Корнев В.А. Схемотехника: Курс лекций - файл n1.doc

Корнев В.А. Схемотехника: Курс лекций
скачать (1834 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc1834kb.07.11.2012 01:51скачать

n1.doc





СОДЕРЖАНИЕ
Введение 4

1 Программа курса 5

1.1 Общие сведения 5

1.2 Краткое описание курса 6

1.3 Распределение часов курса по разделам 7

1.4 Содержание дисциплины 7
2 Расчет транзисторных усилителей 14

2.1 Общие принципы проектирования усилителей на

биполярных транзисторах 14

2.2 Расчет низкочастотных усилителей малой мощности

на биполярных транзисторах 18
Литература 29

ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время практически невозможно найти сферу человеческой деятельности, особенно в системах управления, где бы не использовалась электроника. Первичная информация о состоянии процесса управления, представленная в форме электрических сигналов, вырабатываемая соответствующими датчиками подлежит усилению, фильтрации, преобразованию и т.д. В связи с тем, что сигналы, вырабатываемые датчиками, как правило, имеют низкий энергетический уровень, то возникает необходимость их предварительного усиления. Усилитель – это электронное устройство, управляющее потоком энергии, поступающей от источника питания. Усилители по своему функциональному назначению и другим требованиям делятся на множество типов. По природе усиливаемого сигнала усилители подразделяются на: усилители постоянного тока, усилители переменного тока, усилители импульсных сигналов. По частоте усиливаемых сигналов они делятся на низкочастотные (УНЧ) от десятков герц fн до сотен килогерц fв, широкополосные от сотен килогерц до десятков мегагерц, селективные усилители и др.

К условия применения УНЧ следует отнести диапазон изменений температур окружающей среды, в котором усилитель должен сохранять полную работоспособность, вид механических воздействий, требования к весовым и энергетическими показателями и т.д.. Так как, одно из основных требований к усилителю состоит в увеличении энергетических показателей усиливаемого сигнала, к которым относятся усиление по напряжению (току, мощности), без искажения формы сигнала, то появляется необходимость контроля степени искажения формы сигнала. Одним из источников больших нелинейных искажений на выходе усилителя является нелинейность вольтамперных характеристик транзистора. Так как датчики имеют довольно широкий спектр технических параметров, например, величина выходного сопротивления, то возникает специальное требование к высокому входному сопротивлению усилительного каскада.

Усиления сигнала, в зависимости от сформулированных требований, осуществляется в несколько этапов: предварительное усиление (усилитель малой мощности), промежуточное усиление (усилитель средней мощности) и конечное усиление мощности. В данном курсовом проекте решается задача проектирования маломощного усилителя низкой частоты.

Выбор компонентов при проектировании усилителя следует осуществлять таким образом, чтобы их параметры обеспечивали максимальную эффективность устройства по заданным характеристикам, а также его экономичность с точки зрения расхода энергии питания и себестоимости компонентов.

1 ПРОГРАММА КУРСА
1.1 Общие сведения
Краткое описание дисциплины: дисциплина «Основы электроники» изучается на 2 курсе студентами очной и заочной формы обучения специальности “050716 «Приборостроение»” и предполагает знакомство студентов с основными типами современных элементов электронной техники, студенты изучают основные виды полупроводниковых приборов, их особенности, характеристики, схемы включения. Кроме того, происходит знакомство с основными понятиями микроэлектроники, особенностью изготовления и параметрами пассивных и активных элементов интегральных микросхем. Изучаются также и базовые устройства аналоговой и цифровой электроники.

Цель курса – дать представление о системной методологии исследования и проектирования сложных электронных устройств.

Задачи изучения дисциплины:

- ознакомить обучающихся с этапами развития электроники, показать специфику данного направления электротехники, выявить роль в развитии цивилизации;

- дать твердые знания о принципах действия элементной базы электроники;

- развивать у студентов умение самостоятельно расширять и углублять знания, полученные при изучении курса;

- усилить прикладную направленность курса для самостоятельного использования при разработке различных электронных устройств;

- развить навыки использования электронной измерительной аппаратуры при выполнении лабораторных работ и в профессиональной деятельности при решении самых разнообразных инженерных за­дач техники, анализа, планирования и прогнозирования.

В результате изучения дисциплины студенты должны:

- знать основные понятия о принципах действия электронных приборов, структуру и технологию изготовления интегральных микросхем, различные аспекты применения элементной базы электроники в практической деятельности инженера;

- уметь определять основные характеристики и параметры электронных приборов и микросхем, строить простейшие электронные схемы на электронных приборах и микросхемах;

- приобрести навыки снятия основных характеристик электронных приборов, уметь выбрать элементную базу для конкретного применения приборов.

Пререквизиты: системотехника; основы проектирования; разделы математики, в том числе: интегральное и дифференциальное исчисление, теории вероятностей, математической статистики; общая физика и физика твердого тела, оптика, термодинамика; электротехника и теоретические основы электротехники.

Постреквизиты: схемотехника аналоговых и цифровых устройств, микроконтроллеры, основы автоматики, проектирование систем контроля и автоматизации, электромеханика, электронная измерительная техника, расчет и проектирование приборов, автоматизация технологических процессов и т.д. Использование этих знаний полезно при изучении смежных дисциплин. Знания по основам электроники необходимы при выполнении курсовых проектов по основам электроники, электронной измерительной техники, проектированию систем контроля и автоматизации

1.2 Краткое описание курса

Данная дисциплина предусматривает изучение следующих разделов:
1 Физические основы полупроводниковых приборов

1.1 Электропроводность полупроводников

1.2 Свойства p-n перехода
2 Полупроводниковые приборы

2.1 Полупроводниковые диоды

2.2 Полупроводниковые стабилитроны, варикапы, диоды Шоттки, туннельные диоды, динисторы, тиристоры, оптроны.

2.3 Устройство и принцип действия биполярного транзистора

2.4 Характеристики и применение биполярного транзистора

2.5 Принцип действия и параметры полевых транзисторов

2.6 Полевые транзисторы металл - окисел - полупроводник (МОП)
3 Электронные усилители

3.1 Назначение и основные параметры электронных усилителей

3.2 Режимы работы усилителей

3.3 Порядок проектирования усилительных трактов

3.4 Усилительный каскад по схеме с общим эмиттером

3.5 Усилительный каскад с общим коллектором, дифференциальный усилитель, усилители на полевых транзисторах, схема Дарлингтона

3.6 Обратная связь в усилителях, избирательные усилители

3.7 Каскады усиления мощности, многокаскадные усилители

3.8 Частотные характеристики усилителей
4 Вторичные источники питания

4.1 Выпрямители

4.2 Параметры стабилизаторов напряжения. Параметрические стабилизаторы

4.3 Компенсационные стабилизаторы
5 Генераторы

5.1 Генераторы сигналов. Определение и основные соотношения

5.2 Генераторы сигналов различной формы
6 Микросхемы

6.1 Интегральные микросхемы. Аналоговые и цифровые микросхемы. Основные определения и классификация

6.2 Операционные усилители
1.3 Распределение часов курса по разделам
На дисциплину выделено за семестр 2 кредит часа. Из них аудиторных в неделю: 1 час лекций, 1 час лабораторных занятий и 2 часа СРС(п). На самостоятельную работу студентов отведено 2 часа в неделю.





Наименование раздела

Кол-во часов

Лекц.

Лаб.раб

СРС(п)

1

Физические основы полупроводниковых приборов

1

-

2

2

Полупроводниковые приборы

4

5

6

3

Электронные усилители

5

5

10

4

Вторичные источники питания

3

5

9

5

Генераторы


1

-

2

6

Микросхемы

1

-

1

Всего за семестр

15

15

30

Итого за семестр: 60 часов
1.4 Содержание дисциплины
1.4.1 Лекционные занятия, их содержание и объем в часах


№ недели

Тема

Кол-во часов

1

Физические основы полупроводников. Полупроводниковые материалы. Электронно-дырочный переход и его свойства. ВАХ р-n-перехода


1

2

Полупроводниковые диоды: выпрямительный, стабилитрон, варикап, диоды Шоттки, туннельные диоды, фотодиод, светодиод. Аналитическое выражение ВАХ диода

1


3

Тиристор – управляемый полупроводниковый прибор с несколькими p-n-переходами. ВАХ тиристора и статические параметры прибора


1



4

Биполярные транзисторы: p-n-p и n-p-n. Принцип усиления и схемы включения транзисторов. Классификация приборов и их параметры. h-параметры транзистора



1

5

Полевые транзисторы: с управляющим p-n-переходом, со встроенным и с индуцированным каналом. Устройство, принцип действия, параметры и статические характеристики полевых транзисторов. Сравнительная оценка полевых и биполярных транзисторов

1


6

Построение усилительных каскадов: однокаскадные усилители на биполярном и на полевом транзисторах. Назначение элементов усилителя. Понятие обратной связи. Выбор режима работы по постоянному току. Основные параметры усилителя


1

7

Многокаскадные усилители: с конденсаторной связью, с трансформаторной связью, с непосредственной связью между каскадами. Принципы построения многокаскадных усилителей. Основные параметры

1


8

Усилители постоянного тока: назначение, особенности построения, принцип действия. Дифференциальный усилитель


1


9

Усилители мощности: назначение, принцип действия, особенности построения


1


10

Избирательные усилители: назначение, принцип действия, особенности построения


1



11

Вторичные источники питания: классификация, назначение, принципы построения, структурная схема, назначение функциональных узлов



1


12

Выпрямители: классификация (однополупериодные, двухполупериодные; однофазные, трехфазные; управляемые и неуправляемые). Использование сглаживающих фильтров. Основные параметры. Применение.


1


13

Стабилизаторы напряжения. Параметрические стабилизаторы. Компенсационные стабилизаторы. Назначение, принцип действия, основные параметры.


1


14

Электронные генераторы и формирователи импульсов. Основные схемы и принципы работы генераторов гармонических колебаний. Понятие о релаксационных автогенераторах (генераторах несинусоидальных колебаний): мультивибраторах (генераторах прямоугольных импульсов)


1


15

Микроэлектроника. Понятие интегральной схемы (ИС). Классификация интегральных схем: по функциональной сложности (ИС, СИС, БИС, МБИС), по технологии изготовления (полупроводниковые, совмещенные, гибридные и пленочные), по функциональному назначению (цифровые и аналоговые)


1




Всего за семестр

15


1.4.2 Лабораторные работы, их содержание и объем в часах




Тема

Кол-во

часов

1

Исследование свойств п-р-перехода на примере полупроводниковых диодов

2

2

Исследование биполярного транзистора

2

3

Исследование полевого транзистора с управляющим п-р-переходом

2

4

Исследование однокаскадного усилителя на биполярном транзисторе

3

5

Исследование однокаскадного усилителя на полевом транзисторе

2

6

Исследование схем выпрямителей

4




Всего за семестр

15


1.4.3 Самостоятельная работа, содержание и объем в часах

(СРС(п))




Тема

Кол-во

часов

1

Изучение электрофизических свойств полупроводниковых материалов. Носители заряда в полупроводнике, собственная и примесная электропроводность

1

2

Понятие электронно-дырочного перехода, его основные свойства. п-р-переход в прямом и обратном включении. ВАХ п-р-перехода

1

3

Полупроводниковые диоды: классификация, основные параметры, условное графическое обозначение на электрических схемах, маркировка

1

4

Биполярные транзисторы: классификация, основные параметры, условное графическое обозначение на электрических схемах, маркировка

1

5

Схемы включения транзисторов: ОЭ, ОК, ОБ. Расчет h-параметров транзистора

1

6

Полевые транзисторы: классификация, основные параметры, условное графическое обозначение на электрических схемах, маркировка.

1

7

Резисторы конденсаторы: система условных обозначений, ряды номиналов и допустимые отклонения от номиналов

1

8

Конденсаторы: система условных обозначений, ряды номиналов и допустимые отклонения от номиналов

1

9

Формирование электрической принципиальной схемы однокаскадного усилителя и ее расчет

2

10

Расчет узлов усилительных устройств согласно заданию курсовой работы

9

11

Формирование электрической принципиальной схемы выпрямителя и ее расчет

2

12

Расчет узлов вторичного источника питания радиоаппаратуры согласно заданию курсовой работы

6

13

Построение схемы генератора гармонических колебаний

2

14

Классификация микросхем и их условные обозначения

1




Всего за семестр

30



1.4.4 Самостоятельная работа студентов, содержание и объем в

часах (СРС)
Самостоятельная работа студентов включает:

- выполнение курсовой работы: ИДЗ (индивидуальные домашние задания)

- подготовка к выполнению и защите лабораторных работ (тесты, устный коллоквиум)

- проработка тестов то текущим темам

- подготовка к текущим рубежным и итоговым контролям

- самостоятельное изучение тем, не вошедших в аудиторные часы
1) ИДЗ (индивидуальные домашние задания) выполняются в соответствии с вариантом указанным преподавателем в методическом пособии по выполнению курсовой работы и контролируются преподавателем на СРС(п):





Выполненная работа

Номер раздела

Кол-во баллов

Неделя

выполнения

1

Получение задания на курсовую работу

-

-

1

2

Подбор литературных источников, составление библиографического списка

1

-

4

3

Анализ существующих способов решения и формирование структурной схемы устройства

2

-

6

4

Расчет электрической принципиальной схемы устройства

3

-

13

5

Моделирование электроической принципиальной схемы на ПЭВМ и описание принципа действия

4,5

-

14

6

Оформление курсовой работы

-

-

15

2) Подготовка к тестовому контролю проводится самостоятельно, тестовый опрос проводится в часы лабораторных занятий. Банк тестовых вопросов предоставляется согласно календарному плану освоения дисциплины.



Тема

Номер теста

Кол-во баллов

Неделя

выполнения

1

Исследование свойств п-р-перехода на примере полупроводниковых диодов

Тест №1

5

2

2

Исследование биполярного транзистора

Тест №2

5

4

3

Исследование полевого транзистора с управляющим п-р-переходом

Тест №3

5

6

4

Исследование однокаскадного усилителя на биполярном транзисторе

Тест №4

5

9

5

Исследование однокаскадного усилителя на полевом транзисторе

Тест №5

5

11

6

Исследование схем выпрямителей

Тест №6

5

15


3) Коллоквиум (устный опрос) проводится при защите лабораторных работ. Перечень вопросов для защиты лабораторных работ приведен ниже:

1 Нарисуйте ВАХ диода и объясните на ее примере свойства р-п-перехода. Запишите аналитическое выражение ВАХ идеального диода.

2 Укажите на ВАХ стабилитрона рабочий участок. Назовите основные параметры стабилитрона.

3 В каком направлении смещают р-п-переход светодиода в рабочем включении?

4 Объясните конструкцию биполярного транзистора и назначение его электродов.

5 Какие схемы включения биполярного транзистора используются на практике?

6 Что называют входными и выходными характеристиками транзистора?

7 Какова взаимосвязь между токами эмиттера, коллектора и базы транзистора?

8 Что такое h-параметры транзистора?

9 Что такое схема замещения транзистора и для каких целей она используется?

10 Какова взаимосвязь напряжений между электродами транзистора?

11 Покажите на экспериментальных графиках вольт-амперную характеристику эмиттерного перехода.

12 Покажите на экспериментальных графиках вольт-амперную характеристику коллекторного перехода.

16 Объясните назначение элементов в усилителе.

17 Какие параметры транзистора ограничивают рабочую область его выходных характеристик?

18 Как выбирается точка покоя транзистора?

19 Как влияет сопротивление нагрузки на коэффициент усиления по напряжению?

20 Как влияет входное сопротивление усилителя на коэффициент усиления по напряжению?

21 Какие элементы схемы определяют нижнюю и верхнюю граничные частоты?


2 РАСЧЕТ ТРАНЗИСТОРНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ
2.1 Общие принципы проектирования усилителей на биполярных транзисторах
Общие сведения. Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя p-n переходами. Транзистор называют биполярным, так как в процессе протекания электрического тока участвуют носители электричества двух знаков – электроны и дырки. Транзисторы бывают двух типов: p-n-p и n-p-n. Наиболее распространены в применении транзисторы n-p-n типа, так как они обладают рядом преимуществ. В схемах биполярные транзисторы изображаются следующим образом:



Рисунок 2.1 –Схемное изображение транзисторов.
Индексом "б" обозначен базовый вход, "к" обозначает контакт с коллектором, а "э" – эмиттер. Направление стрелки у эмиттера является отличительным признаком типа транзистора (п-р-п или р-п-р) и указывает направление тока эмиттерного перехода. Тогда, коллектор транзистора p-n- p-типа подключается к отрицательному полюсу источника, а коллектор транзистора n-p-n-типа к положительному. Токи и напряжения на электродах транзисторов p-n-p и n-p-n проводимостей представлены на рисунке 2.2.



Рисунок 2.2 – Токи и напряжения в транзисторах разной проводимости
В зависимости от того, какой из выводов транзистора является общим между входным источником сигнала и выходной цепью транзистора, существуют три основные схемы включения транзистора, а именно, с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК), с общей базой (ОБ) (см. рис. 2.3).



а) – с общей базой; б) – с общим эмиттером; в) – с общим коллектором.

Рисунок 2.3 – Существующие схемы включения транзисторов
Основные сравнительные технические параметры различных схем включения транзистора приведены в таблице 2.1
Таблица 2.1 - Сравнительные технические параметры различных схем включения транзистора





rвх

rвых

Ku

Ki

Kp

Замечания

ОЭ

среднее

высокое

Большое

Большое

Очень большое

Часто использ.

ОК

очень большое

очень низкое

1

Большое

Большое

Не часто использ.

ОБ

малое

очень высокое

Большое

1

Большое

Редко использ.



Наиболее общим и наглядным часто применяющимся показателем свойств транзистора, являются экспериментально снятые статические вольтамперные характеристики (ВАХ). Статические характеристики представляют собой графики экспериментально полученных зависимостей между токами, протекающими в транзисторе, и напряжениями на его p-n переходе при Rн=0. Эти характеристики являются для каждого типа транзистора уникальными и приводятся в его заводских паспортных данных, а также их можно найти в справочниках по полупроводниковым приборам [2,3,4]. Основными вольтамперными характеристиками транзистора являются входная и выходная характеристики. На практике наиболее часто используют схему включения транзистора с общим эмиттером ОЭ. При подобном включении входным электродом  является база, эмиттер заземляется (общий электрод), а выходным электродом является коллектор. На рис.2.4 приведена принципиальная схема лабораторной установки для определения вольт-амперных характеристик  транзистора, включенного с ОЭ. Входная  цепь (цепь базы) питается от регулируемого источника тока I положительной полярности, который поддерживает необходимый ток базы. Величина тока базы Iб измеряется миллиамперметром РА1. Напряжение между эмиттером и базой Uбэ измеряется вольтметром, который подключается к предусмотренным для этих целей выводам (Uбэ). Напряжение на коллекторе устанавливается от регулируемого источника напряжения Ек. Напряжение коллектора Uкэ измеряется с помощью вольтметра, подключаемого к вывода (Uк). Для измерения коллекторного тока Iк служит миллиамперметр РА2.



Рисунок 2.4 –Лабораторная установка измерения ВАХ транзистора
Входной характеристикой транзистора, включенного по схеме с ОЭ, является зависимость напряжения Uбэ от входного тока Iб, Uбэ =f1(Iб) при заданном напряжении Uкэ. В цепи коллектора может протекать неуправляемый тепловой ток. При Uкэ =0 тепловой ток Iк0 в цепи коллектора отсутствует и появляется только при Uкэ>0, при этом он направлен навстречу току Iб , как это показано на рисунке 2.5 .



Рисунок 2.5 –Схема распределения температурных токов транзистора
Выходной характеристикой транзистора по схеме с ОЭ считывается зависимость Iк =f2(Uкэ) при заданном токе Iб. Если Uбэ=0, в цепи коллектора протекает только тепловой ток, так как в этом случае инжекция электронов из эмиттера в базу (для n-p-n–транзистора) отсутствует.

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) условного транзистора в статическом режиме приведены на рисунке 2.6.


б)-входные вольт-амперные характеристики транзистора;

в)- выходные вольт-амперные характеристики транзистора.
Рисунок 2.6 – Входные и выходные ВАХ транзистора.
Как видно из входной ВАХ (см.рис. 2.6-б), транзистор по входу обладает некоторой зоной нечувствительности до определенного напряжения Uбэ, т.е, не обладает усилительными свойствами. У германиевых транзисторов это напряжение меньше, чем у кремниевых и принято считать, что оно составляет 0.3-05 В, а у кремниевых лежит в пределах 0.6-0.9 В (в дальнейшем будем считать равным 0.7В)..

Основным параметром транзистора, как усилительного элемента, для схемы включения с ОЭ в статическом режиме является коэффициент усиления тока базы h21э:

h21э=? =  Iк / Iб, при Uкэ= const (1)

В справочнике на это специально обращают внимание, указывая, что этот параметр дан для статического режима. У большинства транзисторов величина h21э лежит в интервале значений h21э =10 -200.

  Параметр h21э относится к h – параметрам (параметр четырехполюсника). В справочниках приводятся еще некоторые h – параметры такие как:

- h 11э - входное дифференциальное сопротивление транзистора, которое определяется из выражения h 11э = ? Uбэ / ? Iб,  Uкэ=const;

- h22э - выходная дифференциальная проводимость h22э =  ? Iк / ? Uкэ,  Iб= const

Эти два параметра относятся к динамическим параметрам.

Для схемы с ОЭ входное сопротивление составляет единицы кОм, а выходная проводимость - 10-4  -10-5 .

При работе транзистора с коллекторной нагрузкой Rк , напряжение на коллекторе будет уменьшаться при больших токах коллектора и может достичь нуля. Связь между коллекторным током Iк и напряжением на коллекторе Uк выражается уравнением нагрузочной прямой, которая имеет следующий вид:

Iк=(Ек - Uк)/Rк (2)

Графически нагрузочная прямая на семействе коллекторных характеристик транзистора (см. рис2.6в) пересекается с осями координат  в следующих точках: на горизонтальной оси напряжения между коллектором и эмиттером (Uкэ) в точке Ек, когда Iк = 0 и на вертикальной оси коллекторного тока (Iк) в точке Ек/ Rк, когда транзистор находится в режиме насыщения, можно считать, что транзистор короткозамкнут.

Приведенные графические построения и расчеты используются при проектировании различных усилительных схем на биполярных транзисторах.
2.2 Расчет низкочастотных усилителей малой мощности

на биполярных транзисторах

2.2.1 Общие сведения и определения. Во многих областях науки и техники, и в частности, в системах управления возникает необходимость усиления некоторых электрических сигналов, которые могут быть как переменными во времени, так и относительно постоянными. Устройства, предназначенные для этих целей, называются усилителями.

Источники первичных (входных для усилителя) электрических сигналов называются датчиками, функция которых состоит в преобразовании измеряемых параметров различной физической природы в электрический сигнал. Физические принципы и конструкции датчиков довольно разнообразны, например, индукционные, индуктивные, резистивные, емкостные, пьезоэлектрические, магнитострикционные, фотоэлектрические и др.

В основу классификации усилителей положены различные признаки. По характеру усиливаемых сигналов они могут быть усилителями переменных (гармонических, импульсных, сложной формы) сигналов и постоянного тока. По мощности усилителя делятся на маломощные, усилители средней мощности и мощные усилители. По диапазону усиливаемых частот бывают усилители низкой частоты – усилители звуковых частот, усилители промежуточной частоты, усилители высокой частоты. Усилители бывают узкополосные и широкополосные. Очень часто есть необходимость усиливать сигналы очень узкой полосы и тогда подобные усилители называются селективными. Усилители выполняются на электронных лампах, биполярных и полевых транзисторах, туннельных диодах, магнитных элементах и т.д.

Технические характеристики усилителя определяются выходной мощностью сигнала, выходным напряжением или током, коэффициентом усиления и коэффициентом полезного действия, полосой пропускания, температурной стабильностью, коэффициентом нелинейных искажений и показателями шума, чувствительностью, входным сопротивлением и т.д.

Выходные параметры усилителя, такие как, выходной напряжение, ток, мощность зависят от назначения усилителя и типа нагрузки. Если считать нагрузку активной, то указанные параметры находятся из следующих выражений:

Uн = IнRн; Pн = IнUн = I2н Rн = U2н /Rн. (3)

Входные параметры рассчитываются по формулам аналогичным (3)

Uвх = IвхRвх; Pвх = IвхUвх ; Rвх = Uвх/Iвх (4)

Коэффициент усиления усилителя вычисляется, как отношение напряжения на выходе усилителя к напряжению на входе

К = Uн /Uвх

Для многокаскадного усителя общий коэффициент усиления вычисляется произведением коэффициентов усиления отдельных каскадов

К = К1 К2 К3 ………………..Кn

Коэффициент полезного действия выходной цепи усилителя определяется отношением мощности сигнала отдаваемой выходной цепью к потребляемой ею от источника питания выходной цепи

? = Р~ /Р0

Существует еще оценка КПД усилителя мощности, равная отношению мощности в нагрузке к суммарной мощности, потребляемой им от всех источников

? ус = Р~ /Р0

Наличие в схеме усилителя реактивных элементов (емкостей, индуктивностей) приводит к неодинаковому усилению составляющих частотного спектра сигнала, т.е. появляются частотные и фазовые искажения. Степень искажений определяется частотной характеристикой усилителя определяется коэффициентом усиления на данной частоте. На рисунке 2.7 приведена условная амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителя.




Рисунок 2.7- Амплитудно - частотная и фазовая характеристики транзистора.
Частотные искажения усилителя, на какой либо частоте определяются относительным усилением Y = K /Kср или коэффициентом частотных искажений М = Кср /К = 1/Y . В средней части частотной характеристики эти отношения будут равны единице М = Y = 1 и, чем больше они отличаются от единицы, тем больше искажения.Кроме частотных искажений, существуют еще нелинейные, которые обусловлены нелинейностью характеристик отдельных элементов схемы, например нелинейность входной характеристики транзистора (см. рис. 2.6). Нелинейность характеристики приводит к тому, что при подачи на вход транзистора идеальной синусоиды, на выходе появится спектр, состоящий их множества высших гармоник. Уровень нелинейных искажений (коэффициент гармоник) усилителя определяется следующим отношением, где U1m, U2m, …………….Ukm – амплитудные значения первой, второй, третьей………..к-й гармоники.

Очень важную роль в усилителях играет отрицательная обратная связь (ОС). В зависимости от способа снятия сигнала обратной связи с выхода и подачи его на вход усилителя различают четыре типа обратной связи. Название типа ОС состоит из двух слов. Первое слово определяет, как сигнал подается на вход, второе – как снимается с выхода. Внизу рассматриваются следующие четыре типа обратной связи:.




Рисунок 2.8 -Последовательно – параллельная обратная связь



Рисунок 2.9 - Параллельно – параллельная обратная связь:
При параллельной обратной связи по входу происходит суммирование токов.




    1. Рисунок 2.10- Параллельно-последовательная обратная связь.




Рисунок 2.11 - Последовательно – последовательная обратная связь.
Отрицательная обратная связь повышает стабильность параметров усилителя, но при этом уменьшается коэффициент усиления согласно выражению Кос =К/(1+ ) (-коэффициент усиления ОС, а - коэффициент усиления без обратной связи).

Всякая последовательная обратная связь (по входу или по выходу) увеличивает соответствующее сопротивление в (1+) раз. Всякая параллельная обратная связь уменьшает соответствующее сопротивление в (1+) раз. Произведение  называется петлевым усилением.

2.2.2 Режимы работы усилительных каскадов. Различают несколько режимов работы усилительных каскадов: режим класса А; режим класса В; режим класса С и ключевой режим класса Д. Режимы перечисленных классов определяются выбором рабочей точки «по постоянному току».

В режиме класса А ток во входной и выходной цепи транзистора течет с достаточным запасом по величине на протяжении всего рабочего времени независимо от того, есть на входе полезный переменный сигнал, или его нет.

Более экономичным является режим класса В. Этот режим характерен для каскадов мощного усиления. В данном режиме рабочая точка покоя выбирается в начале рабочей области транзистора - за областью нелинейности. Транзистор в этом случае только «приоткрыт» и поэтому расход электроэнергии незначителен. Но тогда, если представить входной сигнал синусоидой, усиливаться будет только одна «полуволна» переменного сигнала, допустим положительная, так как вторая попадет в область отсечки, как это показано на рисунке 2.12.

Рисунок 2.12 – Работа усилительного каскада в режиме класса В
2.2.3 Практические рекомендации. Допустим, заданы технические условия и характеристики на проектирование маломощного низкочастотного усилителя, а именно:

Um вх, мВ – амплитудное значение сигнала источника;

Um вых , В – амплитудное значение напряжения на выходе усилителя;

Rн ,кОм – сопротивление в цепи нагрузки усилителя;

Fн Fв ,кГц – диапазон усиливаемых частот;

Мв = Мн = 1,18 – коэффициент частотных искажений;

toокр ,оС – рабочая температура усилителя;

Ек, В – напряжение источника постоянного напряжения в цепи коллектора.

Rи – внутреннее сопротивления источника сигнала (внутреннее сопротивление генератора).

Может быть и такой вариант, задан требуемый коэффициент усиления по напряжению при известных параметрах источника сигнала.

В начале проектирования можно предположить, что усилитель низких частот будет реализован по трёхкаскадной схеме. Для многокаскадного усилителя общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов

К = К1 К2……….Кn

Связь между каскадами будет осуществляться при помощи разделительных конденса­торов, чтобы предотвратить влияние по постоянному току одного каскада на другой.

Для первого каскада наиболее применимой на практике в усилителях низкой частоты малой мощности является схема с общим эмиттером, представленная на рисунке 2.13.


Iн


Рисунок 2.13 – Схема каскада усиления с общим эмиттером.
Расчет схем усилителей является итерационным процессом, т.е., после расчета всего тракта усиления и оценки, например, общего коэффициента усиления может появиться необходимость пересчета некоторых каскадов. Расчет может вестись с конечного каскада, когда задана мощность на выходе усилителя и параметры нагрузки, а можно начинать расчет с первого каскада, когда заданы параметры датчика (внутреннее сопротивление датчика (источника сигнала) – Rг, его выходной сигнал –Еи) и, при этом необходимо обеспечит заданный коэффициент усиления или амплитуду выходного напряжения и некоторые другие требуемые характеристики усиления.

Есть специальные схемные решения усилителей, когда требуется обеспечить усиление крайне малых амплитуд входного сигнала соизмеримого с уровнем шума усилителя, тогда используются «низкошумящие» биполярные транзисторы или полевые транзисторы.

Расчет первого каскада, который является предварительным, можно осуществит аналитически или графоаналитически, используя вольт- амперные характеристики транзистора. Для каскадов предварительного усиления рекомендуется аналитический расчет, а для мощного усилителя необходимо использовать графоаналитический метод. Но в данном случае будут в качестве примера использованы оба метода.

Расчет каскада усилителя выполняется, как правило, в три этапа: оценка предельных параметров работы каскада и выбор транзистора, расчет по постоянному току и расчет по переменному току.

2.2.4 Оценка предельных параметров и выбор транзистор. К предельным параметрам транзистора относятся: максимальное напряжение между коллектором и эмиттером транзистора, которое выбирается из соотношения Uкэмах = 1,2 Ч Ек. Так как, токи в коллекторной цепи усилителей малой мощности довольно низкие (рекомендуется выбирать ток коллектора в пределах от 1мА до 3 мА ), а выбор транзистора осуществлять по двум параметрам- напряжению Uкэмах и максимальной частоте Fм. При этом желательно выбрать транзистор типа n-p-n с большим статическим коэффициентом усиления по току h21э. В справочнике приводятся минимальное и максимальное значения этого коэффициента- выбирают минимальное значение.

2.2.5 Расчет по постоянному току. Режим по постоянному току транзистора определяет все технико-экономические параметры усилителя. В первую очередь выбирают рабочие точки по току и напряжению входной и выходной (коллекторной) цепи транзистора. Режим постоянного тока обеспечивается сопротивлениями: Rб1, Rб2, Rэ, Rк, которые необходимо найти. В некоторых случаях Rк может быть задан.

На рисунках 2.14 и 2.15, где представлены входная и выходная характеристики транзистора.

Рабочий режим по постоянному току определяется на входной и выходной характеристиках точкой П. Этой точке соответствует постоянный ток базы транзистора – Iбп и напряжение между базой и эмиттером – Uбэп. На рисунке показано, что рабочая точка выбрана таким образом, что при возможном максимальном уровне напряжения источника сигнала равном Uиmax, напряжение Uбэ = Uбэп – Uиmax > 0.7В, т.е. в любом случае будет использован сравнительно линейный участок входной характеристики. На семействе выходных характеристик (см.рис.2.15) рабочий ток покоя коллектора будет равен Iкп = h21эЧ Iбп, и может быть отмечен точкой на ординате коллекторного тока Iкп. Если из этой точки - Iкп провести горизонтальную прямую до пересечения с некоторой ветвью из семейства токов базы, то получим точку покоя П коллекторной цепи. Опуская перпендикуляр на горизонтальную ось напряжения Uкэ, получим точку покоя рабочего напряжения коллектора Uкэп.

При графоаналитическом расчете возникает необходимость в построении, так называемой, нагрузочной прямой, которая строится по двум точкам, одна из которых является точкой П, лежащей на ветви тока базы Iбп. Вторая точка откладывается на горизонтальной оси напряжения Uкэ и равна напряжению питания Ек. Проводя через точку Ек и точку П прямую до пересечения с ординатой Iк получим нагрузочную статическую прямую. Точка имеет смысл тока, который бы протекал в коллекторной цепи при короткозамкнутом транзисторе и равен Iк = Ек/(Rк + Rэ). Сопротивление Rэ предназначено для термокомпенсации рабочего режима каскада и выбирается в пределах (0.1.-0.2)Rк. Тогда, если выбрать Rэ = 0.2Rк, получим Rк=Ек/1.2Iк . Таким образом, сопротивления Rк и Rэ найдены.

Рисунок 2.14 – Входная характеристика транзистора в режиме работы усилительного каскада в классе А [Аринова]



Рисунок 2.15 – Графическая интерпретация выходных характеристик работы транзисторного усилительного каскада в режиме класса А
Для расчета сопротивлений Rб1 и Rб2 существуют рекомендации выбирать ток делителя в маломощных каскадах Iд в 8-10 раз больше тока базы, а в усилителях большой мощности в 2-3 раза больше. Тогда, зная ток базы Iбп и, используя второй закон Кирхгофа, можно записать следующее:

IдЧ Rб2 = Uбэ + RэЧ Iкп и отсюда Rб2 = (Uбэ + RэЧ Iкп)/ Iд

Значение Uбэ рекомендуется для кремниевых транзисторов выбирать равным 1.0 В. Тогда, Rб1 = (Ек – Iд Ч Rб2)/ Iд.

Следующим этапом является динамический расчет каскада, в результате которого требуется рассчитать коэффициент усиления по напряжению по формуле

,

где Umвых- амплитуда напряжения на нагрузке 1-го каскада;

Umвх- амплитуда входного сигнала 1-го каскада.

В коллекторной цепи транзистора, усиленный по току входной сигнал, обозначается на рисунке 2.15, как Ikm = Ikmax - Ikп и по напряжению Uкm = Umax – Uкп.

Первым шагом на этом этапе необходимо привести напряжение источника сигнала и внутреннее сопротивление «ко входу» первого каскада, т.е. найти эквивалентные напряжение и сопротивление действующие на базе первого транзистора. Для этого найдем величину эквивалентного сопротивления базовой цепи переменной составляющей входного тока Rб по формуле





Сопротивление эквивалентного генератора входного напряжения будет равно

Rэкв = (Rи · Rб)/ Rи + Rб)

Напряжение эквивалентного генератора на входе транзистора будет равно

Uэкв = (Ег· Rб)/( Rи + Rб )

Это напряжение меньше, чем напряжение источника сигнала и используя входную характеристику транзистора можно определить токи базы для минимального и максимального значений входного напряжения по формуле

Iбд1 = Uбп - Uэкв ,

Iбд2 = Uбп + Uэкв (5)

Следующим шагом необходимо найти выходные динамические параметры каскада, и в первую очередь общее сопротивление нагрузки, которое будет найдено из выражения



Так как сопротивление в коллекторной цепи изменилось по переменному сигналу, необходимо пересчитать и построить динамическую нагрузочную прямую, которая будет пролегать по двум точкам на выходной характеристике. Первая точка останется как и для статического режима- точка П. Вторая точка (фиктивная) должна лежать на ординате Iк и может быть вычислена по формуле

Iкд = Ек/Rґн

Реально нагрузочный динамический диапазон, как следует из рисунка 2.16, будет находиться в пределах двух ветвей базового тока Iбд1 и Iбд2. Диапазон изменения выходного напряжения также изменится и будет, в соответствии с динамической нагрузочной прямой, составлять Uкд1 и Uкд2. Тогда, фактический коэффициент усиления каскада можно определить из выражения

К = (Uкд1 + Uкд2)/(2·Ег)


Ек

Rк + Rэ




Рисунок 2.16 – Соотношения динамической и статической нагрузочных характеристик
Если значение коэффициента К меньше, чем требуется по условию, то необходимо усилительный тракт дополнить вторым каскадом усиления и продолжить расчет. При этом, необходимо будет пересчитать коэффициент усиления первого каскада К, так как нагрузкой для первого каскада теперь будет вход второго каскада, а нагрузкой второго сопротивление Rн. Алгоритм расчета второго каскада будет аналогичен расчету первого каскада.

2.2.6 Расчет разделительных конденсаторов Ср1, Ср2 и емкости шунтирующего конденсатора в цепи эмиттера Сэ .Емкости межкаскадных связей Ср1, Ср2 предназначены для гальванической развязки (исключение влияния между каскадами по постоянному току) между датчиком и первым каскадом и, дальше между каждым из каскадов по всему тракту усиления. Емкость Сэ предназначена для исключения обратной связи по переменному току в каскадах усиления. Расчет указанных емкостей осуществляется по следующим формулам:
(6)
(7)

(8)

2.2.7 Определение мощностных параметров усилителя. Если усилитель имеет несколько каскадов и функции предпоследнего и последнего каскадов состоят в усилении сигналов по мощности, то в конце расчета необходимо оценить мощностные показатели последних каскадов усилителя. Выходную мощность каскада рассчитывают по формуле

(9)

Полную мощность, расходуемую источником питания оценивают по формуле

(10)

Коэффициент полезного действия каскада определяют из выражения

(11)


ЛИТЕРАТУРА


1 Агаханян Т.М. Интегральные микросхемы: Учеб. пособие для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 464с., ил.

2 Аринова Н.В. Основы электроники: Рабочая программа, задания и ме­тодические указания к контрольным работам для студентов специальности 050716 «Приборостроение» заочной формы обучения. ВКГТУ. - Усть-Каменогорск, 2007. – 51с.

3 Бочаров Л.Н. и др. Расчет электронных устройств на транзисторах / Бочаров Л.Н., Жебряков С.К., Колесников И.Ф. – М.: Энергия, 1978. – 208с., ил. – (Массовая радиобиблиотека; Вып. 963).

4 Забродин Ю.С. Промышленная электроника: Учебник для вузов. – М.: Высш. Школа, 1982. – 496 с., ил.

5 Герасимов В.Г., Князев О.М. и др. Основы промышленной электроники. – М.: Высшая школа, 1986.

6 Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Микроэлектроника. Физические и технологические основа, надежность. – М.: Высшая школа, 1986. – 464 с.

7 Шадрин Г.К. Основы электроники: Курсовая работа, задания, методические указания для студентов специальности 050716 «Приборостроение» заочной формы обучения / Г.К. Шадрин, Н.В. Аринова / ВКГТУ.-Усть-Каменогорск, 2007. – 35 с.
8 Голомедов В.А. Полупроводниковые приборы: диоды выпрямители, стабилитроны, тиристоры. Справочник – М.: Связь, 1978.

9 Лавриненко В.Ю. Полупроводниковые приборы. Справочник. – Киев: Техника, 1984.

Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации