16. Методы стабилизации рабочей точки

Параметры каскада с ОЭ зависят от температуры окружающей среды, изменения напряжения питания, изменение сопротивления нагрузки и т. д. Эти воздействия приводят к изменению коллекторного тока транзистора и изменению U_вых каскада. Эти изменения называются дрейфом нуля усилителя.

Внешние возмущения изменяют ток покоя транзистора и выводят усилитель из заданного режима работы. Существуют три основных метода стабилизации режима работы транзисторного каскада:

1) Метод термостабилизации. Эмиттерная схема термостабилизации (рис. 5.30). Метод заключается в применении ООС для уменьшения температурной нестабильности начальной рабочей точки. Ток эмиттера, протекая через RЭ, создает напряжение, которое через источник Е_в и его внутреннее сопротивление R_i попадает на базу. При этом в схеме создается петля параллельной ООС по току,

так как U_вх и U_ос на вход поступают с разными знаками.По переменному току эта ОС при необходимости устраняется подключением большой емкости параллельно резистору R_Э.

В схеме с коллекторной термостабилизацией подключением резистора R1 вводится параллельная отрицательная обратная связь по напряжению, которая уменьшаеткоэффициент нестабильности. Эта схема хуже тем, что стабилизирующая рабочую точку ООС уменьшает входное сопротивление каскада (рис. 5.31).

2) В способе температурной стабильности рабочей точки– термокомпенсации -

температурное изменение коллекторного тока компенсируется обратным изменением тока или напряжения смещения. Для этого в цепь смещения включают сопротивление, зависящее от температуры. Для этой цели используют термистор или открытый диод (рис. 5.32.).

3) Метод параметрической стабилизации с использованием дополни тельного транзистора. Если параметры VT1 и VT2 одинаковы, то такая схема позволяет

полностью устранить изменение тока Iкп, вызванное изменением напряжения Uбэ . Этот способ часто применяется при разработке аналоговых схем (рис. 5.33). Методы термокомпенсации и параметрической стабилизации компенсируют только один из дестабилизирующих факторов, а метод введения цепей ОС стабилизирует параметры всего усилителя.

17. УСИЛИТЕЛЬНЫЙ КАСКАД С ОЭ ПРИ ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ

На рис. 5.34 приведена схема усилительного каскада с ОЭ при переменном токе.

R_i – учитывает внутреннее сопротивление обоих источников.

Е_б – источник питания цепи базы.

Анализ свойств каскада поводится по эквивалентной схеме при гармоническом воздействии (рис. 5.35). Запишем уравнения по законам Кирхгофа ;

; ;

где - комплексное сопротивление коллекторного перехода в схеме с ОЭ;

- постоянная времени коллектора;

- напряжение на коллекторе.

Решая систему уравнений, получаем комплексные параметры усилителя:

где - эквивалентная передаточная функция.

Для СЧ. Пренебрегаем С_к и С_н , т.к.

С учетом допущений

.

Знак - показывает, что сигнал на выходе поворачивает фазу напряжения на .

Для ВЧ. Параметры каскада зависят от С_к и С_н.

Входное сопротивление усилителя . Зависимость полного сопротивления от частоты показана на рис.5.36 и эквивалентная схема входной цепи (рис. 5.37), где - активное сопротивление, - комплексное.

При  > _вх. входная емкость С_вх. полностью шунтирует сопротивление R_Э.

Передаточная функция каскадов области ВЧ

где ₀ – постоянная времени нагрузки,

- постоянная времени входной цепи.

На рис.5.38 приведены АЧХ (а) и ФЧХ (б) усилительного каскада с ОЭ.

5.18 КАСКАД С ОК

Т.к. фазы U_вх. и U_вых. совпадают, а их амплитуды близки, то напряжение на эмиттере повторяет входное напряжение, поэтому каскад с ОК называют эмиттерным повторителем или повторителем напряжения. На рис. 5.39 приведены схема усилительного каскада с ОК (рис. 5.39,а) и эквивалентная схема каскада (рис. 5.39,б).

Для СЧ. Коэффициент передачи тока вещественный, т.е. , сопротивление С_к и С_н большие и их можно не учитывать. Для входного контура по закону Кирхгофа

, где

Входное сопротивление

Учитывая, что ,

значительно больше R_вх. c ОЭ.

По эквивалентной схеме определяем коэффициент передачи напряжения:

.

Отсюда следует, что К_{U ОК} < 1.

Выходное сопротивление ; ; ;

;

После преобразований .

Следовательно, R_вых. каскада с ОК очень мало.

Каскад с ОК применяется для согласования высокоомного источника сигнала с низкоомной нагрузкой.

В усилителе с ОК присутствует отрицательная последовательная ОС по напряжению. На вход транзистора поступает , где - напряжение ОС.

ОС служит для увеличения R_вх., уменьшения коэффициента передачи и R_вых..

19. КАСКАД С ОБ

На рис.5.40 представлена схема усилительного каскада с ОБ, а на рис. 5.41 – эквивалентная схема каскада с ОБ.

Аналогичен каскаду с ОЭ.

; ;

Для СЧ ;

следовательно, каскад с ОБ не изменяет фазы сигнала.

Т.к. то . Отсюда следует, что

R_вх. с ОБ в (1+) раз меньше R_вх. с ОЭ. R_вых. с ОБ больше R_вых. c ОЭ.

Частотные свойства каскадов с ОБ и ОЭ для ВЧ близки. Изменение параметров каскада с ОБ по сравнению с общим ОЭ объясняется наличием отрицательной параллельной обратной связи по току. Т.к. каскад с ОБ имеет малое R_вх и большое R_вых, то он применяется реже с ОЭ и ОК. Каскады с ОБ применяют в многокаскадных усилителях в сочетании с ОЭ и ОК. Это позволяет обеспечить устойчивость усилителей, охваченных глубокой ОС.

19. УСИЛИТЕЛЬНЫЙ КАСКАД С ОБЩИМ ИСТОКОМ

Преимущества: большое R_вх, что упрощает согласование с высокоомным источником сигнала, меньший коэффициент шума, что позволяет применять его при усилении слабых сигналов, температурная стабильность режимов покоя, обеспечивают получение меньшего коэффициента усиления по напряжению.

Р ассмотрим усилительный каскад на полевом транзисторе с управляющим p-n-переходом и последовательной ООС по току нагрузки (рис. 5.42). R_СМ служит для обеспечения гальванической связи затвора с общей шиной, что необходимо для замыкания цепи смещения, стабилизирует R_ВХ каскада. R_СМ выбирает меньше собственного входного сопротивления транзистора (R_СМ ≤ 1 Мом).

Резистор R_и обеспечивает начальное смещение рабочей точки каскада и вводит в него последовательную ООС по току нагрузки, что приводит к уменьшению коэффициента усиления каскада и стабилизирует его рабочую точку. При воздействии температуры окружающей среды из-за увеличения сопротивления полупроводникового материала снижается I_СП и из-за уменьшения толщины p-n-перехода увеличивается I_СП. В результате воздействия этих факторов на передаточной характеристике транзистора можно найти точку, в которой ток стока не зависит от температуры окружающей среды. Если выбрать U_СМ таким образом, чтобы транзистор работал в этой точке, то температурная стабилизация каскада не требуется.

Основные параметры каскада определим по схеме замещения в области НЧ и СЧ, где влиянием собственных емкостей транзистора можно пренебречь

(рис. 5.43, а).

I_C = SU_З + U_вых / r_C – диф. R_вых транзистора.

r_C = , r_C1 – диф. сопр. Для I_C1

U_вых = I_CR_C = R_C(SU_З + U_вых/r_C)

К_UK = U_вых/ U_З = r_C R_C SU_З / (r_C + R_C) U_З = r_C R_C S / (r_C + R_C).

Т.к. r_C>> R_C, то К_UK = S R_C

R_вх = R_CМR_З / (R_вх + R_З) ≈ R_CМ; R_вых = R_C r_C (R_C + r_C) ≈ R_C

Для усилителя с ООС коэффициентом передачи цепи ООС:

К_UКоос = К_UО(1+ К_UОb_ОС) = S R_C/(1+ S R_C R_U/ R_C) = S R_C/(1+ S R_U); R_U = U_ЗUП/I_СП.

Частотные свойства каскада рассматриваются по схеме замещения на рис. 5.43,б.

Основную роль играет С_вх. Тогда передаточная функция каскада

К_UК(Р) = К_д S R_C/(Тр+1), где К_д = R_CМ/( R_U + R_CМ) – коэффициент передачи входного делителя по постоянному току.

Т = С_вх R_U R_CМ/( R_U + R_CМ) – постоянная времени входной цепи.

С_вх = С_ЗU(1+ К_UО) – эквивалентная входная емкость транзистора.

Т.к. R_U уменьшает коэффициент усиления каскада. То он на схеме шунтируется емкостью (показан линией), которая насчитывается из условия 1/ С_Uω_Н<< R_U.

Каскад с применением МДП-транзистора со встроенным каналом расчитывается и проектируется аналогично.

19. УСИЛИТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С RC-СВЯЗЯМИ

И ЕГО СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ

З адача проектирования – выбор элементов многокаскадной связи с минимальными частотными искажениями и расчет полосы пропускания с допустимыми искажениями. Схема усилителя приведена на рис. 5.44.

Схема с RC- связью C_Э – служит для усиления каскада по переменной составляющей; C_P1 и C_P2 – применяются для разделения режимов каскадов по постоянному току. На схеме замещения (рис. 5.45,а) R_б = R_б1R_б2 / (R_б1 + R_б2) – эквивалентное сопротивление входного делителя по переменному току; R'_Э = h_21Э R_Э – приведенное к базовой цепи значение емкости С_Э; R_С – выходное сопротивление источника входного сигнала; R_вх = h_11Э – собственное входное сопротивление

транзистора. Для последующего каскада R_С определяется R_вых предыдущего каскада.

R _С= R_вых= R_К R_выхVT / (R_К + R_выхVT) ≈ R_К

Для упрощения передаточной функции усилителя схема замещения разбивается на две независимые цепи 1-го порядка, в то время, как была 2-го порядка, т.к. содержала две реактивности. Сопротивление R₂ выходным сопротивлением схемы а).

R₂ = R_С R_б /( R_С + R_б)

Передаточные функции для получения схем:

W₁(p) = T₁₁p / (T₁₂p + 1), W₂(p) = К(T₂₁p + 1) / (T₂₂p + 1),

где T₁₁ = R_бСр₁; T₁₂ = (R_С + R_б)Ср₁; T₂₁ = R'_Э С'_Э;

T₂₂ = (R₂ + R_вх) С'_Э R'_Э / (R₂ + R_вх + R'_Э); К = R_вх /(R₂ + R_вх + R'_Э).

19. ЧАСТОТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА УСИЛИТЕЛЯ С RC-СВЯЗЯМИ

Строим ЛАЧХ схемы замещения каскада (рис. 5.46). Пер. Функция W₁(p) в числителе содержит идеальное дифференцирующее звено (хар-ки приведены в табл. 5.1), также для функции W₂(p) по таблице строим ЛАЧХ. Если ω₁₂<< ω₂₁,то суммарную частотную характеристику можно построить ссумированием обеих полученных характеристик.

Низкочастотную связь ЛАЧХ формируют разделительные и эммитерные цепи

каскада, которые рассчитываются или по заданной низкочастотной границе полосы пропускания, или по требуемой величине частотных искажений. Если в усилителе не предусмотрено формирование высокочастотной связи его характеристики, то верхняя граница полосы пропускания будет определяться собственными частотными свойствами используемых полупроводниковых приборов.

6 СТРУКТУРА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТИРИСТОРА

Полупроводниковые приборы, имеющие три и более последовательно образованных p-n переходов с двумя состояниями: "открыто" и "закрыто". Тиристоры подразделяются на диодные (динисторы) и триодные (тринисторы). Динисторы также называют неуправляемыми диодами, и тринисторы – управляемыми диодами. На схемах обозначаются следующим образом (рис. 6.1).

Д инисторы имеют два вывода – анод и катод из внешних областей и включаются только при изменении полярности и напряжения питания, то есть являются неуправляемыми приборами. При подаче на динистор прямого напряжения (плюс на p и минус на n внешние области) оба эмиттерных перехода будут открыты, а КП – закрыт.

Следовательно, большая часть приложенного к динистору напряжения

будет падать на коллекторном переходе (рис. 6.2).

На ВАХ могут быть выделены область большого сопротивления (участок оа), на котором значительный рост напряжения сопровождается малым ростом тока, область лавинного пробоя, область отрицательного сопротивления (бв),на котором рост тока сопровождается уменьшением напряжения малого сопротивления (вг), на которой малые изменения U вызывают большой рост тока и обратная ветвь (од) (рис. 6.3).

Динистор характеризуется двумя устойчивыми состояниями (участки оа и вг), наличие которых позволяет использовать прибор в качестве мощного переключающего элемента в различных схемах автоматики и вычислительной техники. Наличие отрицательного сопротивления (участок бв) позволяет использовать динистор для различных схем генераторов и модуляторов.

Недостатком динисторов является большая зависимость основных параметров (напряжения включения токов включения и выключения и остаточного напряжения) от температуры. С повышением температуры эти параметры снижаются, создавая температурную нестабильность переключения приборов. Для рационального применения динисторов следует либо обеспечить температурную стабилизацию, либо учитывать значения параметров при возможных предельно допустимых температурах.