Усилительные каскады на биполярных транзисторах

1. Лекция 4-5

УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ НА
БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

2.

• Усилитель – это устройство, увеличивающее
мощность входного сигнала за счет энергии
источника питания, т.е. усилитель всегда
лишь управляет передачей энергии к нагрузке.
• Многие усилители состоят из нескольких
ступеней, осуществляющих последовательное
усиление сигнала, которые называются каскадами

3. Классификация усилителей

-
по виду сигнала:
усилители периодических сигналов;
усилители постоянного тока (УПТ);
импульсные усилители;
специальные.
по роду усиливаемой величины:
усилители тока (ki>1);
усилители напряжения (ku >1);
усилители мощности (kp >1)

4.

• Важнейшим
показателем
усилителей
является
амплитудно-частотная
характеристика (АЧХ): зависимость модуля
коэффициента
усиления
ku
для
синусоидального
входного
сигнала
от
частоты.
УСИЛИТЕЛИ
ku
УПТ
fв
fв=103-108 Гц
ku
f
УЗЧ
fн
fв f
fн- десятки Гц
fв=15-20 кГц
ku
УВЧ
fн
fв f
от десяток кГц
до сотен МГц
ku
ШПУ
fв f
fн
от десяток Гц
до сотен МГц
ku УПУ
f0 f
узкая полоса
частот

5. Основные элементы каскада: управляемый элемент (БТ) и резистор R

-E
uвх
R i
0
uвых
0
Uвх п
УЭ
uвх
uвых
Uп
Для
обеспечения
работы каскада при ~
входном сигнале в его
входной и выходной
цепи должны быть
созданы постоянные
составляющие тока Iп
и напряжения Uп. Для
этого во входную цепь
подают
постоянное
напряжение Uвх п.
Iп Im Uп Um

6. Графоаналитический метод расчета усилительного каскада с ОЭ

IБ, мкА
UКЭ = 5В
80
2ImБ
А
60
+
П
40
IБП
_
20
В
0
50
UБЭ П
100
150
200
250
2Um БЭ
+
_
t
uБЭ, мВ
t

7. Линия нагрузки

U К П EК I К RК
ЕК
1) IК=0; UК П=ЕК
Rк
VT
СЭ
uВХ
RЭ
UК
2) UК П=0; IК=ЕК/RК

8. Графоаналитический метод расчета усилительного каскада с ОЭ

iK, мА
5
IБ = 80 мкА
N
A
60 мкА
4
2Im K
40 мкА
П
3
2
IKП
20 мкА
1
0
4
6
8
UКЭ П
2Um КЭ
_
+
t
+
_
IБ = 0
B
2
ImK
M
t
12
uКЭ, В

9. Порядок расчета

• На выходных характеристиках строится линия
нагрузки каскада, которая представляет собой
геометрические места точек, координаты которых
соответствуют возможным значениям точки покоя
каскада.
• На входной характеристике выбирается необходимое
значение тока базы покоя, и тем самым
определяются координаты точки покоя П, путем
пересечения
соответствующей
выходной
характеристики с линией нагрузки.
• Для исключения искажений выходного сигнала
необходимо, чтобы рабочая точка при перемещении
вверх по линии нагрузки не заходила в область
нелинейных
начальных
участков
выходных
характеристик, а при перемещении вниз – в область
начальных токов коллектора.

10. Широкополосный (апериодический) усилитель

• Основное требование к усилителю:
отсутствие
искажений
закона
изменения входного сигнала в
процессе усиления.
• Для обеспечения этого требования для
режима покоя необходимо выбрать
прямолинейный
участок
входной
характеристики и подать постоянное
напряжение, смещающее эмиттерный
переход в прямом направлении.

11. ШПУ

ЕК
RБ1
С1
RК
VT
С2
С3
RБ2
uВХ
RЭ
RН
С1 и С2 – разделительные
емкости (отделяют
переменную составляющую
от постоянной
составляющей;
С3 – блокирующий
конденсатор (устраняет
ООС по переменному току);
RБ1, RБ2 – делитель
напряжения (для смещения
эмиттерного перехода в
прямом направлении и
выхода на линейный участок
входной характеристики.

12.

uВХ, В
1
0
-1
t
uБ, В
3
2
1
0
UБЭ П
t
uK, В
ЕК
8
4
0
UKЭ П2
UKЭ П1
t1
t2
t3
t4
Временные диаграммы усилительного
каскада
t
0 – t1 :
uвх= 0 (постоянное
напряжение); uБ=2 В;
uЭ = 2 - 0,6 = 1,4 В; uК = 8 В
(режим зависит от RК);
t1 – t 2 :
малый входной сигнал,
uБ=2 + uвх, uЭ=const, т.к.
есть С3 (фильтрация
переменной
составляющей);
t2 – t 3 :
Большой входной сигнал.
Возможны искажения типа
«ограничение».
Нежелательно искажение
uК ;
t3 – t 4 :
Другой режим, при
увеличении RК
(аналогично t1 – t2).
Искажений нет, режим
удачнее.

13. Избирательные усилители

это усилители, работающие в
определенной полосе частот.
Типы усилителей:
1) Резонансный усилитель;
2) Усилитель
с
полосовыми
фильтрами;
3) Усилитель с избирательными RC
цепями.
-

14. Частотные свойства одиночного колебательного контура

X
R0
XL=ωL
2Δω
Резонанс
токов
XC=1/ωC
ρ
Резонанс
напряжений
1
L
C
r0
- Условие резонанса
ω0
0
ω
1
LC

15.

• ρ
–
характеристическое
сопротивление, т.е. сопротивление
каждого элемента на резонансной
частоте;
• R0, r0 – эквивалентное резонансное
сопротивление (теоретически R0= ,
r0=0 – для контура без потерь);
• Потери в контуре – активное
сопротивление провода катушки,
потери в сердечнике, гистерезис,
вихревые токи.

16.

• Селективность усилительных свойств
оценивается добротностью:
f0
0
Q
; Q
2 f
2
2 Δω – полоса пропускания
Обычно Q = 5 – 100 (у специальных
усилителей – до 1000)

17. Резонансный усилитель с ОЭ

ЕК
L
L, C –параллельный
контур коллекторной цепи
(вместо резистора в
широкополосном
усилителе).
C
VT
СЭ
uВХ
RЭ
RН
I K Rв ых
kU
I Б Rв х
Rвых складывается из R0, Rвых
транзистора и Rн.
Если пренебречь Rвых транзистора
и Rн, то kU ~ R0, а на резонансной
частоте сопротивление контура
велико и kU - максимален

18. Усилитель постоянного тока (УПТ)

• УПТ предназначены для усиления сигналов,
медленно изменяющихся во времени, т.е.
сигналов, частота которых приближается к
нулю.
• Дрейфом
усилителя
называется
самопроизвольное изменение выходного
напряжения
УПТ
при
неизменном
напряжении входного сигнала.
• Причины
дрейфа:
нестабильность
напряжения питания схемы, температурная
нестабильность параметров транзисторов и
резисторов.
• Напряжение
дрейфа
определяют
при
закороченном
входе
усилителя
по
приращению выходного напряжения.

19.

ЕК
R1
R3
VT2
VT1
R5
R7
мА
Т.П.
R2
Е1
R4
R6
R8
R1, R2 – делитель напряжения
E1-компенсирующая ЭДС
R4 – термостабилизация режима
R3, VT1 и R4 – делитель
напряжения
Т.П. – термопара –
электрический
термометр (служит для
преобразования
текущего
значения
температуры
в
электрический сигнал.
Термопара состоит из 2х
различных
металлических пластин,
одни концы которых
соединены сваркой или
пайкой. При нагреве
места
соединения
пластин на их концах
образуется постоянное
напряжение,
которое
пропорционально
значению температуры
нагрева.

20. Ключевой режим работы БТ

Импульсная и цифровая техника базируется на работе
транзистора в качестве ключа (замыкание и размыкание
цепи нагрузки)
iК, мА
Mo
IБ 4
IБ 2
IБ 1
Mз
ΔUкэ откр.
Rк
Iк0
IБ 3
Iк0
- Ек
IБ 5
+(-)
uВХ IБ
IБ = 0
uКЭ, В
RБ
-(+)
VT
Iк

21.

• Качество транзисторного ключа определяется
в первую очередь падением напряжения на
транзисторе
в
открытом
состоянии
(остаточное напряжение) и остаточным током
транзистора в закрытом состоянии.
• Строится линия нагрузки по уравнению:
UКЭ= - (EK - IK·RK)
• Режим отсечки транзистора осуществляется
подачей
на
его
вход
напряжения
положительной
полярности
(Uвх>0).
Эмиттерный переход запирается и IЭ=0.
Вместе с тем через резистор RБ протекает
обратный (тепловой) ток коллекторного
перехода IК0 (точка МЗ).

22.

•Протекание IК0 связано с тем, что
транзистор в закрытом состоянии не
обеспечивает полное отключение RK от
источника питания. Малое значение IК0
является одним из критериев выбора
транзистора для ключевого режима
работы.
•Значение
входного
запирающего
напряжения выбирают из расчета:
UБЭ= Uвх.зап – IK0·RБ > 0
Для германиевых транзисторов UБЭ =0,5–
2 В.

23.

• Режим
открытого
состояния
транзистора
достигается
изменением полярности входного
напряжения (Uвх 0), точка М0.
IK
EK U КЭ откр
RK
ΔUКЭ откр – остаточное напряжение на
транзисторе в открытом состоянии;
В зависимости от типа транзистора
ΔUКЭ откр = 0,05 – 1 В и IK = EK/RK.

24. Диаграммы напряжений и токов ключевой схемы

Uвх
Uвх зап
Uвх отп
IБ
IK0
t
IБ отп
t
IК
IK0
ΔUКЭ отп
UКЭ
IK0RK
-ЕК
t
t
t0-t1 – транзистор заперт, токи
IБ и IК определяются тепловым
током транзистора IK0,
UКЭ= - (EK - IK·RK);
t1-t2 – отпирание транзистора,
из-за инерционности
транзистора IK и UКЭ
изменяются по экспоненте;
t3 – к схеме прикладывается
запирающее напряжение,
возникает задержка в
запирании транзистора.

25. Определить схему включения транзисторов VT1, VT2, VT3 в схеме многокаскадного усилителя НЧ.

Uвх
Определить схему включения транзисторов
VT1, VT2, VT3 в схеме многокаскадного
усилителя НЧ.
Rф
R б'
VT1
Cp
Cф
Rн
Cp
Rф
Cф
Rб'
VT2
R б'
Rн
Cp
VT3
Cф
Cp
R б"
Rэ
Сэ
R б"
Rб"
Rн
-
Uпит
+
Uвых