Усилители на биполярных транзисторах

РЕФЕРАТ

по дисциплине: «Электроника»

на тему:

«Усилители на биполярных транзисторах»

Ростов-на-Дону, 2010 г.

Содержание

1. Виды транзисторных усилителей

2. Основные задачи проектирования транзисторных усилителей

3 Применяемые при анализе схем обозначения и соглашения

4. Статистические характеристики

5. Статические и дифференциальные параметры транзисторов

6. Основные параметры усилителей

7. Обратные связи в усилителях

Список литературы

1. Виды транзисторных усилителей

Усилитель осуществляет увеличение энергии управляющего сигнала за счет энергии вспомогательного источника. Входной сигнал является как бы шаблоном, в соответствии с которым регулируется поступление энергии от источника к потребителю усиленного сигнала.

Электронными называют усилители электрических сигналов с регулирующими элементами на полупроводниковых или электровакуумных приборах.

Прежде чем описывать специфику работы конкретных усилительных каскадов на транзисторах, следует получить четкое представление о том, каково основное предназначение данных каскадов. Ведь усиливаться могут различные показатели электрических сигналов и при различных ограничениях и условиях. Да и само понятие "усиление" иногда требует пояснения.

В общем, возможна классификация усилителей по очень большому количеству признаков, относящихся как к виду выполняемых ими функций, так и к качеству или способу выполнения этих функций. В дальнейшем мы будем придерживаться следующего разделения усилителей на группы.

По виду сигналов, для усиления которых предназначен усилитель:

усилители гармонических сигналов (при построении усилителей гармонических сигналов важнейшим является обеспечение минимального уровня вносимых в сигнал искажений);

усилители импульсных сигналов (усилители импульсных сигналов обычно используют различные ключевые режимы работы транзисторов, здесь важнейшим фактором является минимизация задержек фронтов и спадов усиливаемых сигналов, а также устранение паразитных выбросов токов и напряжений, неизбежно возникающих при прохождении таких сигналов через каскады усиления).

По способности усиливать постоянные и переменные сигналы:

усилители постоянного тока (усилители, обладающие способностью усиливать весьма медленные колебания, в том числе и нулевой частоты, даже в том случае, если они в первую очередь предназначены для усиления мощности или напряжения переменных сигналов);

усилители переменного тока (прочие — не обладающие способностью усиливать сигналы нулевой частоты — усилители).

По диапазону частот, на которые рассчитан усилитель:

усилители низкой частоты (УНЧ); предназначены для усиления частот звукового диапазона (0,01...20 кГц);

усилители высокой частоты (УВЧ); предназначены для усиления сигналов в радиочастотном диапазоне;

По соответствию вида амплитудно-частотной характеристики полосе частот рабочего сигнала:

узкополосные усилители; на практике принято называть усилитель узкополосным, если полоса пропускаемых частот уже, чем это минимально необходимо для качественного воспроизведения спектра усиливаемого сигнала (узкополосные УНЧ имеют полосу пропускания менее 2,5...3 кГц; узкополосные УВЧ, например, для применения в телевидении, обладают полосой пропускаемых частот4,5...5 МГц, что меньше минимально необходимого для качественного воспроизведения телевизионного сигнала);

широкополосные усилители (часто для уменьшения нелинейных искажений и повышения устойчивости усилителя выгодно реализовывать в нем максимально широкую полосу пропускания, гораздо шире, чем это реально необходимо для всех возможных частот рабочего сигнала);

По форме амплитудно-частотной характеристики:

избирательные или резонансные усилители (имеют частотную характеристику полосового фильтра или резонансного колебательного контура);

апериодические усилители (имеют частотную характеристику, по форме напоминающую характеристику LС-цепи, т.е. плавно убывающую по мере роста частоты).

По усиливаемому электрическому показателю (данный признак классификации имеет в виду предназначение усилителя):

усилители напряжения (определяющим свойством усилителя является усиление напряжения);

усилители тока (определяющим свойством усилителя является усиление тока);

усилители мощности (под усилителем мощности обычно понимается усилитель или его оконечная выходная часть, рассчитанная на отдачу в цепь внешней нагрузки определенной мощности при заданной величине входного сигнала).

2. Основные задачи проектирования транзисторных усилителей

Любой электронный усилитель требует наличия внешнего источника питания с определенными характеристикам (обусловлены характеристиками самого усилителя). В применении к транзисторным усилительным каскадам это означает, что для всех транзисторов каскада должен обеспечиваться соответствующий режим по постоянному току (поданы внешние напряжения от источников питания) обеспечивающих все практически возможные токи). Задание такого режима, по сути, является заданием рабочей точки транзисторного каскада. Правильное задание рабочей точки пo постоянному току имеет большое значение, поскольку оказывает влияние на многие свойства усилителя (коэффициент усиления, уровень шумов, уровень линейных и нелинейных искажений и т.п.). Вопросу выбора и стабилизации положения рабочей точки транзисторного каскада целиком посвящена глава 3. Но из сказанного здесь читатель должен понять, что существует два существенно различающихся аспекта проектирования транзисторных схем. Первый — это организация питания и установка правильного режима по постоянному току, а второй — обеспечение усиления проходящего через усилитель переменного сигнала. Конечно, между этими двумя задачами существуют определенные пересечения, и в целом невозможно сосредотачиваться на решении одной из них, абсолютно забыв о другой, но они все равно остаются разными задачами, требующими различных подходов к своему решению.

Ясно, что при расчете цепей по постоянному току необходимо оперировать абсолютными значениями токов и напряжений, действующими в цепях, и опираться на соответствующие модели, отражающие работу транзисторов и таких режимах. А вот для анализа поведения схем при подаче на них переменных сигналов указанный метод оказывается неудобным. Действительно, зачем проводить расчеты при полных напряжений и токов в цепях, да еще и изменяющихся во времени, если нас интересует только поведение небольшой переменной составляющей, отражающей уровень полезного сигнала.

Для решения указанной задачи проводится так называемый малосигнальный анализ цепей. При этом используют малосигнальные эквивалентные схемы и группы малосигналъных параметров. Основным допущением, используемым в такой модели, является требование об относительно небольшой величине переменной составляющей посравнению с действующими в цепях постоянными токами и напряжениями. Если это требование нарушается, то большинство результатов, полученных с помощью мало сигнального, анализ не отвечают действительным процессам в цепях — требуется расчет полных токов и напряжений.

3. Применяемые при анализе схем обозначения и соглашения

Прежде всего сделаем ряд пояснений, касающихся таких фундаментальных понятий, как ток и напряжение. Мы не будем здесь подробно описывать физический смысл данных величин, поскольку предполагаем, что хотя бы с этиv читатель уже знаком. Напомним лишь стандартные правила имеющие отношение к представлению токов и напряжений в различных формулах, а также к их изображению на принципиальных схемах. В международной системе единиц напряжение выражают в вольтах (В), а ток в амперах (А).

Как известно, электрический ток — это упорядоченное движение носителей заряда. В любой электрической цепи упорядоченное движение зарядов происходит в одном из двух возможных направлений. Поэтому и электрический ток принято рассматривать как скалярную величину, имеющую одно из возможных направлений. За направление тока, независимо от природы носителей электрического заряда и их типа принимают направление, в котором перемещаются (или мог ли бы перемещаться) носители положительного заряда. Таким образом, направление электрического тока в наиболее распространенных проводниковых материалах — металлах — противоположно фактическому направлению перемещения носителей заряда — электронов. О направлении тока судят по его знаку, который зависит от того, совпадает или нет направление тока с направлением, условно принятым за положительное. Если в результате расчетов, выполненных учетом выбранного направления, ток получится со знаком плюс, то его направление, т.е. направление перемещения положительных зарядов, совпадает с направлением, выбранный за положительное. Если ток будет иметь знак минус, то его направление противоположно условно-положительном). Само условно-положительное направление тока при расчетах электрических цепей может выбираться совершение произвольно (обычно пользуются соображениями удобства расчетов).

Напряжение также представляет собой скалярную величину, которой всегда приписывают определенное направление. Обычно под направлением напряжения понимают направление, в котором под действием электрического поля перемещаются (или могли бы перемещаться) свободные носители положительного заряда. Очевидно, что на участках цепи, в которых не содержатся источники энергии, и перемещение носителей заряда осуществляется за счет энергии электрического поля, направления напряжения и тока совпадают.

При расчетах электрических цепей направление напряжениясравнивается с направлением, условно выбранным за положительное. Если в результате расчетов напряжение на рассматриваемом участке цепи получится со знаком плюс, то Направление напряжения совпадает с направлением, условно принятым за положительное; если напряжение получится со знаком минус, то его направление противоположно условно-положительному.

На принципиальных схемах направления токов и напряжений, принимаемые за условно-положительные, могут показываться стрелками.

Для обзначения токов и напряжений в формулах общепринятым является использование латинских букв I (для токов) и U (для напряжений).

При анализе цепей, находящихся под гармоническими воздействиями, широкое распространение получил символический метод комплексных амплитуд (комплексный метод, или, иногда просто — символический метод). Он основан на представлении гармонических функций с помощью комплексных чисел или, точнее, на преобразовании исходных гармонических функций из временной области (области вещественного переменного t) в частотную область (область мнимою аргумента jw).. Выглядит это так.

Каждой гармонической функции времени a(t)=Ат cos(t +ψ) можно поставить в соответствие копмплекснозначную зависимость

=Ат [cos(t + ψ) + j sin (t + ψ)] = .

Причем модуль комплексной величины a(t) равен амплитуде гармонической функции = Ат, а аргумент — ее фазе =t + ψ. Сама исходная действительная гармоническая функция равна действительной части введенной таким образом комплекснозначной функции:

Величина называется комплексной амплитудой гармонической функции времени

a(t)=Ат cos(t +ψ).

Известно, что в установившемся режиме работы токи и напряжения всех ветвей линейной электрической цепи, находящейся под гармоническим воздействием, являются функциями времени одной частоты, т.е. токи и напряжения отдельных ветвей в этом случае отличаются только амплитудами и начальными фазами, поэтому полная информация о них при известной частоте содержится в соответствующих комплексных амплитудах. Зная амплитуды и начальные фазы токов или напряжений любой ветви, всегда можно однозначно найти их комплексные амплитуды. И обратно, по известной комплексной амплитуде можно однозначно установить амплитуду и начальную фазу исходного гармонического колебания.

Таким образом, каждой гармонической функции времени a(t) можно единственным образом поставить в соответствие комплексное число (комплексную амплитуду), которое можно рассматривать как изображение этой гармонической функции на комплексной плоскости. Причем оказывается, что линейным операциям над гармоническими функциями времени соответствуют линейные операции над их комплексными амплитудами (операции дифференцирования и интегрирования заменяются при этом операциями умножения и деления). Это позволяет существенно упростить анализ линейных цепей, находящихся под гармоническим воздействием, заменив систему интегродифференциальных уравнений, составляемую для мгновенных значений токов и напряжений в ветвях цепи, системой алгебраических уравнений для комплексных амплитуд соответствующих токов и напряжений. Отметим также, что при рассмотрении чисто активных безынерционных линейных цепей (т.е. цепей без фазовых расхождений между сигналами в различных точках) все комплексные амплитуды становятся действительнозначными и анализ сводится к оперированию с простыми действительными амплитудами гармонических функций времени.

Наряду с комплексными амплитудами в качестве изображений гармонических функций на комплексной плоскости широко используются другие комплексные величины — комплексные действующие значения:

Все правила, устанавливающие соответствие между операциями над гармоническими функциями времени и операциями над их комплексными амплитудами, справедливы и для операций над комплексными действующими значениями гармонических функций.

В большинстве реальных усилии тельных схем на транзисторах.допущение о гармоническом характере входных воздействий оказывается вполне работоспособным. Если далее предположить, что цепь линейна (это выполняется, если амплитуда входных воздействий невелика, а транзистор усилителя находится в режиме линейного усиления), то становится вполне возможным применить метод комплексных амплитуд для мало сигнального анализа транзисторных усилительных схем. Более того, мы можем даже избавиться от комнлекснозначности амплитуд, если добавим требование об отсутствии фазовых сдвигов между сигналами, что близко к истине при рассмотрении достаточно низких частот.

Анализируя схемы методом комплексных амплитуд, мы будем говорить о комплексных токах и напряжениях () строго говоря, так обычно называют комплексные действующие значения гармонических токов и напряжений, но для удобства мы часто будем подразумевать именно комплексные амплитудные значения (переход от амплитудных к действующим значениям, как было показано ранее, вообще не оказывает влияния на расчетные формулы).

В схемах при установлении направлений переменных токов и напряжений, заданных комплексными значениями, действуют все те же правила, что были описаны для постоянных токов и напряжений (т.е. знак "плюс" означает совпадение с направлением, условно принятым за положительное, а знак "минус" — несовпадение). Для условно-положительных направлений, когда это возможно, выбираются направления, совпадающие с направлениями реальных токов и напряжений, действующих в анализируемых цепях.

В различной литературе могут использоваться разные способы обозначения амплитуд, действующих значений и других параметров сигналов и схем; мы будем придерживаться следующей системы.

Зависящие от времени (как правило, гармонические) переменные электрические показатели (например, токи и напряжения) в цепях будем обозначать малыми латинскими буквами: i(t), u(t) и т.д. При этом, если нет необходимости делать особый акцент на временной зависимости мгновенных значений этих показателей, если характер данных зависимостей не определен, не имеет значения для рассматриваемого вопроса или если в зависимостях присутствует не только гармоническая, но и постоянная составляющая (показатели вообще могут быть константами), то будем использовать традиционные обозначения большими латинскими буквами: I, U и т.д.

Как правило, нам придется отдельно рассматривать переменные и постоянные составляющие токов и напряжений, в цепях. При этом для обозначения постоянных составляющих мы будем пользоваться дополнительным индексом "0", а для обозначения переменных составляющих — дополнительным индексом "-". Т.е. для полных токов и напряжений в цепях действуют формулы: U=Uо+, I = Iо +. Заметим, что в большинстве случаев анализ по переменным составляющим проводится методом комплексных амплитуд. Так что вместо зависящих от времени переменных составляющих в получаемые нами формулы можно подставлять комплексные или при определенных условиях даже действительные амплитуды этих составляющих. Обозначение с индексом "-" применяется именно там, где существует возможность вариации подставляемых в формулы значений в зависимости от некоторых условий расчетов (например, проводим ли мы расчеты для низких или для высоких частот, а также используем ли мы действительные, комплекснозначные или определенные во временной области параметры элементов).

Анализируя электрические цепи методом комплексных амплитуд, мы приходим к комплексным значениям некоторых реальных параметров этих схем (комплексные сопротивления, проводимости, коэффициенты усиления и т.п.). Все такие величины обычно не принято обозначать так, как мы это делаем для комплексных амплитуд и действующих значений, — точкой вверху. Для каждого случая, как правило, есть свое устоявшееся обозначение. Объединяет их использование прописных латинских букв (G, Y, Н и т.д.). Соответствующие же малые латинские буквы (g, у,h и т.д.) применяются для обозначения действительной составляющей таких параметров (обычно комплекснозначные параметры становятся действительными при соблюдении определенных условий, применение в формулах малых латинских букв означает, что данные условия предполагаются выполненными).

Заметим также, что иногда параметры элементов схем могут зависеть от того, рассматриваем ли мы поведение данного элемента под действием постоянных токов и напряжений или делаем то же самое для их переменных составляющих. В общем случае нет какой-то универсальной методики различения таких параметров — следует внимательно читать текстовые комментарии и понимать суть физических процессов в цепях. Однако часто речь идет о так называемых статических и дифференциальных параметрах. Мы будем придерживаться системы, когда буквенный индекс, сопровождающий статические параметры, пишется с прописной буквы ( и т.п.), а буквенный индекс, сопровождающий дифференциальные параметры, — с малой буквы и т.п.). В случаях, когда разница между статическими и дифференциальными параметрами отсутствует, чаще применяется написание с прописными буквами. Если у параметра нет буквенного индекса или для него по каким-либо причинам неудобно менять размер используемых букв в индексе, то возможен переход к малой букве в обозначении самого дифференциального параметра ( и т.п.).

4. Статистические характеристики

При анализе усилительных схем на транзисторах широко используются т.н. статические характеристики: Статическими характеристиками транзисторов называют графики, выражающие функциональную связь между постоянными токами и напряжениями на электродах транзистора.

В зависимости от того, какие токи и напряжения принимаются за независимые переменные, возможны различные" системы функциональной связи и соответствующие им семейства статических характеристик. В общем случае связь между токами и напряжениями на трех электродах транзистора можно выразить шестью различными системами (по четыре семейства характеристик в каждой системе).

Мы не будем здесь рассматривать все эти случаи, а обратимся сразу к системе, получившей наибольшее распространение. Это т.н. система статических параметров (или гибридная система), которая соответствует наиболее распространенной группе малосигнальных параметров и имеет ряд преимуществ перед другими системами.

В данной системе в качестве независимых переменных приняты входной ток и выходное напряжение:

В статическом режиме эти зависимости выражаются четырьмя семействами характеристик:

входными

выходными

обратной связи

прямой передачи

Заметим, что для разных схем включения транзистора в качестве входных и выходных выступают токи и напряжения на его различных электродах. Поэтому вид статических характеристик зависит от схемы включения транзистора.

Для однозначного установления зависимости между токами и напряжениями транзистора достаточно иметь два семейства характеристик из четырех названных. Другие два могут быть найдены с помощью перестроений. На практике наибольшее распространение получили входные и выходные характеристики. Характеристики прямой передачи и обратной связи обычно выступают в роли второстепенных.

Статические характеристики имеют большое значение при анализе работы самых разнообразных усилительных схем. По статическим характеристикам выбираете оптимальное положение рабочей точки транзистора по постоянному току, вычисляются допустимые амплитуды колебаний переменного напряжения и тока на входе усилителя, анализируется линейность усиления и многие другие показатели схемы. По выходным характеристикам можно определить, правильно ли согласован усилительный каскад с нагрузкой, и предсказать поведение этого каскада при изменениях характера нагрузки.

В реальных схемах транзисторных усилителей в качестве входных токов и напряжений выступают напряжения и токи на конкретных электродах. Например, для схемы с ОЭ входным напряжением будет напряжение на участке эмиттер—база(), а выходным током — ток коллектора (IК). Часто статические характеристики транзисторных схем называют по имени электрода, ток которого эти характеристики отражают. Так, в приведенном выше случае мы будем говорить о выходных коллекторных характеристиках.

5. Статические и дифференциальные параметры транзисторов

Выше мы уже упоминали о наличии у транзисторов гак называемых малосигнальных параметров. Теперь поговорим об этом подробнее. Такие параметры характеризуют работу транзистора в режиме усиления малых переменных токов и напряжений. Многие из них имеют четкую физическую интерпретацию и непосредственно присутствуют в физических эквивалентных схемах. Некоторые же допускают только чисто математическое толкование. Смысл большинства из этих параметров сохраняется и при переходе к анализу больших сигналов, но их значения изменяются и становятся зависимыми от множества не проявлявшихся при малых сигналах факторов.

Поскольку малосигнальные параметры — это параметры, отражающие работу транзистора для переменных составляющих токов и напряжений, то в большинстве случаев они являются дифференциальными эквивалентами некоторых интегральных (статических) величин, характеризующих работу на постоянном токе. Отсюда возникает второе, употребляемое иногда даже чаще, название малосигнальных параметров — дифференциальные параметры. Между двумя этими терминами не существует однозначной эквивалентности, но почти всегда речь идет об одном и том же.

В качестве примера можем рассмотреть такой важный параметр биполярного транзистора, как коэффициент передачи тока базы в схеме с ОЭ (). У этого параметра есть еще одно часто встречающееся обозначение, идущее от его роли в системе так называемых h-параметров проходного линейного четырехполюсника — или

Интегральный (статический) коэффициент передачи находится как отношение токов (рис. 1):

Рис.1. К вычислению интегрального и дифференциального коэффициента передачи тока базы

Если рассмотреть характеристику передачи транзистора, включенного по схеме с ОЭ (рис. 2.1), то можно видеть, что в точке А, соответствующей напряжениям и токам,, , статический коэффициент передачи равен:

Предположим теперь, что на вход транзистора подан малый по амплитуде переменный сигнал. В этом случае значения токов базы и коллектора начинают колебаться в пределах (рис. 1): и . Причем и, переходя к дифференциалам:

— дифференциальный коэффициент передачи тока базы в схеме с ОЭ в точке А передаточной характеристики (рис. 1);

— угол, образованный касательной к линии передаточной характеристики в точке А и осью абсцисс (tg =).

Из рис.1. видно, что дифференциальный коэффициент передачи несколько отличается от интегрального (статического). Но на характеристике передачи можно выделить участок (В,С), где их значения близки. Т.е., если мы рассматриваем работу транзистора при некоторых ограничениях на напряжения и токи в нем (корректно заданная рабочая точка по постоянному току и малая амплитуда переменных сигналов), то мы можем не различать его статические и дифференциальные коэффициенты передачи. Заметим также, что в общем случае эти коэффициенты зависят от частоты переменного сигнала, его формы и амплитуды, температуры окружающей среды и некоторых других факторов. Так что любые вычисления с ними являются весьма приблизительными и отражают реальные процессы в транзисторах лишь в общих чертах. То же самое можно сказать и обо всех других малосигнальных (дифференциальных) и статических параметрах транзисторов.

В зависимости от конкретной ситуации (анализируемой схемы, целей анализа, ограничений на сигналы в цепях, требуемой точности и т.п.) на практике могут использоваться различные группы параметров, характеризующих транзистор в определенном режиме работы при определенных условиях. Как правило, для каждого такого случая строится соответствующая эквивалентная схема, значения элементов которой и составляют указанную группу параметров (одна и та же эквивалентная схема может использоваться и с разными группами параметров, например, при переходе от малосигнального анализа к анализу работы на постоянном токе все дифференциальные параметры заменяются на соответствующие им интегральные эквиваленты, и наоборот).

Наиболее употребимы следующие группы параметров транзисторов: Y-параметры, Z-параметры, H-параметры, S-параметры, физические параметры (часто их различают и для различных схем включения транзистора, т.е. существует группа параметров для схемы с ОБ и группа параметров для схемы с ОЭ и т.п.). Между указанными группами параметров существует довольно много пересечений (один из таких примеров нами рассмотрен выше) и взаимосвязей (когда параметры одной группы могут быть однозначно выражены через параметры другой группы).

Здесь опять следует сделать замечание, что подробное рассмотрение параметров, характеристик и физических моделей транзисторов не входит в задачу настоящей книги. Ниже вы найдете только краткое (справочное) описание этих вопросов. Для их более глубокого изучения и понимания следует обращаться к другой специализированной литературе (см. список литературы в конце книги).

6. Основные параметры усилителей

До сих пор мы рассматривали параметры и характеристики, описывающие разнообразные свойства транзисторов как основных усилительных элементов в составе электронных усилителей. Однако существуют показатели, по которым оценивается работа всего такого усилителя (или функционально законченных отдельных его каскадов) в целом. Данные параметры зависят не только от свойств применяемых в усилителе транзисторов, но и от качества самой принципиальной схемы и точности ее настройки.

К числу основных электрических показателей, характеризующих работу усилителя, относятся следующие:

– коэффициент передачи или коэффициент усиления;

– динамическая и амплитудная характеристики;

– динамический диапазон;

– предельная чувствительность;

– амплитудно-частотная характеристика;

– фазочастотная характеристика;

– амплитудно-фазовая характеристика;

– линейные искажения: оцениваются соответствующими коэффициентами линейных (частотных и фазовых) искажений; нелинейные искажения: оцениваются разнообразными коэффициентами (коэффициент нелинейных искажений коэффициент интермодуляцйи и т.п.).

Коэффициент передачи

Коэффициент передачи — это функция, определяемая как отношение выходного сигнала усилителя к его входному сигналу. В зависимости от формы математического представления самих сигналов различаются и формы представления коэффициента передачи (наиболее распространены операторные формы по Фурье или Лапласу, а соответствующие коэффициенты передачи иногда называют операторными коэффициентами передачи). При рассмотрении высоколинейных схем, которые не вносят в усиливаемый сигнал амплитудных искажений и фазовых сдвигов, вместо комплексной функции операторного коэффициента передачи оперируют более понятными, имеющими достаточно простую интерпретацию коэффициентами усиления. Различают:

коэффициент усиления по напряжению

— где и