Схема включения с общей базой

Эта схема не дает значительного усиления сигнала, зато хороша на высоких частотах, поскольку позволяет более полно использовать частотную характеристику транзистора. Если один и тот же транзистор включить сначала по схеме с общим эмиттером, а потом с общей базой, то во втором случае будет наблюдаться значительное увеличение его граничной частоты усиления. Поскольку при таком подключении входное сопротивление низкое, а выходное — не очень большое, то собранные по схеме с ОБ каскады транзисторов применяют в антенных усилителях, где волновое сопротивление кабелей обычно не превышает 100 Ом.

В схеме с общей базой не происходит инвертирование фазы сигнала, а уровень шумов на высоких частотах снижается. Но, как уже было сказано, коэффициент усиления по току у нее всегда немного меньше единицы. Правда, коэффициент усиления по напряжению здесь такой же, как и в схеме с общим эмиттером. К недостаткам схемы с общей базой можно также отнести необходимость использования двух источников питания.

 

12. Типовые схемы включения биполярного транзистора – схема с общим эмиттером.

Схема включения с общим эмиттером

Эта схема дает наибольшее усиление по напряжению и току (а отсюда и по мощности — до десятков тысяч единиц), в связи с чем является наиболее распространенной. Здесь переход эмиттер-база включается прямо, а переход база-коллектор — обратно. А поскольку и на базу, и на коллектор подается напряжение одного знака, то схему можно запитать от одного источника. В этой схеме фаза выходного переменного напряжения меняется относительно фазы входного переменного напряжения на 180 градусов.

Но ко всем плюшкам схема с ОЭ имеет и существенный недостаток. Он заключается в том, что рост частоты и температуры приводит к значительному ухудшению усилительных свойств транзистора. Таким образом, если транзистор должен работать на высоких частотах, то лучше использовать другую схему включения.

 

13. Типовые схемы включения биполярного транзистора – схема с общим коллектором.

Схема включения с общим коллектором

Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь.

Напомню, что отрицательной называют такую обратную связь, при которой выходной сигнал подается обратно на вход, чем снижает уровень входного сигнала. Таким образом происходит автоматическая корректировка при случайном изменении параметров входного сигнала

Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению маленький (основной недостаток этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким образом, коэффициент усиления по мощности получается равным всего нескольким десяткам единиц.

В схеме с общим коллектором фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным — потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода.

Такое включение используют для согласования транзисторных каскадов или когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление (например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон).

 

14. Режимы работы усилительных каскадов.

Основные параметры электронного усилителя зависят от выбранного режима работы, который задается напряжением смещения подаваемым на базу транзистора. Различают следующие основные режимы работы усилителя:

1. Режим А. В режиме А, ток в выходной цепи транзистора протекает в течение всего периода сигнала. Это достигается подачей соответствую­щего напряжения смещения Есм во входную цепь транзистора. В этом режиме напряжение смещения по абсолютной величине всегда больше амплитуды входного сигнала Поэтому форма колебаний выходного тока будет почти в точности воспроизводить изменения сигнала во входной цепи. Это обеспечивает минимальные нелинейные искажения сигнала. Однако этот режим характеризуется низким КПД (порядка 20 — 30%). Это вызвано тем, что при отсутствии входного сигнала транзистор остается открытым за счет напряжения смещения и потребляет такое же количество энергии, как и при наличии входного сигнала. Режим А применяется в маломощных каскадах, в которых важны малые нелинейные искажения, а КПД не имеет существенного значения. Обычно в этом режиме работают каска­ды предварительного уси­ления или маломощные выходные каскады.

2. Режим В. В режиме В (рис. 25.1, б) напряжение смещения равно нулю и при отсутствии входного сигнала транзистор закрыт.

При подаче на вход каскада переменного на­пряжения сигнала поло­жительная полуволна бу­дет вызывать появление выходного тока через тран­зистор; при отрицатель­ной полуволне входного напряжения ток в выход­ной цепи отсутствует. Та­ким образом, выходной ток будет иметь форму импульсов. Искаженная форма ыходного тока обуслов­ливает чрезмерные нелинейные искажения.

Преимуществом усилителя, работающего в режи­ме В, является более высокий КПД (60 — 70%) по сравнению с усилителем, работающим в режиме А. Это объясняется тем, что в отсутствии сигнала выходной ток транзистора практически равен нулю, а энергия источника питания расходуется только во время усиления сигнала.

В режиме В высок уровень нелинейных искажений, поэтому он используется в двухтактных схемах, компенсирующих эти недостатки и позволяющих получить большую выходную мощность при высоком КПД

3. Режим АВ. Режим АВ (рис. 25.1, в) является промежуточным между режимами А и В. Он более экономичен, чем А (КПД 40 — 50%), и характеризуется меньшими нели­нейными искажениями, чем В. Режим АВ также применяется в двухтактных усилителях мощности.

4. Режимы С и Д. В режимах С и Д смещение осуществляется в обратном направлении и ток в выходной цепи протекает менее половины периода входного сигнала. Каскад усиления при отсутствии сигнала и при его малых значениях не работает, поэтому усилитель потребляет от источника питания меньше энергии, чем в режиме В. В режимах С и Д усилители не воспроизводят весь период усиливаемого сигнала. Это искажает сигнал. Поэтому в усилителях с малыми искажениями режимы С и Д не применяется. Они находят применение в радиопередающих устройствах.

 

15. Что представляет собой дифференциальный каскад?

Дифференциальный каскад – это схема, используемая для усиления разности напряжений двух входных сигналов. В идеальном случае выходной сигнал не зависит от уровня каждого из входных сигналов, а определяется только их разностью.

На рис. 2.14 показана схема ДК на биполярных транзисторах. Схема содержит два плеча, включающих транзисторы VT1 и VТ2 и резисторы
Rк1 = Rк2 и токозадающий резистор R0. Ток I0, протекающий через резистор R0, не должен зависеть от входных сигналов. Для этого сопротивление резистора R0 выбирается большим или вместо него используется транзисторный генератор тока. В схеме используются два источника питания ЕП1 и ЕП2, вторые выводы которых подключены к общей точке. Наличие двух источников питания позволяет работать с сигналами любой полярности. Если оставить один источник питания, а вторую шину питания подключить к общей точке, возможно усиление сигналов только одной полярности.

 

Рис. 2.14

В общем случае дифференциальный каскад имеет два входа и два выхода, напряжения на которых Uвх1, Uвх2, Uвх1, Uвх2 отсчитываются от общей точки.

Различают синфазные и дифференциальные входные сигналы. Когда уровни сигналов на обоих входах равны (Uвх1 = Uвх2 = Uвх сф), такие сигналы называют синфазными. Роль синфазных сигналов обычно играют помехи. Если источник сигнала включен между входами ДК, то такой сигнал называют дифференциальным (разностным) Uвх д = Uвх1 – Uвх2. При дифференциальном включении входной сигнал делится пополам между одинаковыми транзисторами VТ1 и VТ2, причем составляющие напряжений на входах ДК относительно общей точки противоположны по знаку, или

и . (2.6)

Дифференциальный каскад должен эффективно усиливать дифференциальные сигналы и ослаблять синфазные.

Выходное напряжение может сниматься между выходами схемы; тогда оно называется выходным дифференциальным (или двухфазным) напряжением. При этом необходимо, чтобы следующий каскад имел дифференциальный вход. Кроме того, часто используют однофазный выход – снимают выходное напряжение между одним из выходов и общей точкой, при этом половина полезного сигнала, действующего на оставшемся выходе, не используется.

Рассмотрим преобразование синфазного сигнала в ДК. Пусть на входы схемы (рис. 2.14) подано синфазное напряжение (Uвх1= Uвх2= Uвхсф). В качестве выходного сигнала будем рассматривать однофазное напряжение на первом выходе.

Для анализа воспользуемся эквивалентной схемой, приведенной на рис. 2.15, содержащей одну половину ДК. Поскольку через транзисторVT1 протекает половина тока I0, резистор в эмиттерной цепи имеет сопротивление 2R0 (второе сопротивление 2R0 обес­печивает ток второй половины ДК).

Рис. 2.15

Схема на рис. 2.15 является усилительным каскадом с ОЭ, рассмотренным ранее. Воспользуемся формулой для расчета коэффициента усиления по напряжению

(2.7)

Из (2.7) видно, что если R0 >>Rк, то КUсф << 1. Иными словами, увеличивая сопротивление токозадающего резистора R0, можно уменьшать коэффициент передачи синфазного сигнала до требуемого уровня. Особенно эффективно подавление синфазного сигнала обеспечивается при замене R0 генератором тока.

Усиление дифференциального сигнала проанализируем с помощью схем (рис. 2.16). На этом рисунке показаны токи, протекающие в ДК под действием дифференциального напряжения Uвх д, В этом случае через резистор R0 помимо тока I0 (задаваемого источником Еп2)протекают одинаковые, но противоположно направленные составляющие токов эмиттеров Iэ1д, lэ2д транзисторов VT1 и VТ2. Таким образом, падение напряжения от протекания дифференциальных составляющих токов на резисторе R0 отсутствует и для дифференциальных сигналов потенциал точки А равен нулю. Следовательно, для дифференциальных сигналов справедлива эк­вивалентная схема (рис. 2.16, б), отличающаяся от схемы на рис. 2.15 отсутствием резистора R0.

Рис. 2.16

 

Определим коэффициент усиления по напряжению для дифференциального сигнала

(2.8)

где Rвх = r'б + brэ. (так как через один транзистор протекает ток ).

Дифференциальные каскады, как правило, работают с малым током I0 << 1 мА, тогда Rвх ≈ brэ и

(2.9)

Таким образом, коэффициент усиления для дифференциального сигнала гораздо больше, чем для синфазного и достигает нескольких сотен (тысяч при использовании динамической нагрузки). Отметим, что усиление ДК можно регулировать, изменяя ток I0, что используется в программируемых операционных усилителях и перемножителях аналоговых сигналов.

Существует много вариантов построения дифференциальных каскадов, для увеличения коэффициента усиления применяют составные транзисторы. Для повышения входного сопротивления используют МДП-транзисторы, а вместо токозадающего резистора используют генератор стабильного тока.

На рис. 2.17 изображен ДК с динамической нагрузкой в виде токового зеркала на транзисторах VТЗ, VT4. Эта схема обладает высоким коэффициентом усиления (КUд составляет несколько тысяч) и однофазным выходом. Существенно, что в этой схеме сигнал транзистора VT1не теряется, а с помощью токового зеркала передается в выходную цепь, складываясь с сигналом транзистора VТ2.

Рис. 2.17

 

16. Операциооныеусислители, основные схемы включения усилителей.

Операционный усилитель - это электронный усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления, имеющий дифференциальный вход и обычно один выход. Напряжение на выходе может превышать разность напряжений на входах в сотни или даже тысячи раз.

Своё начало операционные усилители ведут от аналоговых компьютеров, где они применялись во многих линейных, нелинейных и частото-зависимых схемах. Параметры схем с операционными усилителями определяются только внешними компонентами, а так же небольшой температурной зависимостью или разбросом параметров при их производстве, что делает операционные усилители очень популярными элементами при конструировании электронных схем.

Операционные усилители являются наиболее востребованными приборами среди современных электронных компонент, они находят своё применение в потребительской электронике, применяются индустрии и в научных приборах. Многие стандартные микросхемы операционных усилителей стоят всего несколько центов. Но некоторые модели гибридных или интегрированных операционных усилителей со специальными характеристиками, выпускаемые мелкими партиями, могут стоить более сотни долларов. Операционные усилители обычно выпускаются как отдельные компоненты, а так же они могут являться элементами более сложных электронных схем.

Операционный усилитель является разновидностью дифференциального усилителя. Другими разновидностями дифференциального усилителя являются:

· Полностью дифференциальный усилитель (это устройство похоже по принципу действия на операционный усилитель, но имеет два выхода);

· Инструментальный усилитель (он обычно состоит из трёх операционных усилителей);

· Изолированный усилитель (это усилитель похож на инструментальный, но он выдерживает такие высокие напряжения, которые могут вывести из строя обычный операционный усилитель);

· Усилитель с отрицательной обратной связью (обычно содержит один или два операционных усилителя и резистивную цепь обратной связи).

Выводы для подачи напряжения питания (VS+ и VS-) могут обозначаться по-разному. Невзирая на различное обозначение, их функция остаётся одной и той же - обеспечение дополнительной энергии для усиления сигнала. Часто на схемах эти выводы не изображают, чтобы не загромождать чертёж, и их наличие либо указывается отдельно, либо должно быть ясно из схемы.