Лекция 8

2. Полупроводниковые устройства.

2.1. Усилительные устройства.

При проектировании усилительных устройств необходимо преследовать цели:

- добиться получения необходимого коэффициента усиления,

• получить как можно большее входное сопротивление,

• получить как можно меньшее выходное сопротивление,

• получить необходимый диапазон рабочих частот.

Первое и последнее требования связаны с заданием на проектирование, а второе и третье требования определяют минимальные потери сигнала при построении многокаскадных схем. При этом предполагается, что усилитель или усилительный каскад имеют схему замещения, показанную на рис.57. Усилительный каскад (элементы, входящие в прямоугольную рамку) представлен: - по входу входным сопротивлением – Rвх, - усилительные свойства отображены генератором выходного сигнала - Eвых = Ку*Uвх, для определения выходной сигнала введено выходное сопротивление – Rвых. Входным напряжением для усилителя является напряжение в точке А - Uа относительно общего провода. Источник сигнала представлен – Ег с внутренним сопротивлением – Rг. В этом случае входное напряжение усилительного каскада определиться выражением Uа=Eг*Rвх / (Rг + Rвх).

Это выражение определяет зависимость входного напряжения от соотношения сопротивлений. Так, если сопротивления равны Rг = Rвх, то Uа = Eг/2, т.е. теряем половину сигнала при передачи между каскадами. Минимальные потери сигнала будут, если Rг → 0 и Rвх → ∞, и соответственно для каскадов Rвых → 0. Рассмотрим различные схемы усилительных каскадов и их параметры.

2.1.1. Усилительный каскад на биполярном транзисторе с заземленным эмиттером.

Схема усилительного каскада приведена на рис. 58.

К

Рис. 3 Усилительный каскад с заземленным эмиттером.

ак видно на схеме каскад состоит из биполярного транзистора VT с включенным в цепь коллектора сопротивлением Rк. Входной сигнал подается от генератора сигнала Eг в цепь базы. Выходной сигнал Uвых снимаем с коллектора транзистора. С целью упрощения выводов анализ схемы будем вести в бесконечно малых приращениях переменных.

Рис. 58. Усилительный каскад с заземленным эмиттером.

П

Рис.57.Блок схема усилительного каскада (усилителя).

редполагая, что токи базы и коллектора зависят только от напряжений на базе и на коллекторе, запишем эмпирическую зависимость, связывающую токи и напряжения.

(1)

Однако, заменяя частные производные параметрами транзистора, и пренебрегая обратной передачей , получаем

(2)

Задачей при анализе схемы является получение выражений для коэффициента усиления, входного и выходного сопротивлений в соответствии с ранее рассмотренной схемой замещения усилительного каскада. Анализируя схему, приходим к следующим выражениям:

dUбэ = dUвх,

dUкэ = dUвых,

dUкэ = - Rк*dIк.

Подставляя указанные выражения в систему (2) получаем:

Таким образом, получили выражение для коэффициента усиления, и из него видно, что усиление прямо пропорционально крутизне и сопротивлению, образованному параллельным соединением Rk и r_k. Для граничного случая, когда Rk<<r_k коэффициент усиления Из этого выражения видно, что усиление пропорционально току коллектора и не зависит от параметров транзистора.

Входное сопротивление усилительного каскада определяется как r_вх = dUвх/dIвх. Однако dUвх = dUбэ и dIвх = dIб, и, следовательно, r_вх = dUбэ/dIб = r_б = β/S = βφ_Т/I_k. Следовательно, это сопротивление тем больше, чем меньше ток коллктора и чем больше β – коэффициент передачи базового тока в цепь коллектора

В

Рис 59. Схема замещения усилительного каскада с заземленным эмиттером.

ыходное сопротивление усилительного каскада можно оценить если построить схему замещения каскада для переменной составляющей сигнала. Схема показана на рис. 59. При построении схемы учли, что внутреннее сопротивление источника питания схемы равно нулю. Это привело к тому, что сопротивление в цепи коллектора Rк оказалось включенным параллельно транзистору и сопротивлению нагрузки. Направления токов взято из схемы усилительного каскада (рис.58) Iн = I вых, Uкэ = Uвых. Для выхода схемы составим уравнение в соответствии с первым законом Кирхгофа dIk + dIвых + dUвых/Rk = 0. Подставим полученное уравнение во второе уравнение системы (2)

.

Учитывая, что напряжение на входе отсутствует dUбэ = 0 разрешим уравнение относительно . Следовательно, выходное сопротивление рассматриваемого каскада равно параллельно включенным Rк и r_к. Такой же результат получаем из рассмотрения схемы замещения. Видно, что параллельно сопротивлению нагрузки включены сопротивление в цепи коллектора Rк и коллекторно-эмиттерная цепь транзистора. В данном случае транзисторная цепь замещается дифференциальным сопротивлением коллектора и источником тока, причем они между собой включены параллельно и также параллельно включены относительно сопротивления нагрузки. Так как внутреннее сопротивление источника тока равно бесконечности видно, что относительно сопротивления нагрузки включены параллельно дифференциальное сопротивление коллектора r_к и сопротивление в цепи коллектора Rk. Таким образом для усилительного каскада с заземленным эмиттером получили следующие характеристики: K_у = -S(Rк*r_к­/(Rк+r_к)), r_вх = r_бэ, r_вых = Rк*r_к/(Rк+r_к).