Розділ ІІІ ОСНОВИ ЕЛЕКТРОННОЇ СХЕМОТЕХНІКИ

Мета: студенти після вивчення та опрацювання розділу повинні пояснити принцип підсилення електричних сигналів, принцип роботи генераторів гармонійних коливань. Знати схемотехнічну реалізацію базових підсилювальних транзисторних каскадів та основні характеристики підсилювачів; ознаки, за якими генерувальні пристрої поділяються на LC- і RC-генератори  та їх схемотехнічну базу. Вміти розраховувати потенціальний режим транзисторів та вибирати робочу точку підсилювача в залежності від його класу. Вміти обчислювати частоту коливань, а також вибирати параметри частотно-вибіркових ланок.

Знати призначення стабілізаторів напруги та й характеристики. Вміти пояснити принцип роботи параметричних та компенсаційних стабілізаторів напруги, а також розраховувати та вибирати елементи схеми параметричного стабілізатора напруга за даними навантаження.

 

Кількість годин: 5 9

 

План (логіка) викладу матеріалу

Тема

3.1 Підсилювачі.

3.2 Генератори гармонійних коливань.

3.3 Стабілізатори напруги живлення.

 

Рекомендована література:  дивись таблицю 1

 

Ключові терміни та поняття:

Підсилювач, підсилювач постійного струму, підсилювач змінного струму, підсилювач низької частоти, підсилювач високої частоти, широкосмуговий підсилювач, однокаскадний підсилювач.

Генератор, автогенератор, LC- генератор, RC-генератор.

Стабілізатор напруги, параметричний стабілізатор напруги, компенсаційний стабілізатор напруги.

 

Тема 3.1 Підсилювачі

Підсилювачі – це пристрої для підвищення потужності вхідного електричного сигналу за рахунок значно більшої потужності джерела живлення. Підсилювачі містять активні (транзистори) і пасивні (резистори, конденсатори, індуктивності) елементи, а також джерело постійної напруги (живлення). За характером вхідного сигналу підсилювачі діляться на: підсилювачі постійного та змінного струму, які в свою чергу діляться на низької частоти ( ПНЧ) (діапазон підсилення від 20 Гц до 20 кГц), підсилювачі високої частоти (ПВЧ) (діапазон підсилення від 20 кГц до 100 МГц) і широкосмугові (відеопідсилювачі). Структурна схема (рис.3.1) містить регулювальний елемент (транзистор) і навантаження.

 Рисунок 3.1 – Структурна схема підсилювача

 

Робота підсилювачів характеризується такими показниками:

- коефіцієнтом підсилення за напругою К _U = U _ВИХ / U _ВХ,

де U_ВХ, U_ВИХ -  вхідна і вихідна напруги підсилювача;

- коефіцієнтом підсилення за струмом   К_І = І_ВИХ / І_ВХ,

де І_ВХ, І_ВИХ -  вхідний і вихідний струми підсилювача;

- коефіцієнтом підсилення за потужністю К_Р = К _U ∙ К_І;

- частотною характеристикою К = F ( f ) – залежністю коефіцієнта підсилення від частоти при сталій величині вхідного сигналу;

- фазовою характеристикою φ = F ( f ) – залежністю кута зсуву фаз між вхідною і вихідною напругами;

- амплітудною (передатною) характеристикою U _ВИХ = f ( U _ВХ ) – залежністю вихідної напруги від вхідної при сталій частоті;

- коефіцієнтом корисної дії (ККД) η – відношенням вихідної потужностіпідсилювача до потужності, спожитої від джерела живлення.

Характер навантаження істотно впливає на частотну характеристику (рис.3.2). Тому, залежно від призначення підсилювача (широкосмуовий чи резонансний), визначається й тип навантаження.

Рисунок 3.2 - Вплив типу навантаження регулювального елемента на частотну характеристику підсилювача

 

Підсилювачі електричних сигналів поділяються на підсилювачі напруги та потужності. Їх застосовують в давачах, перетворювачах електричних сигналів, генераторах, прийомо-передавальних пристроях тощо.

Однокаскадний підсилювач.

Як активний елемент підсилювача можуть бути використані біполярний або польовий транзистори. Розглянемо роботу однокаскадного підсилювача на базі біполярного транзистора (рис.3.3).

Рисунок 3.3 – Однокаскадний підсилювач на БТ

В однокаскадному підсилювачі зі СЕ (рис.3.3) вхідний сигнал подається в коло бази, а вихідний отримуємо між емітером і колектором транзистора. Оскільки вхідний струм і вхідна напруга в такій схемі відповідають відповідно струму бази й напрузі база-емітер, які незначні за величиною, а вихідний струм відповідає струму колектора й завдяки властивостям БТ є значним, отримуємо значне підсилення за струмом та за напругою сигналу. Тобто зміна вхідного струму призводить до зміни вихідного струму ΔІ_К = β ∙ І_Б , де  β – коефіцієнт підсилення за струмом транзистора.

Режим роботи підсилювального каскаду задається вибором робочої точки Р (рис.3.4).

Рисунок 3.4 – Вихідні характеристики транзистора з навантажувальною прямою

 

Для цього необхідно побудувати навантажувальну характеристику (лінію навантаження) за рівнянням U _КЕ = U – I _К R _К. Точка перетину цієї лінії з характеристикою транзистора визначає необхідний струм бази І_Б .

Задання робочої точки транзистора реалізується в схемі підсилювача шляхом визначення потенціалу бази транзисора для визначеного струму бази І_Б . Розрахунок параметрів елементів підсилювального каскаду (рис.30) здійснюється на постійному струмі при u_вх = 0 (потенціальний режим). Опори резисторів R ₁, R ₂ розраховують за заданим струмом бази І_Б0 і відповідною йому напругою U _БЕ (визначається за вхідною характеристикою U _БЕ ( І_Б )

R ₁ = U – ( U _БЕ0 + I _Е R _Е ) / (I ₁ + І_Б0);  R ₂ = ( U _БЕ0 + I _Е R _Е ) / I ₁ ;

де I ₁ = (2…5) I _Б0 - струм в колі дільника напруги; I _Е ≈ I _К - значення струму емітера в робочій точці Р. Величину опору R _Е вибирають за умови R _К /20 ≤ R _Е ≤ R _К /5. Переважно приймають   R _Е = R _К /10. Значення R _К вибирають так, щоб забезпечити необхідні величини струму колектора I _К і напруги U _КЕ. Найчастіше опір R _К вибирають так, щоб U _КЕ = U /2, тобто R _К = U /2 I _К . Струм колектора визначають за паспортними параметрами вибраного транзистора як I _К = Р_Кдоп /U _КЕдоп .

Температурна стабілізація режиму роботи підсилювача забезпечується від'ємним зворотним зв'язком по постійному струму через резистор R _Е . Для усунення негативного впливу від'ємного зворотного зв'язку по змінному струму резистор R _Е шунтують конденсатором С _Е , опір якого повинен задовольняти умову R _Е >>1/2π f С _Е   у частотному діапазоні вхідного сигналу.

Розділові конденсатори С₁, С₂ використовують у випадку підсилення змінного вхідного сигналу для перешкоди протіканню постійного струму від джерела живлення. Їх опір повинен бути незначним в частотному діапазоні вхідного сигналу, тому що це впливає на частотну характеристику підсилювача.

Переважно робочу точку вибирають посередині лінійної частини характеристики. Вибір координат робочої точки регламентуєтьсяамплітудою, формою та полярністю вхідного сигналу. Залежно від положення робочої точки, розрізняють три основні режими підсилення сигналів підсилювача, які поділяються відповідно на класи А, В і С.

У підсилювачах класу А розташування робочої точки вибирають посередині лінії навантаження. Це забезпечує лінійне підсилення змінного вхідного сигналу. Такий режим найчастіше застосовують в каскадах попереднього підсилення або в малопотужних вихідних каскадах. Недоліком такого підсилювача є низький ККД.

У підсилювачах класу В робоча точка вибрана при струмі колектора I _К = I _К0 . В такому режимі транзистор відкритий тільки протягом половини періоду змінного вхідного сигналу. Особливістю цього режиму є високий ККД підсилювача (60…70 %), тому його використовують у вихідних (двотактних) каскадах підсилення потужності.

 У підсилювачах класу С підсилюється сигнал, який перевищує порогове значеня, задане робочою точкою. Такий режим роботи підсилювача часто називають «ключовим режимом». Його використовують в підсилювачах-формувачах і схемах автоматики. Такий підсилювач забезпечує високий ККД.

На даний час ширше використовуються підсилювачі, виконані на польових транзисторах. На рис.3.5 подано однокаскадний підсилювач за схемою із спільним витоком з одним джерелом живлення.

Рисунок 3.5 – Однокаскадний підсилювач на ПТ

 

Режим роботи польового транзистора в режимі спокою забезпечується постійним струмом стоку І_С та відповідно йому напругою стік-витік U _СВ0. Задання цього режиму здійснюється напругою зміщення на затворі польового транзистора U _З0. Ця напруга виникає на резисторі R _В при проходженні струму І _В0 = І _С0  і прикладається до затвора завдяки гальванічному зв'язку через резистор R _З. Резистор R _З, окрім забезпечення напруги зміщення затвора, використовується також для температурної стабілізації режиму роботи підсилювача за постійним струмом. Для того, щоб на резисторі R _В не виділялася змінна складова напруги, його шунтують конденсатором С_В і таким чином забезпечують незміність коефіцієнта підсилення каскаду. Опір конденсатора С_В  на найнижчій частоті сигналу повинен бути набагато більшим від опору резистора R _В, який визначають за виразом R _В = U _З0/І _С0 ,

 де  U _З0 , І _С0  - напруга затвора і струм стоку при відсутності вхідного сигналу.

Ємність конденсатора вибирається за умови С_В = 10…20/ ( 2π f_min R _В),                   де f_min  - найнижча частота вхідного сигналу.

Зворотні зв'язки в підсилювачах.

Для більш стійкої роботи чи зміни режиму підсилювача використовують зворотний зв'язок, тобто частину вихідного сигналу (або весь сигнал) подають знову на вхід (рис.3.6). Такий зв'язок утворюють спеціально шляхом уведення в схему підсилювача ланки зворотного зв'язку. В цьому випадку на вхід підсилювача подається напруга

u _вх.п = u _вх ± u _зв.з ,

де u _зв.з = β∙ u _вих – напруга зворотного зв'язку, β – передатний коефіцієнт ланки зворотного зв'язку.

Рисунок 3.6 – Структурна схема підсилювача зі зворотним зв'язком

 

Знак напруги u _зв.з визначається схемною реалізацією ланки зворотного зв'язку. Якщо u _зв.з брати зі знаком «+», то вона підсилює вхідну напругу і такий зв'язок називається додатним, якщо ж u _зв.з брати зі знаком «-», то вона зменшує вхідну напругу, а сам зв'язок називається від'ємним. Крім цього, зворотні зв'язки поділяють на зв'язки за напругою (u _зв.з = βu _вих) і за струмом (u _зв.з = R _зв ∙ і _вих).

Наяність зворотного зв'язку суттєво впливає на коефіцієнт підсилення підсилювача. В цьому випадку він буде визначатись за виразом

К_п = К / (1±β∙К),

де К – коефіцієнт підсилення підсилювача без ланки ЗЗ. Знак «+» відповідає від'ємному, а знак «-» - додатному зворотному зв'язку.

В режимі підсилення електричних сигналів використовується від'ємний зворотний зв'язок. При цьому він забезпечує незмінність коефіцієнта підсилення при зміні параметрів транзисторів, а також понижує рівень спотворень.

Наявність додатного зворотного зв'язку змінює режим і підсилювач переходить в режим генерування сигналів.

 

Операційний підсилювач (ОП) – це багатокаскадний підсилювач із двома входами: прямим і інвертувальним (диференційним входом) і одним виходом, схемне зображення якого подане на рис. 3.7,а. Основною його характеристикою є великий коефіцієнт підсилення за напругою (К _{u оп} →∞).

Рисунок 3.7 – Графічне зображення (а) та передатна характеристика ОП (б)

До структури ОП (рис.3.8) входять вхідний симетричний диференційний каскад (зменшує дрейф нуля і має два входи: інвертувальний (u _вх1) і неінвертувальний, або прямий (u _вх2)), несиметричний диференційний каскад (здійснює підсилення сигналу) й емітерний поворювач (забезпечує потужність вихідного сигналу). ОП характеризуються великим вхідним опором (R _ВХ →∞), і малим вихідним опором (R _ВИХ →0).

До основних параметрів ОП відносять:

- К_U – коефіцієнт підсилення за напругою;

- К_P - коефіцієнт підсилення за потужністю;

- U_{вих.макс} – максимальне значення вихідної напруги;

- f_Н - нижню граничну частоту сигналу, що підсилюється;

- R _вх - вхідний опір;

- R _вих - вихідний опір.

Рисунок 3.8 – Структурна схема ОП

Важливою для ОП є передатна характеристика u _вих = f (u _вх ) (рис.3.7,б). Оскільки підсилювач має два входи (прямий та інвертувальний), то ця характеристика відображає роботу ОП при поданні сигналу на кожний вхід окремо. Горизонтальні ділянки характеристики відповідають режиму відкритого або закритого стану транзистора вихідного каскаду. При цьому величина вихідного сигналу обмежується максимальним значенням напруги на виході ОП додатного (U ⁺ _{вих.макс}) чи (U ^- _{вих.макс}) значення, яка досягає (0,9…0,95) напруги живлення. На цих ділянках зміна вхідного сигналу не буде викликати зміни вихідного сигналу, тобто напруга на виході буде залишатись сталою.

На похилих ділянках характеристики величина вихідної напруги буде визначатися коефіцієнтом підсилення

К _{U ОП} = Δ u _вих / Δ u _вх

 У випадку наявності сигналів на обох входах ОП, його вхідна напруга визначатиметься алгебрічною сумою напруг на цих входах

 Δ u _вх = Δ u _вх2 - Δ u _вх1 .

В цьому випадку u _вих = К _{U ОП} (Δ u _вх2 - Δ u _вх1).

Під час розрахунку схем на базі ОП без великої похибки можна приймати, що К _{U ОП} = ∞, де К _{U ОП} - коефіцієнт підсилення за напругою ОП без зворотного зв'язку. При використанні ОП в схемах імпульсної техніки важливим є значення вихідної напруги. Оскільки в імпульсній техниці рівні вхідних сигналів є більші за ті значення, які відповідають лінійній ділянці передатної характеристики, то вихідна напруга ОП визначається додатним U ⁺ _{вих.макс} або від'ємним U ^- _{вих.макс} значеннями.

 

⇐ Предыдущая3456789101112Следующая ⇒

Поделиться: