|
31
РЕФЕРАТ
з дисципліни: «Електроніка»
на тему:
«Підсилювачі на біполярних транзисторах»
Ростов-на-Дону, 2010 р
зміст
1. Види транзисторних підсилювачів
2. Основні завдання проектування транзисторних підсилювачів
3 Застосовувані при аналізі схем позначення і угоди
4. Статистичні характеристики
5. Статичні і диференціальні параметри транзисторів
6. Основні параметри підсилювачів
7. Зворотні зв'язку в підсилювачах
Список літератури
1. Види транзисторних підсилювачів
Підсилювач здійснює збільшення енергії керуючого сигналу за рахунок енергії допоміжного джерела. Вхідний сигнал є як би шаблоном, відповідно до якого регулюється надходження енергії від джерела до споживача посиленого сигналу.
Електронними називають підсилювачі електричних сигналів з регулюючими елементами на напівпровідникових або електровакуумних приладах.
Перш ніж описувати специфіку роботи конкретних каскадів на транзисторах, слід отримати чітке уявлення про те, яке основне призначення даних каскадів. Адже посилюватися можуть різні показники електричних сигналів і при різних обмеженнях і умовах. Та й саме поняття "посилення" іноді вимагає пояснень.
Загалом, можлива класифікація підсилювачів по дуже великій кількості ознак, що відносяться як до виду виконуваних ними функцій, так і до якості або способу виконання цих функцій. Надалі ми будемо дотримуватися наступного поділу підсилювачів на групи.
По виду сигналів, для посилення яких призначений підсилювач:
· Підсилювачі гармонійних сигналів (При побудові підсилювачів гармонійних сигналів найважливішим є забезпечення мінімального рівня внесених в сигнал спотворень);
· Підсилювачі імпульсних сигналів (Підсилювачі імпульсних сигналів зазвичай використовують різні ключові режими роботи транзисторів, тут найважливішим фактором є мінімізація затримок фронтів і спадів підсилюються сигналів, а також усунення паразитних викидів струмів і напруг, що неминуче виникають при проходженні таких сигналів через каскади посилення).
За здатністю посилювати постійні і змінні сигнали:
· Підсилювачі постійного струму (Підсилювачі, що мають здатність посилювати вельми повільні коливання, в тому числі і нульової частоти, навіть в тому випадку, якщо вони в першу чергу призначені для посилення потужності або напруги змінних сигналів);
· Підсилювачі змінного струму (Інші - що не володіють здатністю підсилювати сигнали нульової частоти - підсилювачі).
За діапазону частот, на які розрахований підсилювач:
· Підсилювачі низької частоти (УНЧ); призначені для посилення частот звукового діапазону (0,01 ... 20 кГц);
· Підсилювачі високої частоти (УВЧ); призначені для посилення сигналів радіохвиль;
За відповідності виду амплітудно-частотної характеристики смузі частот робочого сигналу:
· Вузькосмугові підсилювачі; на практиці прийнято називати підсилювач вузькосмуговим, якщо смуга частот, що пропускаються вже, ніж це мінімально необхідно для якісного відтворення спектра підсилюється сигналу (вузькосмугові УНЧ мають смугу пропускання менше 2,5 ... 3 кГц; вузькосмугові УВЧ, наприклад, для застосування в телебаченні, мають смугою пропускаються частот4,5 ... 5 МГц, що менша за мінімально необхідний для якісного відтворення телевізійного сигналу);
· Широкосмугові підсилювачі (Часто для зменшення нелінійних спотворень і підвищення стійкості підсилювача вигідно реалізовувати в ньому максимально широку смугу пропускання, набагато ширше, ніж це реально необхідно для всіх можливих частот робочого сигналу);
За формою амплітудно-частотної характеристики:
· Виборчі або резонансні підсилювачі (Мають частотну характеристику смугового фільтра або резонансного коливального контуру);
· Апериодические підсилювачі (Мають частотну характеристику, за формою нагадує характеристику LС-ланцюга, тобто плавно спадаючу в міру зростання частоти).
За підсилюється електричному показником (дана ознака класифікації має на увазі призначення підсилювача):
· Підсилювачі напруги (Визначальним властивістю підсилювача є посилення напруги);
· Підсилювачі струму (Визначальним властивістю підсилювача є посилення струму);
· Підсилювачі потужності (Під підсилювачем потужності зазвичай розуміється підсилювач або його крайова вихідна частина, розрахована на віддачу в ланцюг зовнішнього навантаження певної потужності при заданій величині вхідного сигналу).
2. Основні завдання проектування транзисторних підсилювачів
Будь-який електронний підсилювач вимагає наявності зовнішнього джерела живлення з певними характеристиками (обумовлені характеристиками самого підсилювача). У застосуванні до транзисторним підсилювальним каскадам це означає, що для всіх транзисторів каскаду повинен забезпечуватися відповідний режим по постійному струму (подані зовнішні напруги від джерел живлення) забезпечують усіх практично можливих струми). Завдання такого режиму, по суті, є завданням робочої точки транзисторного каскаду. Правильне завдання робочої точки пo постійному струму має велике значення, оскільки впливає на багато властивостей підсилювача (коефіцієнт посилення, рівень шумів, рівень лінійних і нелінійних спотворень і т.п.). Питанню вибору і стабілізації становища робочої точки транзисторного каскаду цілком присвячена глава 3. Але зі сказаного тут читач повинен зрозуміти, що існує два істотно розрізняються аспекти проектування транзисторних схем. Перший - це організація харчування і установка правильного режиму по постійному струму, а другий - забезпечення посилення проходить через підсилювач змінного сигналу. Звичайно, між цими двома завданнями існують певні перетину, і в цілому неможливо зосереджуватися на вирішенні однієї з них, абсолютно забувши про іншу, але вони все одно залишаються різними завданнями, які вимагають різних підходів до свого рішення.
Ясно, що при розрахунку ланцюгів по постійному струму необхідно оперувати абсолютними значеннями струмів і напруг, що діють в ланцюгах, і спиратися на відповідні моделі, що відображають роботу транзисторів і таких режимах. А ось для аналізу поведінки схем при подачі на них змінних сигналів вказаний метод виявляється незручним. Дійсно, навіщо проводити розрахунки при повних напружень і струмів в ланцюгах, та ще й змінюються в часі, якщо нас цікавить тільки поведінку невеликої змінної складової, що відображає рівень корисного сигналу.
Для вирішення зазначеного завдання проводиться так званий малосигнальний аналіз ланцюгів. При цьому використовують малосигнальний еквівалентні схеми і групи малосігнал'них параметрів. Основним допущенням, використовуваним в такій моделі, є вимога про відносно невеликій величині змінної складової посравнению з діючими в ланцюгах постійними струмами і напругами. Якщо ця вимога порушується, то більшість результатів, отриманих за допомогою мало сигнального, аналіз не відповідають дійсним процесам в ланцюгах - потрібно провести розрахунок повних струмів і напруг.
3. Застосовувані при аналізі схем позначення і угоди
Перш за все зробимо ряд пояснень, що стосуються таких фундаментальних понять, як струм і напруга. Ми не будемо тут докладно описувати фізичний зміст даних величин, оскільки припускаємо, що хоча б з етіv читач вже знайомий. Нагадаємо лише стандартні правила мають відношення до подання струмів і напруг в різних формулах, а також до їх зображенню на принципових схемах. У міжнародній системі одиниць напруга висловлюють в вольтах (В), а струм в амперах (А).
Як відомо, електричний струм - це впорядкований рух носіїв заряду. У будь-який електричного кола впорядкований рух зарядів відбувається в одному з двох можливих напрямків. Тому і електричний струм прийнято розглядати як скалярну величину, що має одне з можливих напрямків. За напрямок струму, незалежно від природи носіїв електричного заряду і їх типу приймають напрямок, в якому переміщаються (або чи міг би переміщатися) носії позитивного заряду. Таким чином, напрямок електричного струму в найбільш поширених провідникових матеріалах - металах - протилежно фактичного напрямку переміщення носіїв заряду - електронів. Про направлення струму судять по його знаку, який залежить від того, збігається чи ні напрямок струму з напрямком, умовно прийнятим за позитивне. Якщо в результаті розрахунків, виконаних урахуванням обраного напрямку, струм вийде зі знаком плюс, то його напрямок, тобто напрямок переміщення позитивних зарядів, збігається з напрямком, обраний за позитивне. Якщо струм буде мати знак мінус, то його напрям протилежний умовно-позитивному). Саме умовно-позитивний напрямок струму при розрахунках електричних ланцюгів може вибиратися вчинення довільно (зазвичай користуються міркуваннями зручності розрахунків).
Напруга також є скалярную величину, якої завжди приписують певний напрям. Зазвичай під напрямком напруги розуміють напрямок, в якому під дією електричного поля переміщуються (або могли б переміщатися) вільні носії позитивного заряду. Очевидно, що на ділянках ланцюга, в яких не містяться джерела енергії, і переміщення носіїв заряду здійснюється за рахунок енергії електричного поля, напрямки напруги і струму збігаються.
При розрахунках електричних ланцюгів напрямок напряженіясравнівается з напрямком, умовно обраним за позитивне. Якщо в результаті розрахунків напруга на даній ділянці ланцюга вийде зі знаком плюс, то Напрямок напруги збігається з напрямком, умовно прийнятим за позитивне; якщо напруга вийде зі знаком мінус, то його напрям протилежний умовно-позитивного.
На принципових схемах напрямки струмів і напруг, що приймаються за умовно-позитивні, можуть показуватися стрілками.
Для обзначение струмів і напруг в формулах загальноприйнятим є використання латинських букв I (для струмів) і U (для напруг).
При аналізі ланцюгів, що знаходяться під гармонійними впливами, широке поширення отримав символічний метод комплексних амплітуд (комплексний метод, або, іноді просто - символічний метод). Він заснований на поданні гармонійних функцій за допомогою комплексних чисел або, точніше, на перетворенні вихідних гармонійних функцій з тимчасової області (області речового змінного t) в частотну область (область уявного аргументу jw) .. Виглядає це так.
Кожній гармонійної функції часу a (t) = А т cos (t + ш) можна поставити у відповідність копмплекснозначную залежність
= А т [cos (t + ш) + j sin (t + ш)] =.
Причому модуль комплексної величини a (t) дорівнює амплітуді гармонійної функції = А т, а аргумент - її фазі = t + ш. Сама вихідна дійсна гармонійна функція дорівнює дійсної частини введеної таким чином комплексно значною функції:
Величина називається комплексною амплітудою гармонійної функції часу
a (t) = А т cos (t + ш).
Відомо, що в сталому режимі роботи струми і напруження всіх гілок лінійного електричного кола, що знаходиться під гармонійним впливом, є функціями часу однієї частоти, тобто струми і напруги окремих гілок в цьому випадку відрізняються тільки амплітудами і початковими фазами, тому повна інформація про них при відомій частоті міститься у відповідних комплексних амплітудах. Знаючи амплітуди і початкові фази струмів або напруг будь-якої гілки, завжди можна однозначно знайти їх комплексні амплітуди. І назад, за відомою комплексної амплітуді можна однозначно встановити амплітуду і початкову фазу вихідного гармонійного коливання.
Таким чином, кожної гармонійної функції часу a (t) можна єдиним чином поставити у відповідність комплексне число (комплексну амплітуду), яке можна розглядати як зображення цієї гармонійної функції на комплексній площині. Причому виявляється, що лінійних операцій над гармонійними функціями часу відповідають лінійні операції над їх комплексними амплітудами (операції диференціювання і інтегрування замінюються при цьому операціями множення і ділення). Це дозволяє істотно спростити аналіз лінійних ланцюгів, що знаходяться під гармонійним впливом, замінивши систему інтегродиференціальних рівнянь, яка складається для миттєвих значень струмів і напруг в гілках ланцюга, системою алгебраїчних рівнянь для комплексних амплітуд відповідних струмів і напруг. Відзначимо також, що при розгляді чисто активних безінерційних лінійних ланцюгів (тобто ланцюгів без фазових розбіжностей між сигналами в різних точках) все комплексні амплітуди стають действітельнозначнимі і аналіз зводиться до оперування з простими дійсними амплітудами гармонійних функцій часу.
Поряд з комплексними амплітудами як зображень гармонійних функцій на комплексній площині широко використовуються інші комплексні величини - комплексні діючі значення:
Всі правила, що встановлюють відповідність між операціями над гармонійними функціями часу і операціями над їх комплексними амплітудами, справедливі і для операцій над комплексними діючими значеннями гармонійних функцій.
У більшості реальних зусиллі тільних схем на транзісторах.допущеніе про гармонійний характер вхідних впливів виявляється цілком працездатним. Якщо далі припустити, що ланцюг лінійна (це виконується, якщо амплітуда вхідних впливів невелика, а транзистор підсилювача знаходиться в режимі лінійного посилення), то стає цілком можливим застосувати метод комплексних амплітуд для мало сигнального аналізу транзисторних підсилювальних схем. Більш того, ми можемо навіть позбутися комнлекснозначності амплітуд, якщо додамо вимога про відсутність фазових зрушень між сигналами, що близько до істини при розгляді досить низьких частот.
Аналізуючи схеми методом комплексних амплітуд, ми будемо говорити про комплексні токах і напружених () строго кажучи, так зазвичай називають комплексні діючі значення гармонійних струмів і напруг, але для зручності ми часто будемо мати на увазі саме комплексні амплітудні значення (перехід від амплітудних до діючих значень, як було показано раніше, взагалі не впливає на розрахункові формули).
У схемах при встановленні напрямків змінних струмів і напруг, заданих комплексними значеннями, діють всі ті ж правила, що були описані для постійних струмів і напруг (тобто знак "плюс" означає збіг з напрямком, умовно прийнятим за позитивне, а знак " мінус "- розбіжність). Для умовно-позитивних напрямків, коли це можливо, вибираються напрямки, що збігаються з напрямками реальних струмів і напруг, що діють в аналізованих ланцюгах.
У різній літературі можуть використовуватися різні способи позначення амплітуд, діючих значень і інших параметрів сигналів і схем; ми будемо дотримуватися такої системи.
Залежать від часу (як правило, гармонійні) змінні електричні показники (наприклад, струми і напруги) в ланцюгах будемо позначати малими латинськими буквами: i (t), u (t) і т.д. При цьому, якщо немає необхідності робити особливий акцент на тимчасовій залежності миттєвих значень цих показників, якщо характер даних залежностей не визначений, не має значення для розглянутого питання або якщо в залежностях присутні не тільки гармонійна, але і постійна складова (показники взагалі можуть бути константами) , то будемо використовувати традиційні позначення великими латинськими буквами: I, U і т.д.
Як правило, нам доведеться окремо розглядати змінні і постійні складові струмів і напруг, в ланцюгах. При цьому для позначення постійних складових ми будемо користуватися додатковим індексом "0", а для позначення змінних складових - додатковим індексом "-". Тобто для повних струмів і напруг в ланцюгах діють формули: U = U про +, I = I про +. Зауважимо, що в більшості випадків аналіз по змінним складовим проводиться методом комплексних амплітуд. Так що замість залежать від часу змінних складових в які ми отримували формули можна підставляти комплексні або за певних умов навіть дійсні амплітуди цих складових. Позначення з індексом "-" застосовується саме там, де існує можливість варіації підставляється в формули значень в залежності від деяких умов розрахунків (наприклад, проводимо ми розрахунки для низьких або для високих частот, а також використовуємо ми дійсні, комплексно значною або певні в тимчасовій області параметри елементів).
Аналізуючи електричні ланцюги методом комплексних амплітуд, ми приходимо до комплексних значень деяких реальних параметрів цих схем (комплексні опору, провідності, коефіцієнти посилення і т.п.). Всі такі величини зазвичай не прийнято позначати так, як ми це робимо для комплексних амплітуд і діючих значень, - точкою вгорі. Для кожного випадку, як правило, є своє усталене позначення. Об'єднує їх використання прописних латинських букв (G, Y, Н і т.д.). Відповідні ж малі латинські букви (g, у, h і т.д.) застосовуються для позначення дійсної складової таких параметрів (зазвичай комплексно значною параметри стають дійсними при дотриманні певних умов, застосування в формулах малих латинських букв означає, що дані умови передбачаються виконаними).
Зауважимо також, що іноді параметри елементів схем можуть залежати від того, розглядаємо ми поведінку даного елемента під дією постійних струмів і напруг або робимо те ж саме для їх змінних складових. У загальному випадку немає якоїсь універсальної методики розрізнення таких параметрів - слід уважно читати текстові коментарі і розуміти суть фізичних процесів в ланцюгах. Однак часто мова йде про так званих статичних і диференціальних параметрах. Ми будемо дотримуватися системи, коли буквений індекс, який супроводжує статичні параметри, пишеться з великої літери (і т.п.), а буквений індекс, який супроводжує диференціальні параметри, - з малої літери і т.п.). У випадках, коли різниця між статичними і диференціальними параметрами відсутня, частіше застосовується написання з великими літерами. Якщо у параметра немає літерного індексу або для нього з яких-небудь причин незручно міняти розмір використовуваних букв в індексі, то можливий перехід до малої букви в позначенні самого диференціального параметра (і т.п.).
4. Статистичні характеристики
При аналізі підсилюючих схем на транзисторах широко використовуються т.зв. статичні характеристики: Статичними характеристиками транзисторів називають графіки, які виражають функціональну зв'язок між постійними струмами і напругами на електродах транзистора.
Залежно від того, які струми і напруги приймаються за незалежні змінні, можливі різні "системи функціонального зв'язку і відповідні їм сімейства статичних характеристик. У загальному випадку зв'язок між струмами і напругами на трьох електродах транзистора можна висловити шістьма різними системами (по чотири сімейства характеристик в кожній системі).
Ми не будемо тут розглядати всі ці випадки, а звернемося відразу до системи, що отримала найбільше поширення. Це т.зв. система статичних параметрів (або гібридна система), яка відповідає найбільш поширеною групі малосигнальних параметрів і має ряд переваг перед іншими системами.
У даній системі в якості незалежних змінних прийняті вхідний струм і вихідна напруга:
У статичному режимі ці залежності виражаються чотирма родинами характеристик:
вхідними
вихідними
зворотнього зв'язку
прямої передачі
Зауважимо, що для різних схем включення транзистора в якості вхідних і вихідних виступають струми і напруги на його різних електродах. Тому вид статичних характеристик залежить від схеми включення транзистора.
Для однозначного встановлення залежності між струмами і напругами транзистора досить мати два сімейства характеристик з чотирьох названих. Інші два можуть бути знайдені за допомогою перебудувань. На практиці найбільшого поширення набули вхідні і вихідні характеристики. Характеристики прямої передачі і зворотного зв'язку зазвичай виступають в ролі другорядних.
Статичні характеристики мають велике значення при аналізі роботи найрізноманітніших підсилюючих схем. За статичними характеристиками вибираєте оптимальне положення робочої точки транзистора по постійному струму, обчислюються допустимі амплітуди коливань змінної напруги і струму на вході підсилювача, аналізується лінійність посилення і багато інших показників схеми. У вихідні характеристикам можна визначити, чи правильно узгоджений підсилювальний каскад з навантаженням, і передбачити поведінку цього каскаду при змінах характеру навантаження.
У реальних схемах транзисторних підсилювачів в якості вхідних струмів і напруг виступають напруги і струми на конкретних електродах. Наприклад, для схеми з ОЕ вхідною напругою буде напруга на ділянці емітер - база (), а вихідним струмом - струм колектора (I К). Часто статичні характеристики транзисторних схем називають по імені електрода, струм якого ці характеристики відображають. Так, у наведеному вище випадку ми будемо говорити про вихідних колекторних характеристиках.
5. Статичні і диференціальні параметри транзисторів
Вище ми вже згадували про наявність у транзисторів гак званих малосигнальних параметрів. Тепер поговоримо про це докладніше. Такі параметри характеризують роботу транзистора в режимі посилення малих змінних струмів і напруг. Багато з них мають чітку фізичну інтерпретацію і безпосередньо присутні в фізичних еквівалентних схемах. Деякі ж допускають тільки чисто математичне тлумачення. Сенс більшості з цих параметрів зберігається і при переході до аналізу великих сигналів, але їх значення змінюються і стають залежними від множини не проявлялися при малих сигналах факторів.
Оскільки малосигнальний параметри - це параметри, що відображають роботу транзистора для змінних складових струмів і напруг, то в більшості випадків вони є диференціальними еквівалентами деяких інтегральних (статичних) величин, що характеризують роботу на постійному струмі.Звідси виникає другий, що вживається іноді навіть частіше, назва малосигнальних параметрів - диференціальні параметри. Між двома цими термінами не існує однозначної еквівалентності, але майже завжди мова йде про одне й те ж.
Як приклад можемо розглянути такий важливий параметр біполярного транзистора, як коефіцієнт передачі струму бази в схемі з ОЕ (). У цього параметра є ще одне часто зустрічається позначення, що йде від його ролі в системі так званих h-параметрів прохідного лінійного чотириполюсника - або
Інтегральний (статичний) коефіцієнт передачі знаходиться як відношення струмів (рис. 1):
Рис.1. До обчислення інтегрального і диференціального коефіцієнта передачі струму бази
Якщо розглянути характеристику передачі транзистора, включеного за схемою з ОЕ (рис. 2.1), то можна бачити, що в точці А, що відповідає напруженням і струмів ,,, статичний коефіцієнт передачі дорівнює:
Припустимо тепер, що на вхід транзистора поданий малий по амплітуді змінний сигнал. У цьому випадку значення струмів бази і колектора починають коливатися в межах (рис. 1): і. Причому і, переходячи до диференціалом:
- диференційний коефіцієнт передачі струму бази в схемі з ОЕ в точці А передавальної характеристики (рис. 1);
- кут, утворений дотичною до лінії передавальної характеристики в точці А і віссю абсцис (tg =).
З рис.1. видно, що диференційний коефіцієнт передачі дещо відрізняється від інтегрального (статичного). Але на характеристиці передачі можна виділити ділянку (В, С), де їх значення близькі. Тобто, якщо ми розглядаємо роботу транзистора при деяких обмеженнях на напруги і струми в ньому (коректно задана робоча точка по постійному струму і мала амплітуда змінних сигналів), то ми можемо не розрізняти його статичні та диференціальні коефіцієнти передачі. Зауважимо також, що в загальному випадку ці коефіцієнти залежать від частоти змінного сигналу, його форми і амплітуди, температури навколишнього середовища і деяких інших чинників. Так що будь-які обчислення з ними є досить приблизними і відображають реальні процеси в транзисторах лише в загальних рисах. Те ж саме можна сказати і про всі інші малосигнальних (диференціальних) і статичних параметрах транзисторів.
Залежно від конкретної ситуації (аналізованої схеми, цілей аналізу, обмежень на сигнали в ланцюгах, необхідної точності і т.п.) на практиці можуть використовуватися різні групи параметрів, що характеризують транзистор в певному режимі роботи при певних умовах. Як правило, для кожного такого випадку будується відповідна еквівалентна схема, значення елементів якої і складають зазначену групу параметрів (одна і та ж еквівалентна схема може використовуватися і з різними групами параметрів, наприклад, при переході від малосигнальних аналізу до аналізу роботи на постійному струмі все диференціальні параметри замінюються на відповідні їм інтегральні еквіваленти, і навпаки).
Найбільш вживані наступні групи параметрів транзисторів: Y-параметри, Z-параметри, H-параметри, S-параметри, фізичні параметри (часто їх розрізняють і для різних схем включення транзистора, тобто існує група параметрів для схеми з ПРО і група параметрів для схеми з ОЕ і т.п.). Між зазначеними групами параметрів існує досить багато перетинів (один з таких прикладів нами розглянуто вище) і взаємозв'язків (коли параметри однієї групи можуть бути однозначно виражені через параметри іншої групи).
Тут знову слід зробити зауваження, що докладний розгляд параметрів, характеристик і фізичних моделей транзисторів не входить у завдання цієї книги. Нижче ви знайдете тільки короткий (довідковий) опис цих питань. Для їх більш глибокого вивчення і розуміння слід звертатися до іншої спеціалізованої літератури (див. Список літератури в кінці книги).
6. Основні параметри підсилювачів
До сих пір ми розглядали параметри і характеристики, що описують різноманітні властивості транзисторів як основних підсилюючих елементів в складі електронних підсилювачів. Однак існують показники, за якими оцінюється робота всього такого підсилювача (або функціонально закінчених окремих його каскадів) в цілому. Дані параметри залежать не тільки від властивостей застосовуваних в підсилювачі транзисторів, але і від якості самої принципової схеми і точності її налаштування.
До числа основних електричних показників, що характеризують роботу підсилювача, відносяться наступні:
- коефіцієнт передачі або коефіцієнт підсилення;
- динамічна і амплітудна характеристики;
- динамічний діапазон;
- гранична чутливість;
- амплітудно-частотна характеристика;
- фазочастотная характеристика;
- амплітудно-фазова характеристика;
- лінійні спотворення: оцінюються відповідними коефіцієнтами лінійних (частотних і фазових) спотворень; нелінійні спотворення: оцінюються різноманітними коефіцієнтами (коефіцієнт нелінійних спотворень коефіцієнт інтермодуляцйі і т.п.).
коефіцієнт передачі
Коефіцієнт передачі - це функція, яка визначається як відношення вихідного сигналу підсилювача до його вхідного сигналу. Залежно від форми математичного уявлення самих сигналів розрізняються і форми подання коефіцієнта передачі (найбільш поширені операційні форми по Фур'є або Лапласа, а відповідні коефіцієнти передачі іноді називають операційними коефіцієнтами передачі). При розгляді високолінійних схем, які не вносять в підсилюваний сигнал амплітудних спотворень і фазових зрушень, замість комплексної функції операційного коефіцієнта передачі оперують більш зрозумілими, мають досить просту інтерпретацію коефіцієнтами посилення. розрізняють:
коефіцієнт посилення по напрузі
-- де і
амплітудні або діючі значення вихідного і вхідного сигналів;
коефіцієнт посилення по току
--де і
амплітудні або діючі значення вихідного і вхідного струмів.
коефіцієнт посилення за проектною потужністю
Досить часто коефіцієнти посилення висловлюють в логарифмічних одиницях - децибелах, [дБ]:
Логарифмічні одиниці зручні тим, що якщо відомі коефіцієнти посилення окремих каскадів або вузлів підсилювача, то його загальний логарифмический коефіцієнт посилення знаходиться як алгебраїчна сума логарифмічних коефіцієнтів посилення окремих каскадів:
= До 1 До 2 До 3...;
Більш того, логарифмічні одиниці виявилися настільки зручні при проектуванні схем, що з'явився навіть ряд похідних від них величин. Наприклад, потужність сигналу в схемі часто оцінюється по відношенню до рівня потужності в 1 мВт. При цьому зі знаком "+" або "-" пишеться різницю в децибелах поточного рівня потужності від рівня 1 мВт, який приймається за точку відліку. Такі одиниці прийнято позначати дБм (децибел милливатт), тобто, наприклад, сигнал потужністю 1 мВт в таких одиницях дорівнює 0 дБм, сигнал 10 мВт - +10 дБм, 0,01 мВ т - -20 дБм і т. п. Точно так само можна висловлювати і напруга сигналу, при цьому тільки необхідно зафіксувати опір навантаження, на якому забезпечується дане напруга. У високочастотної техніки використовуються одиниці дБмкВ (децибел мікровольт). Тут за нульову приймається точка в 1 мкВ, а опір навантаження завжди вважається рівним 50 Ом.
Динамічна і амплітудна характеристики
Динамічна характеристика являє собою залежність миттєвого значення вихідної напруги від миттєвого значення вхідної напруги U BX (t) при гармонійному вхідному впливі. Залежність амплітудного значення першої гармоніки вихідного напруги від амплітуди синусоїдального вхідного напруги
називається амплітудною характеристикою. Точка закінчення лінійного ділянки динамічної характеристики носить назву точки компресії.
динамічний діапазон
Ставлення (в децибелах) найбільшого допустимого значення амплітуди вхідної напруги до її найменшому допустимого значення називається динамічним діапазоном амплітуд (або просто динамічним діапазоном). Максимально допустима амплітуда вхідної напруги підсилювача обмежена спотвореннями сигналу, викликаними виходом робочих точок каскадів за межі лінійної ділянки характеристики управління (точка компресії). У той же час мінімальна амплітуда зазвичай обмежена за величиною (знизу) рівнем власних шумів підсилювача, на тлі яких корисний сигнал не вдається виділити з належною якістю.
Амплітудно-частотна характеристика
Амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) - залежність модуля коефіцієнта передачі від частоти вхідного сигналу.
фазочастотная характеристика
Фазочастотная характеристика (ФЧХ) - залежність зсуву фази між вхідним і вихідним напругою від частоти або фаза коефіцієнта передачі.
Робочий діапазон частот
Робочий діапазон частот (діапазон частот, що пропускаються або смуга пропускання) являє собою деякий інтервал значень частоти від f H до f B, всередині якого коефіцієнт посилення змінюється за певним законом з певним ступенем точності. Наприклад, високоякісний підсилювач низької частоти повинен характеризуватися законом К = const в діапазоні частот сигналу від f min = 10 Гц до f max = 20 кГц. Якщо до підсилювача не пред'являються будь-які спеціальні вимоги, то робочий діапазон частот визначають на рівні 3 дБ, тобто межами смуги пропускання є частоти, на яких коефіцієнт посилення зменшується не більше ніж в рази.
Амплітудно-фазова характеристика
Амплітудно-фазова характеристика (АФХ) - залежність коефіцієнта посилення і фазового зсуву підсилювача від частоти, побудована в полярній системі координат. Вона об'єднує в собі амплітудно-частотну і фазочастотную характеристики підсилювача і являє собою годограф комплексного коефіцієнта передачі.
Поняття про АЧХ, ФЧХ і АФХ стають певними лише по відношенню до лінійних підсилювачів.
перехідна характеристика
Перехідна характеристика - залежність від часу вихідної напруги підсилювача, на вхід якого поданий миттєвий стрибок напруги. Ця характеристика дає можливість визначити перехідні спотворення, які в області малих часів характеризуються фронтом вихідного напруги і оцінюються часом встановлення і викидом фронту. В області великих часів спотворюється вершина імпульсу. Ці спотворення оцінюють відносним (у%) значенням спаду плоскої вершини до моменту закінчення імпульсу.
лінійні спотворення
Відхилення частотних характерастік від ідеальних в робочому діапазоні частот називаються частотними спотвореннями. Мірою частотних спотворень є нормоване (відносне) посилення на кордонах робочого діапазону частот, яке визначається як відношення коефіцієнта посилення на кордоні робочого діапазону (К Н, К В) до коефіцієнта посилення на середньої робочої частоті (К 0):
;
;
Часто використовують величину, зворотну нормированному посилення.Вона носить назву коефіцієнта частотних спотворень.
M H = 1 / G H; M B = 1 / G B.
Внаслідок відхилення реальної фазочастотной характеристики підсилювача від ідеальної в ньому мають місце фазові спотворення. Вони викликані неоднаковим зрушенням по фазі окремих гармонійних складових спектру сигналу складної форми, що обумовлено наявністю в ланцюгах підсилювача реактивних компонентів і інерційними властивостями напівпровідникових приладів. В результаті такого неоднакового зсуву по фазі окремих гармонік форма сигналу на виході підсилювача може стати істотно відмінною від форми вхідного сигналу. Якщо внесений підсилювачем фазовий зсув на частоті п-й гармоніки пропорційний частоті, то сигнал на виході підсилювача виявиться зміщеним в часі на величину. Її називають часом затримки або часом фазового пробігу. Таким чином, якщо - внесений підсилювачем фазовий зсув на частоті п-й гармоніки - пропорційний частоті (), то взаємне розташування гармонік, а отже, і форма сигналу не піддається зміні.
На практиці можна лише з тією або іншою точністю наблизитися до ідеальних частотної та фазової характеристик в смузі пропускання f = f B --f H, в межах якої знаходиться спектр підсилюється сигналу.
нелінійні спотворення
Спотворення, що виникають в підсилювачах внаслідок нелінійності передавальних характеристик електронних приладів і характеристик намагнічування сердечників трансформаторів, називаються нелінійними спотвореннями. При наявності нелінійних спотворень в підсилювачі (в реальних підсилювачах вони є завжди) на його виході виникають нові частоти (гармоніки), відсутні у вхідному сигналі.
Загальний рівень нелінійних спотворень кількісно оцінюється коефіцієнтом нелінійних спотворень (коефіцієнтом гармонік):
,
де, - амплітуди 1-й, 2-й, 3-й і т.д. гармонік вихідного сигналу.
Практично мають значення тільки друга і третя гармоніки. Зазвичай коефіцієнт нелінійних спотворень виражається у відсотках. Наприклад, для підсилювачів низької частоти найпростішої побутової радіоапаратури максимальним прийнятним рівнем можна вважати 15 ... 20%, а для високоякісних підсилювачів сучасної стереоаппаратурой коефіцієнт нелінійних спотворень становить десяті або навіть соті частки відсотка.
Ще один вид нелінійних спотворень обумовлений появою в вихідному сигналі т.зв. комбінаційних частот, тобто частот, які утворюються як сума або різниця між будь-якими (в т.ч. і першими) гармоніками різних сигналів, присутніх на вході підсилювача. Такі спотворення прийнято називати інтермодуляційними спотвореннями. На практиці мають значення інтермодуляційні спотворення другого і третього порядків (якщо і f 2 - частоти, присутні на вході, то інтермодуляційні спотворення другого порядку обумовлені наявністю на виході підсилювача сигналів з частотами f 1 ± f 2, а інтермодуляційні спотворення третього порядку - з частотами 2 ± f 2 і 2f 2 ±). Коефіцієнтом інтермодуляції називається відношення потужності інтермодуляционних складових на виході підсилювача до мінімально можливої вихідної потужності корисного сигналу, що перевищує рівень власних шумів підсилювача.
Абсолютний рівень інтермодуляционних спотворень прийнято оцінювати по положенню т.зв. інтермодуляционних точок. Якщо лінійний ділянку динамічної характеристики умовно продовжити в області високої вхідної потужності (коли ця характеристика насправді вже не лінійна) і одночасно накласти на цей графік лінію, яка відображатиме сумарну потужність інтермодуляционних складових другого (третього) порядку, то точка перетину цієї лінії з продовженим графіком називається, відповідно, точкою інтермодуляції другого (третього) порядку.
У реальних схемах інтермодуляційні спотворення другого порядку часто ростуть повільніше інтермодуляционних спотворень третього прядка. Так що інтермодуляционную точка третього порядку лежить нижче (відповідає меншому рівню вхідної потужності) інтермодуляционную точки другого порядку і має більше значення.
Крім інтермодуляционних точок часто говорять про відповідні їм динамічних діапазонах по інтермодуляції. Вище ми вже дали визначення амплітудного динамічного діапазону як відношення амплітуд сигналу в точці компресії і в точці його можливого мінімуму (визначається власними шумами). Аналогічно вводиться і поняття динамічного діапазону по інтермодуляції, тобто діапазону рівнів потужності вхідного сигналу, в якому забезпечується його "безинтермодуляціонная" обробка. Знизу такий діапазон також обмежений рівнем власних шумів підсилювача. А ось його верхня межа визначається як точка, в якій рівень відповідних інтермодуляционних перешкод стає вище рівня власних шумів, тобто ці перешкоди починають надавати на вихідний сигнал вплив більше, ніж власні шуми.
коефіцієнт шуму
Коефіцієнт шуму характеризує рівень шумів (спотворень випадкового характеру, обумовлених різними механічними, тепловими, молекулярними, електронними тощо процесами в радіокомпонентів і сполучних провідниках), привнесених в сигнал при його проходженні через підсилювач. В реальних умовах сигнал вже містить шуми, коли надходить на вхід підсилювача. Тому коефіцієнт шуму визначається наступним чином:
- потужність шумів на вході підсилювача;
- потужність шумів на виході підсилювача;
- потужність корисного сигналу на вході підсилювача;
- потужність корисного сигналу на виході підсилювача;
- власна потужність шумів (потужність додаються в сигнал шумів).
Коефіцієнт корисної дії
Коефіцієнт корисної дії (ККД) відображає ефективність підсилювача. Він дорівнює відношенню корисної вихідної потужності (потужності корисного сигналу) до потужності, що витрачається джерелом живлення на функціонування підсилювача:
Вихідна потужність
Номінальна вихідна потужність - потужність корисного сигналу на виході підсилювача при роботі на розрахункове навантаження і заданому коефіцієнті гармонік або нелінійних спотворень, т.е.максімальная потужність, при якій не перевищується заданий рівень спотворень.
Вхідні і вихідні параметри підсилювача
Крім параметрів, що описують роботу підсилювача в цілому, не менш важливими є характеристики його вхідний і вихідний ланцюгів. До них відносять в першу чергу вхідний і вихідний опору підсилювача:
де
- номінальні амплітудні значення напруги і струму першої гармоніки на виході підсилювача.
У високочастотних підсилювачах значними стають реактивні складові, тому тут повинні розглядатися комплексні амплітуди:
Комплексні величини, називають, відповідно, вхідним і вихідним опором підсилювача. У діапазоні СВЧ, де аналіз ланцюгів виробляється в термінах їх хвильових властивостей, для оцінки параметрів вхідних і вихідних ланцюгів підсилювача можуть застосовуватися відповідні коефіцієнти відображення по входу / виходу
7. Зворотні зв'язку в підсилювачах
Однією з особливостей електронних підсилювачів є те, що вони мають переважно односпрямованої передачею сигналів, тобто такий, при якій проходження сигналу зі входу на вихід істотно краще, ніж зворотне проходження з виходу на вхід. Однак іноді таке проходження (з виходу на вхід) може виявитися корисним (в якійсь мірі це завжди і неминуче через наявність внутрішніх паразитних зв'язків в транзисторах підсилювального каскаду). У цьому випадку говорять про введення в підсилювальний каскад ланцюгів зворотного зв'язку (ОС).
Ланцюги ОС дозволяють істотно впливати на багато параметрів каскадів. В першу чергу до них відносяться: коефіцієнт посилення, амплітудно-частотна характеристика, вхідний опір і т.п. Розрізняють позитивну (ПОС) і негативну (ООС) зворотні зв'язки. Виникаючі крім бажання розробника зворотні зв'язки прийнято називати паразитними.
Для реалізації зворотних зв'язків можуть використовуватися найрізноманітніші схемотехнічні рішення. У загальному випадку в транзисторних підсилювальних каскадах має сенс розрізняти зворотний зв'язок по току і зворотний зв'язок по напрузі.
Взагалі, вивчення видів, способів реалізації та характеру впливу різних ОС на підсилювальні каскади не відноситься до задачі цієї книги. Для докладного вивчення теорії зворотного зв'язку слід звернутися до спеціальної літератури (див. Список літератури в кінці книги). Однак в подальшому при описі конкретних схем будуть приводитися і варіанти включення в них різних ланцюгів ОС, що роблять позитивний вплив на характеристики і параметри.
Список літератури
1) Манаєв Є.І. Основи радіоелектроніки. - М .: Радио и связь, 2005
2) Буличов А.Л. та ін. Електронні прилади: Підручник. - М .: Лайт Лтд., 2008
3) Опадчій Ю.Ф. та ін. Аналогова і цифрова електроніка: Підручник для вузів. - М .: Гаряча Лінія - Телеком 2009
4) Прянишников В.А. Електроніка: Курс лекцій. - СПб .: Корона-принт, 2008
5) Степаненко І.П. Основи теорії транзисторів і транзисторних схем .-- М .: 2007
6) Хоровіц П., Хілл У. Мистецтво схемотехніки. - М .: Мир, 2003.
|