Входные и выходные характеристики. Графический метод анализа работы, режимов работы и техническая характеристика усилителя.

Рабочая точка А режима покоя определяется статическими характе­ристиками транзистора на основе метода нагрузочной характеристики аналогично, если принять I_Бп < < I_Кп (рис. 5), т. е. I_Кп » I_Эп.

Заметим, что необходимый режим работы транзистора по постоян­ному току можно получить и без резисторов r₂ и r_э. Однако последние позволяют стабилизировать положение рабочей точки А при изменении температуры окружающей среды. Повышение температуры окружающей среды изменяет параметры транзистора так, что токи базы, коллектора и эмиттера увеличиваются при прочих неизменных условиях. При нали­чии резистора r_э в цепи эмиттера это приводит к увеличению на нем напряжения. Одновременно уменьшаются напряжение U_БЭ и ток базы. Таким образом реализуется отрицательная обратная связь и стабилиза­ция режима покоя. В режиме малого сигнала описанный механизм от­рицательной обратной связи отсутствует, так как параллельно резисто­ру r_э включен конденсатор большой емкости Сэ.

Рис. 5

По схеме замещения усилительного каскада для переменных состав­ляющих (см. рис. 4), на которой схема замещения транзистора показана внутри штриховой линии, а усилительного каскада - внутри сплошной, рассчитываются его основные параметры: коэффициенты усиления напряжения, тока и мощности, а также входное и выходное сопротивления. Последнее определяется со стороны выходных выво­дов усилителя при отключенном приемнике с сопротивлением нагруз­ки r_н.

Исключая из схемы замещения резистивные элементы 1/h₂₂, r₁ и r₂ с большими относительно других резистивных эле­ментов сопротивлениями и полагая синусоидальное изменение напря­жения сигнала, получаем:

r_вх=h₁₁ (1а)

- входное сопротивление (1-10 кОм);

r_вых=r_К (1б)

- выходное сопротивление (10-100 кОм);

(1в)

— коэффициент усиления напряжения источника сигнала, где

(1г)

— коэффициент усиления напряжения на входе усилительного каскада (К_ux = 10 ¸ 100) в режиме холостого хода (r_н = ¥);

(1д)

- коэффициент усиления тока (К_i = 15 ¸ 80);

(1е)

- коэффициент усиления мощности [ К_р = (0, 2 ¸ 5) • 10³].

Отрицательные значения коэффициентов усиления напряжения и тока отражают изменение фазы напряжения и тока на выходе усили­тельного каскада на противоположное относительно фаз одноименных величин на его входе, т.е. q_u = q_ux = q_i = p.

Небольшое значение входного сопротивления является главным не­достатком усилительного каскада с ОЭ. Это увеличивает ток источни­ка сигнала и мощность потерь в его внутреннем сопротивлении.

Выражениям (1в) и (1г) соответствует обобщенная схема замещения входной и выходной цепей усилительного каскада (рис. 6), которую можно получить, воспользовавшись эквива­лентностью двух схем замещения источника энергии.

Рис. 6

Из (1в) следует, что условия для увеличения коэффициента усиления напряжения и уменьшения его зависимости от сопротивления цепи нагрузки противоречивы. Чем больше выходное сопротивление усилительного каскада r_вых=r_к, тем больше как значение коэффи­циента усиления напряжения, так и его зависимость от сопротивления цепи нагрузки. Чтобы увеличить коэффициент усиления напряжения и уменьшить его зависимость от сопротивления приемника r_н, между выходом усилительного каскада с ОЭ и приемником следует включить согласующее устройство с большим входным и малым выходным со­противлениями. Роль такого устройства может выполнять усилитель­ный каскад на биполярном транзисторе, включенном по схеме с ОК (рис. 7), называемый также эмиттерным повторителем.

Рис. 7

Исключим из схемы замещения усилительного каскада, аналогично предыдущему, резистивные элементы 1/h₂₂, r₁ и r₂ с большими относительно других резистивных элементов сопротивлениями и примем синусоидальное изменение напряжения сигнала (рис. 8). Тогда по второму закону Кирхгофа для контура, отмеченного штриховой линией, напряжение между базой и коллектором равно:

(2а)

где

(2б)

— напряжение на приемнике.

Из (2) находим

(3а)

— входное сопротивление усилительного каскада с ОК (100-300 кОм), которое значительно больше входного сопротивления усилительного каскада с ОЭ, и

(3б)

— коэффициент усиления напряжения, значение которого близко к еди­нице (0, 8-0, 9). Последнее определяет название усилительного каскада с ОК " повторитель".

Рис. 8

Выходное сопротивление эмиттерного повторителя равно выходному сопротивлению активного двухполюсника, т. е. схемы замещения отно­сительно выходных выводов. Ток короткого замыкания активного двухполюсника (r_н=0) равен

(4а)

где

т. е.

(4б)

— напряжение холостого хода активного двухполюсника (r_н= ¥). Из (4) следует, что

(5)

- выходное сопротивление эмиттерного повторителя (10-50 Ом), значительно меньшее выходного сопротивления усилительного кас­када с ОЭ.

Усилительный каскад с ОБ имеет значение коэффициента усиления напряжения, близкое к его значению для усилительного каскада с ОЭ. Однако ему присущи существенные недостатки: значение его коэффициента усиления тока меньше единицы и вследствие этого мал коэффициент усиления мощности. Кроме того, он имеет малое вход­ное и большое выходное сопротивления. По этим причинам усилитель­ный каскад с ОБ применяется редко.

В качестве приемника энергии к выходу усилительного каскада мо­жет быть подключен тоже усили­тельный каскад. Их совокупность образует многокаскадный усилитель. В усилителях низких частот, высо­ких частот, а также широкополо­сных и узкополосных усилителях электрическая связь между каскадами реализуется при помощи кон­денсаторов, в усилителях постоянного тока — при помощи резисторов или непосредственных связей. В последнем случае любые изменения постоянного напряжения на выходе одного каскада из-за нестабильно­сти параметров транзистора при действии дестабилизирующих факто­ров, обычно температуры, влияют на режим работы других каскадов, что приводит к изменению напряжения на выходе многокаскадного усилителя даже при отсутствии усиливаемого сигнала. Это явление называется дрейфом нуля. Для того чтобы уменьшить дрейф нуля, применяют дифференциальные усилители постоянного тока.

По аналогии с усилительными каскадами на биполярных транзисторах с ОБ, ОЭ и ОК различают три типа усилительных каскадов на полевых транзисторах: с общим затвором (ОЗ), с общим истоком (ОИ) и с общим стоком (ОС). Чаще других используется усилительный каскад с ОИ.

Дифференциальный усилитель

Наиболее распространена схема дифференциального усилительного каскада, называемого также параллельно-балансным каскадом, на основе моста постоянного тока (рис. 9), плечи которого образованы резисторами r_k1=r_k2 и биполярными транзисторами VS₁ и VS₁ одного типа, включенными по схеме с ОЭ.

Рис. 9

Для лучшей балансировки моста выбирают транзисторы, помещенные в одном корпусе, параметры которых отличаются на 1-5%. Два источника сигналов включаются в цепи баз транзисторов, называемые несимметричными входами, а приемник с сопротивлением нагрузки r_н - между коллекторами транзисторов (симметричный выход с u_вых).

Рассмотрим режим покоя каскада, т. е. при напряжениях u_вх1 = u_вх2 = 0 или коротком замыкании входов. В этом случае напряжение

U_БЭп = E_Э - r_Э(I_Э1п+I_Э2п)> 0 (6)

одинаковое для обоих транзисторов, и поэтому их режимы работы будут различаться мало. В таком каскаде осуществляется стабилизация режима покоя. Если под действием дестабилизирующих факторов, например нагрева, возрастут токи коллекторов I_К1п, I_К2п и эмиттеров I_Э1п, I_Э2п, то напряжение U_БЭп уменьшится, эмиттерные переходы станут пропускать меньшие токи; в результате токи коллекторов I_К1п и I_К2п и напряжение покоя на выходе

U_вых.п = r_К1I_К1п – r_К2I_К2п (7)

будут стабилизированы. Стабилизация режима покоя будет тем значительней, чем больше сопротивление цепи эмиттеров г_Э. Для этой цели в цепь эмиттеров иногда включают источник тока J_Э = J_Э1п + J_Э2п.

Из (7) видно, что любые одинаковые изменения в одноименных плечах каскада не вызывают изменения напряжения U_вых.п, т. е. дрейфа нуля. В реальных каскадах нет полной симметрии элементов, однако дрейф напряжения U_вых.п в дифференциальном усилителе по сравнению с усилительными каскадами на биполярных и полевых транзисторах снижается на несколько порядков.

Значения параметров дифференциальных усилителей на биполярных и полевых транзисторах того же порядка, что и у каскадов с ОЭ и ОС соответственно. Основные достоинства дифференциальных усилителей — помехоустойчивость к синфазным помехам и малый дрейф нуля - до 1-10 мкВ/°С, что в 20-100 раз меньше дрейфа нуля в небалансных усилителях постоянного тока. По этой причине дифференциальные усилители применяются, в частности, в качестве входных каскадов операционных усилителей постоянного тока.

Обратная связь в усилителях

Обратной связью в технике принято называть воздействие выходной величины устройства на вход этого же устройства. Обратная связь отри­цательна, если в устройстве с обратной связью входная величина умень­шается; в противном случае она положительна. Обратная связь в уси­лителях может быть последовательной или параллельной, по напряже­нию или по току, по переменной или по постоянной составляющей. По­следняя уже рассматривалась для стабилизации ра­бочих характеристик усилительных каскадов при изменении темпера­туры окружающей среды.

В дальнейшем ограничимся анализом обратной связи лишь по пере­менной составляющей.

В общем случае цепь обратной связи по переменной составляющей представляет собой пассивный четырехполюсник, который своими вы­водами 1-1' и 2-2' подключается соответственно к выходной и вход­ной цепям усилителя У.

По способу подключения входных выводов 1-1' четырехполюсни­ка обратной связи ОС различают обратную связь по напряжению (рис. 10, а) и по току (рис. 10, б), по способу подключения его выходных выводов 2—2¢ — параллельную (рис. 11, а) и последова­тельную (рис. 11, б). На рисунках учтено, что обычно один вывод входной и один вывод выходной цепей четырехполюсника соединены накоротко.

Рис. 10

Рис. 11

Положительная обратная связь в усилителях практически не приме­няется, но лежит в основе работы различного рода автогенераторов, которые будут рассмотрены в дальнейшем.

Отрицательная обратная связь используется в усилителях очень ши­роко. Она позволяет создавать на основе усилителей устройства различ­ного функционального назначения: сумматоры и вычитатели напряже­ний, интеграторы, фильтры и т. д.

33. Устройство и принцип работы тиристора.