають частотні спотворення в області високих частот.

Повільна зміна h(t) в області великих інтервалів часу після появи стрибка ег(t) обумовлене зарядом ємності Ср1 через вхідний опір підсилювача та розрядом Ср2 через його вихідний опір та навантаження. Отже, форма h(t) в області великих інтервалів часу визначається ємностями Ср1, Ср2, які викликають частотні спотворення в області низьких частот.

 

 

Таким чином, частотні спотворення та спотворення перехідних характеристик мають одну фізичну природу.

Аналітичні вирази, які описують частотні та перехідні характеристики підсилювачів у всьому діапазоні частот та інтервалів часу, мають досить складний вигляд, що обмежує їх застосування. Зручніше проводити аналіз цих характеристик окремо для низьких частот (відповідно для великих інтервалів часу), де на них впливають ємності Ср1, Ср2, та для високих частот (відповідно для малих інтервалів часу), де на них впливають ємності Ск, Сн та залежності підсилювальних параметрів транзистора β і α від частоти.

 

 

 

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