книги / Элементы расчета полупроводниковых усилителей
..pdfМинистерство высшего а ореднего специального образования
Р С Ф С Р
ПЕНЗЕНСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
Кафедра конструирования и производства радиоаппаргтуры
Г.Г.Беликов, Е.П.Беликова
ЭЛЕМЕНТЫ РАСЧЕТА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ
Учебное пособие
Пенза 1977
УДК 621.375.4
Рассматриваются вопроси построения схем усилителей на тран зисторах, общие свойства и характеристики усилительных устройств, особенности различных типов усилителей, качественные показатели, влияние обратной связи. Приведены некоторые расчетные соотноше ния, примеры расчета.
Пособие рекомендуется студентам специальности 0705 при изу чении усилительных устройств. Излагаемый материал может быть использован и при курсовом проектировании.
Ил.60, библ.16 наэв.
Под редакцией канд.техн.наук, доцента Е.Н.МАКШЦОВА
<£) Пензенский политехнический институт,1977 г.
В современной радиоэлектрогапсе очень широко используется
принцип управления энергией. Устройство,регулирупцве под дей
ствием входного оигнала поступление энергии от источника пи тания в нагрузку, называется усилительным, или сокращенно уси лителем. Из всех возможных будем рассматривать только класс наиболее распространенных усилителей электричеоких сигналов, или электронных усилителей.
Процесо регулирования энергии может иметь непрерывный или
импульсный характер. В соответствия о этим все радиоэлектрон ные уотройотва и усилители делятся на две основные группы: аналоговые и дискретные устройства.
Методы анализа я расчета этих групп так различны, а области
применения я возможности так разнообразны, что очень часто при меняются более широкие термины: аналоговая и дискретная техника.
Аналоговые устройства, в свою очередь, базируются на двух
подгруппах усилителей: линейных и нелинейных. Оововным призна
ком, по которому можно произвести это разделение, является воз
можность применения принципа суперпозиции (принципа независи
мости внешних сил). Пусть |
х ( 4 ) - входное |
воздействие, |
а |
||
y ( t |
) - реакция |
(отклик) |
устройства. Боли |
выполняются равен |
|
ства |
у (Xi+Xg)* |
у (х 4)+ |
у (xt ) (свойство |
аддитнвноотн) |
и |
у (кх )ш к у(х ) |
(свойство однородности), |
то такое уотройотво |
|||
является линейным.
Типичными представителями линейных уоилятелей (ЛУ) являются низкочастотные усилители звукового диапазона (УНЧ), операцнон-
.3
ные усилители (07), применяемые в аналоговых вычислительных ма шинах (АБМ), широкополосные усилители (ШУ), используемые в изме рительной технике, технике связки другие устройства.
В линейных усилителях не происходит преобразования частотно
го спектра входного сигнала.
Невыполнение условий аддитивности и однородности определяет подгруппу нелинейных усилителей (НУ). Легко убедиться, что при
любой функциональной зависимости кроме линей
ной, входное воздействие вызывает реакцию, содержащую состав ляющие о частотами, отличными от частот входного оигнала. Не применимость в общем случае линейных методов анализа значитель но усложняет изучение нелинейных усилителей, типичными предста
вителями которых можно назвать умножители, делители и преобра зователи частоты, применяемые в технике приема и передачи ра диосигналов.
Следует отметить, что любой реальный усилитель, проектиру
емый как линейный, является лишь некоторым приближением к иде альному ЛУ, что объясняется в основном принципиальной нелиней ностью всех вольтанперпых характеристик (ВАХ) усилительных эле ментов.
Устройства дискретной техники базируются на широком примене нии ключевого режима, т.е. такого режима, когда усилительный элемент полностью открыт или полностью закрыт. В этом режиме оказывается возможным построение внсокоэкономичных (обладающих высоким коэффициентом полезного действия) силовых преобразова тельных устройств, типичными представителями которых являются мощные преобразователи одного уровня постоянного напряжения в другое, регулируемые выпрямителя переменного тока и другие
4
устройства. Вторая область применения ключевого режима вытека ет из возможности представления двух,резко отличных состояний усилительного элемента в виде цифр 0 и I двоичной оистемы счисления.
В данном пособии кратко описываются основные свойства лилинейных транзисторных усилителей аналоговой техники.
ОБЩИЕ СВОЙСТВА УСИЛИТЕЛЕЙ КлассиФикяпия усилителей
Основными признаками классификации являются: характер уси ливаемых сигналов, диапазон рабочих частот, вид внутренней на грузка усилительного каскада, способ межкаскадного согласова ния, структура усилителя, целевое и функционально^ назначения, опособ реализации охем усилителей.
По характеру усиливаемых сигналов выделяют:
а) усилители гармонических сигналов. Предназначены для уси ления непрерывных периодических и кваэипероодических сигналов о определенным чаототным спектром;
б) линейные импульсные усилители. Предназначены для усиле ния импульсных сигналов. К таким усилителям относятся, напри мер, усилители воспроизведения в устройствах хранения цифровой информации на магнитных лентах или дисках.
Эти две категории усилителей имеют много общего с точки зрения схемотехнического исполнения, но отличаются методикой анализа и расчета, так как гармонические усилители удобнее всего рассматривать в частотной области, а импульсные — во временной.
По диапазону рабочих частот выделяют:
5
а) усилители постоянного тока (УПТ). Значение нихней гранич
ной чаототы fH—0 • Значение верхней граничной частоты может
принимать любые значения, определяемые спектром входного сигна ла. Типичными представителяии Ж Г являютоя дифференциальные уси лители и выполняемые на их базе многоцелевые операционные усили тели;
б) усилители переменного тока. Ооновное отличие от УПТ за ключается в конечном значении fM>0 . Это. незначительное, на первый взгляд,отличие при более подробном изучении оказывается решающим при выборе морфологии, или конфигурации, схем усили тельных каскадов. В зависимости от абсолютного значения частот f„ и fg выделяют:
- усилители низких (звуковых) чаотот (fHв 20 -50 Гц , fg*= Ю -20кГц)
- усилители ультразвуковых чаотот ( f > 20 кГц). В таких усилителях еще не применяются специальные корректирующие цепи, а ограничение частотного диапазона сверху обычно определяется возможностями примененных транзисторов;
- широкополосные усилители. При использовании специальных корректирующих, цепей и наиболее высокочастотных транзисторов абсолютное значение fg может достигать нескольких сот мега герц;
- селективные (избирательные) усилители. Характерной осо бенностью таких усилителей является выполнение условия & -а{.
В области относительно низких частот (до 100 iC’u) узкая^юлооа пропускания обеспечивается обычно с помощью селективных RC - цепей, а в области радиочастот (более 100 кГц) - с помощью вы сокодобротных колебательных систем.
По виду внутренней нагрузки усилительные каскады делятся на
апериодические я реэонансвые. В апериодических уонлителих внут ренняя натруэка близка по характеру к активному сопротивлению, и поэтому такие усилители при внполнении ряда условий могут обеспечивать равномерное усиление в широкой полосе частот.
По способу нежкаскадвого сотласования ваделядт:
- усилители с гальванической связью (УГС). Так как элемент
связи имеет характер активного сопротивления, не зависящего от
частоты, такой вариант межкаскадного согласования наиболее удо бен для построения УНТ. Основным, щинципимьянм недостатком УГС является невозможность различения полезного сигнала от воз никающей на выходе первого каскада помехи, обусловленной, глав ным образом, температурными измененншн токов и напряжений в цепях транзистора;
- усилители типа RC . Элемент свнзи-разделнтельняй конден сатор £р - пропускает на вход второго каскада только полезный
сигнал, препятствуя прохождению постоянной составляющей. Учиты
вая, что при / |
-*-0 реактивное сопротивление Ср стремится к |
бесконечности, |
нетрудно видеть, что в усилителях типа RC ниж |
няя граничная частота fH обязательно должна быть отличной от нудя. В реальных усилителях минимальное значение jfH лежит в интервале 5-20 Гц. Сигнал помехи, вызванной температурными не стабильностями работы транзистора, или,как принято говорить, дрейф дуля, изменяется очень медленно (за счет тепловой инер ции корпуса и кристалла полупроводника частота изменения тем пературы переходов транзистора не монет превышать нескольких десятых долей герца) и поэтому через конденсатор Ср на вход следующего каскада не передается;
?
- усилители о трансформаторной связью. В трансформаторных усилителях, как и в усилителях типа КС , отсутствует дрейф
нуля и частотный диапазон ограничивается снизу. По ряду пока зателей трансформаторные усилители уступают КС -усилителям.
По структуре усилители делятся на:
-однокаокадные,
-многокаскадные,
-усилители без обратных связей,
-уоилители о обратными связями,
-усилители с преобразованием входного сигнала.
По -яункщюнальному назначению отдельные каскады многокаокадного усилителя делятся на:
- предварительные или входные. Основное назначение их заклю чается в усилении малого входного сигнала до уровня, необходи мого для нормального функционирования следующего каскада:
- согласующие. Включаются обычно между каокадами с существен но различными входными и выходными параметрами;
- корректирующие. Предназначены для. придания некоторым ха рактеристикам усилителя заданной формы (например, коррекция частотной характеристики);
- выходные,, или оконечные,каскады служат для доведения уровня сигнала в нагрузке до заданного значения.
По целевому назначению, т.е. в зависимости от области при менения, усилители делятся на:
-усилители для записи и воспроизведения звука,
-телевизионные,
-усилители техники связи;
-измерительные.
В
-радиолокационные,
-усилители сиотем автоматики.
По опоообу реализации усилители делятоя на:
- уоилители, выполненные из дискретных злектрорадиокомпонентов (транзисторов, диодов, резисторов, конденоаторов, трансфор маторов и др.). Чаще воего эти злементы размещаются на плоских платах и соединяются между ообой тем или иным способом печатно го монтажа. При современном уровне развития радиоэлектроники такой способ конструкторско-технологической реализации усили телей не позволяет доотичь, особенно в больших системах,содер жащих сотни тысяч элементов, высоких результатов по таким пока зателям, как размеры, вео, стоимость изготовления и обслужива ния, надежность;
- усилители в микроэлектронном (интегральном) исполнении. В зависимости от технологии изготовления выделяют полупроводнико вые, пленочные и гибридные интегральные охемы (ИС). Помимо суще ственного повышения эквивалентной плотности монтажа (до 100 и более элементов на см3) микроэлектронная.технология позволила получить усилители с показателями, практически недостижимыми при выполнении усилителя на дискретных элементах.
Основные качественные показатели усилителей
Качественные показатели усилителя - это оовокупнооть пара метров и характеристик (как в виде аналитических пункций, так и в виде графиков), описывающих его свойства, поведение в раз личных условиях и режимах работы и характеризующих отличие ре ального усилителя от идеального [&, 14].
Вобщем случае лине*г’нй усилитель может быть представлен
ввиде однонаправленного активного четырехполюсника, осущеотв-
9
ляющего передачу сигнала от входных зажимов I-I к выходным
г<-2 (рио.1).
>
Рио.1 Как известно из теории цепей, свойства реального генератора
(источника) могут быть описаны с помощью равноценных (в омыоле конечных результатов раочетов) эквивалентных схем генератора напряжения (рио.2,а) или генератора тока (рио.2,6).
|
|
Внутреннее сопротивление |
(про |
|
|
водимость) в общем случае - вели |
|
|
|
чина комплексная. Только на по |
|
|
|
стоянном токе или в некоторой об |
|
|
|
ласти частот при определенных до |
|
|
|
пущениях этот параметр будет иметь |
|
а ) |
6) |
характер чисто активного оопротив- |
|
Рис.2 |
|
ления Rr (проводимость &г |
).Вы |
бор варианта охемы замещения реального источника диктуется как удобством применения того или иного метода расчета всего усили теля, так и рядом традиционных представлений, обцепринятых в технической литературе.
Уоилители характеризуются следующими параметрами входных я выходных цепей: