Усилители - Краткое руководство

Каждые materialв природе обладает определенными свойствами. Эти свойства определяют поведение материалов. Материаловедение - это отрасль электроники, которая занимается изучением потоков электронов в различных материалах или пространствах, когда они подвергаются различным условиям.

Из-за перемешивания атомов в твердых телах вместо отдельных энергетических уровней будут образовываться полосы энергетических уровней. Эти плотно упакованные наборы энергетических уровней называютсяEnergy bands.

Типы материалов

Энергетическая зона, в которой присутствуют валентные электроны, называется Valence band, а зона, в которой находятся электроны проводимости, называется Conduction band. Энергетическая щель между этими двумя зонами называетсяForbidden energy gap.

С точки зрения электроники материалы широко классифицируются как изоляторы, полупроводники и проводники.

• Insulators- Изоляторы - это такие материалы, в которых не может иметь место проводимость из-за большого запрещенного зазора. Примеры: дерево, резина.

• Semiconductors- Полупроводники - это такие материалы, в которых запрещенная энергетическая щель мала, а проводимость происходит при приложении некоторой внешней энергии. Примеры: кремний, германий.

• Conductors- Проводники - это такие материалы, в которых запрещенная энергетическая щель исчезает, поскольку валентная зона и зона проводимости становятся очень близкими, так что они перекрываются. Примеры: медь, алюминий.

Из всех трех изоляторы используются там, где требуется электрическое сопротивление, а проводники используются там, где проводимость должна быть высокой. Полупроводники - это те, которые вызывают особый интерес к тому, как они используются.

Полупроводники

А Semiconductorэто вещество, удельное сопротивление которого находится между проводниками и изоляторами. Свойство удельного сопротивления - не единственное, которое определяет материал как полупроводник, но оно имеет несколько следующих свойств.

• Полупроводники имеют удельное сопротивление меньше, чем изоляторы, и больше, чем проводники.

• Полупроводники имеют отрицательный температурный коэффициент. Сопротивление полупроводников увеличивается с понижением температуры и наоборот.

• Проводящие свойства полупроводника изменяются, когда к нему добавляется подходящая металлическая примесь, что является очень важным свойством.

Полупроводниковые приборы широко используются в области электроники. Транзистор заменил громоздкие электронные лампы, благодаря чему размер и стоимость устройств уменьшились, и эта революция продолжала расти, что привело к появлению новых изобретений, таких как интегрированная электроника. Полупроводники можно классифицировать, как показано ниже.

Полупроводник в его исключительно чистой форме называется intrinsic semiconductor. Но проводимость этой чистой формы слишком мала. Чтобы увеличить проводимость собственного полупроводника, лучше добавить некоторые примеси. Этот процесс добавления примесей называетсяDoping. Теперь этот легированный собственный полупроводник называетсяExtrinsic Semiconductor.

Добавляемые примеси обычно pentavalent и trivalentпримеси. В зависимости от этих типов примесей проводится другая классификация. Когдаpentavalent примесь добавляется в чистый полупроводник, он называется N-type extrinsic Semiconductor. Также, когдаtrivalent примесь добавляется в чистый полупроводник, он называется P-type extrinsic Semiconductor.

PN переход

Когда электрон движется со своего места, говорят, что там образуется дыра. Итак, дырка - это отсутствие электрона. Если говорится, что электрон перемещается с отрицательной клеммы на положительную, это означает, что отверстие перемещается с положительной клеммы на отрицательную.

Вышеупомянутые материалы являются основой полупроводниковой техники. ВN-type материал, образованный добавлением пятивалентных примесей, имеет electrons as its majority carriersи дыры как неосновные носители. В то время какP-type материал, образованный добавлением трехвалентных примесей, имеет holes as its majority carriers и электроны как неосновные носители.

Давайте попробуем понять, что происходит, когда материалы P и N соединяются вместе.

Если материал P-типа и N-типа поднести близко друг к другу, они оба соединятся, образуя соединение, как показано на рисунке ниже.

Материал P-типа имеет holes как majority carriers и материал N-типа имеет electrons как majority carriers. По мере притяжения противоположных зарядов небольшое количество дырок в P-типе стремится перейти на n-сторону, тогда как небольшое количество электронов в N-типе стремится перейти на P-сторону.

Когда они оба движутся к стыку, дырки и электроны рекомбинируют друг с другом, чтобы нейтрализовать и образовывать ионы. Теперь в этом переходе существует область, где образуются положительные и отрицательные ионы, называемаяPN junction или переходной барьер, как показано на рисунке.

Образование отрицательных ионов на стороне P и положительных ионов на стороне N приводит к образованию узких заряженных областей по обе стороны от PN-перехода. Эта область теперь свободна от подвижных носителей заряда. Присутствующие здесь ионы были неподвижными и сохраняли пространство между собой без каких-либо носителей заряда.

Поскольку эта область действует как барьер между материалами типа P и N, ее также называют Barrier junction. У этого есть другое имя, называемоеDepletion regionэто означает, что он истощает оба региона. В переходе возникает разность потенциалов V _D из-за образования ионов, называемаяPotential Barrierтак как предотвращает дальнейшее движение дырок и электронов через переход. Это образование называетсяDiode.

Смещение диода

Когда диод или любые два оконечных компонента соединены в цепи, он имеет два смещенных состояния с данным источником питания. Они естьForward biased состояние и Reverse biased состояние.

Условие смещения вперед

Когда диод включен в цепь, его anode to the positive терминал и cathode to the negative клемму питания, то такое подключение называется forward biased состояние.

Такое соединение делает схему все более смещенной вперед и способствует большей проводимости. Диод хорошо проводит в состоянии прямого смещения.

Обратное смещенное условие

Когда диод включен в цепь, его anode to the negative терминал и cathode to the positive клемму питания, то такое подключение называется Reverse biased состояние.

Такое соединение делает схему все более и более смещенной в обратном направлении и помогает минимизировать и предотвратить проводимость. Диод не может проводить в условиях обратного смещения.

С приведенной выше информацией у нас теперь есть хорошее представление о том, что такое PN-переход. Обладая этими знаниями, давайте продолжим и узнаем о транзисторах в следующей главе.

Зная подробности об одном PN-переходе или просто диоде, давайте попробуем перейти к соединению с двумя PN-переходами. Если к одному PN-переходу добавить другой материал P-типа или материал N-типа, будет сформирован другой переход. Такое образование просто называютTransistor.

А Transistor представляет собой трехконтактное полупроводниковое устройство, которое регулирует ток или напряжение и действует как переключатель или затвор для сигналов.

Использование транзистора

• Транзистор действует как an Amplifier, где необходимо увеличить мощность сигнала.

• Транзистор также действует как switch выбирать между доступными вариантами.

• Это также regulates входящий current and voltage сигналов.

Конструктивные детали транзистора

Транзистор представляет собой твердотельное устройство с тремя выводами, которое образовано путем соединения двух диодов друг за другом. Следовательно, он получилtwo PN junctions. Три вывода вытянуты из трех присутствующих в нем полупроводниковых материалов. Этот тип подключения предлагает два типа транзисторов. Они естьPNP и NPN что означает, что материал N-типа между двумя типами P, а другой - материал P-типа между двумя N-типами соответственно.

На следующем рисунке показана базовая конструкция транзисторов.

Три вывода транзистора указывают Emitter, Base и Collectorтерминалы. Их функции описаны ниже.

Эмиттер

• Левую часть показанной выше структуры можно понимать как Emitter.

• Это имеет moderate size и является heavily doped поскольку его основная функция заключается в supply номер majority carriers, т.е. либо электроны, либо дырки.

• Поскольку он испускает электроны, он называется эмиттером.

• Это просто обозначается буквой E.

База

• Средний материал на приведенном выше рисунке - это Base.

• Это thin и lightly doped.

• Его основная функция - pass большинство носителей от эмиттера до коллектора.

• Об этом свидетельствует буква B.

Коллектор

• Материал правой стороны на приведенном выше рисунке можно понимать как Collector.

• Его название подразумевает его функцию collecting the carriers.

• Это bit largerпо размеру, чем эмиттер и база. этоmoderately doped.

• Об этом свидетельствует буква C.

Обозначения транзисторов PNP и NPN показаны ниже.

В arrow-head на вышеприведенных рисунках указаны emitterтранзистора. Поскольку коллектор транзистора должен рассеивать гораздо большую мощность, его делают большим. Из-за специфических функций эмиттера и коллектора ониnot interchangeable. Следовательно, при использовании транзистора всегда следует помнить о клеммах.

В практическом транзисторе рядом с выводом эмиттера есть выемка для идентификации. Транзисторы PNP и NPN можно различить с помощью мультиметра. На следующем изображении показано, как выглядят разные практические транзисторы.

До сих пор мы обсуждали конструктивные детали транзистора, но, чтобы понять принцип работы транзистора, сначала нам нужно знать о смещении.

Смещение транзистора

Поскольку мы знаем, что транзистор представляет собой комбинацию двух диодов, у нас здесь два перехода. Поскольку между эмиттером и базой находится одно соединение, это называетсяEmitter-Base junction и аналогично, другой Collector-Base junction.

Biasingконтролирует работу схемы, обеспечивая источник питания. Функционирование обоих PN-переходов контролируется подачей смещения в схему через источник постоянного тока. На рисунке ниже показано смещение транзистора.

Глядя на приведенный выше рисунок, можно понять, что

• Материал N-типа имеет отрицательное питание, а материал P-типа - положительное питание, чтобы сделать цепь Forward bias.

• Материал N-типа обеспечивает положительное питание, а материал P-типа - отрицательное питание, чтобы сделать цепь Reverse bias.

Применяя силу, emitter base junction всегда forward biasedтак как сопротивление эмиттера очень маленькое. Вcollector base junction является reverse biasedи его сопротивление немного выше. На эмиттерном переходе достаточно небольшого прямого смещения, тогда как на коллекторном переходе должно быть приложено большое обратное смещение.

Направление тока, указанное в схемах выше, также называется Conventional Current, - движение дырочного тока, которое opposite to the electron current.

Работа транзистора PNP

Работу PNP-транзистора можно объяснить, взглянув на следующий рисунок, на котором переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база - в обратном направлении.

Напряжение V_EEобеспечивает положительный потенциал на эмиттере, который отталкивает дырки в материале P-типа, и эти дырки пересекают переход эмиттер-база, чтобы достичь базовой области. Там очень низкий процент дырок повторно объединяется со свободными электронами N-области. Это обеспечивает очень низкий ток, который составляет базовый ток.I_B. Остальные отверстия пересекают переход коллектор-база и составляют ток коллектора.I_C, который является током дырки.

Когда отверстие достигает клеммы коллектора, электрон с отрицательной клеммы аккумулятора заполняет пространство коллектора. Этот поток медленно увеличивается, и ток электронного меньшинства течет через эмиттер, где каждый электрон, попадающий на положительный выводV_EE, заменяется дыркой, двигаясь к эмиттерному переходу. Это составляет ток эмиттераI_E.

Следовательно, мы можем понять, что -

• Проводимость в транзисторе PNP осуществляется через отверстия.

• Коллекторный ток немного меньше эмиттерного.

• Увеличение или уменьшение тока эмиттера влияет на ток коллектора.

Работа транзистора NPN

Работу NPN-транзистора можно объяснить, взглянув на следующий рисунок, на котором переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база смещен в обратном направлении.

Напряжение V_EEсоздает отрицательный потенциал на эмиттере, который отталкивает электроны в материале N-типа, и эти электроны пересекают переход эмиттер-база, чтобы достичь базовой области. Там очень низкий процент электронов повторно объединяется со свободными дырками P-области. Это обеспечивает очень низкий ток, который составляет базовый ток.I_B. Остальные отверстия пересекают переход коллектор-база, образуя ток коллектора.I_C.

Когда электрон выходит из клеммы коллектора и входит в положительную клемму батареи, электрон из отрицательной клеммы батареи V_EEвходит в область эмиттера. Этот поток медленно увеличивается, и через транзистор течет электронный ток.

Следовательно, мы можем понять, что -

• В транзисторе NPN проводимость осуществляется через электроны.

• Ток коллектора выше, чем ток эмиттера.

• Увеличение или уменьшение тока эмиттера влияет на ток коллектора.

Преимущества транзисторов

Использование транзистора дает множество преимуществ, таких как:

• Усиление высокого напряжения.
• Достаточно более низкого напряжения питания.
• Наиболее подходит для приложений с низким энергопотреблением.
• Меньше и легче по весу.
• Механически прочнее электронных ламп.
• Не требуется внешнего нагрева, как у вакуумных ламп.
• Очень подходит для интеграции с резисторами и диодами для производства микросхем.

У них есть несколько недостатков, например, они не могут использоваться для приложений с высокой мощностью из-за меньшего рассеивания мощности. У них более низкий входной импеданс, и они зависят от температуры.

Любой транзистор имеет три вывода, emitter, то base, а collector. Используя эти 3 вывода, транзистор можно подключить в схему с одним общим выводом для входа и выхода в трех различных возможных конфигурациях.

Три типа конфигураций: Common Base, Common Emitter и Common Collectorконфигурации. В любой конфигурации эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный переход - в обратном.

Общая базовая конфигурация (CB)

Само название подразумевает, что Baseклемма принимается как общая клемма как для входа, так и для выхода транзистора. Общее базовое соединение для транзисторов NPN и PNP показано на следующем рисунке.

Для понимания рассмотрим транзистор NPN в конфигурации CB. Когда на эмиттер подается напряжение, так как он смещен в прямом направлении, электроны с отрицательного вывода отталкивают электроны эмиттера, и ток течет через эмиттер и базу к коллектору, внося вклад в ток коллектора. Напряжение коллектора V _{CB при} этом остается постоянным.

В конфигурации CB входным током является ток эмиттера. I_E а выходной ток - это ток коллектора I_C.

Текущий коэффициент усиления (α)

Отношение изменения тока коллектора (ΔI _C ) к изменению тока эмиттера (ΔI _E ), когда напряжение коллектора V _CB поддерживается постоянным, называетсяCurrent amplification factor. Обозначается онα.

$\alpha = \frac{\Delta I_C}{\Delta I_E}$при постоянном V _CB

Выражение для тока коллектора

Используя эту идею, давайте попробуем изобразить ток коллектора.

Наряду с протекающим током эмиттера существует некоторое количество базового тока. I_Bкоторый протекает через базовый терминал из-за рекомбинации электронных дырок. Поскольку переход коллектор-база имеет обратное смещение, возникает другой ток, протекающий из-за неосновных носителей заряда. Это ток утечки, который можно понимать какI_leakage. Это связано с неосновными носителями заряда и, следовательно, очень маленькими.

Ток эмиттера, который достигает клеммы коллектора, равен

$$\alpha I_E$$

Полный ток коллектора

$$I_C = \alpha I_E + I_{leakage}$$

Если напряжение эмиттер-база V _EB = 0, даже в этом случае протекает небольшой ток утечки, который можно обозначить как I _CBO (ток коллектор-база при открытом выходе).

Следовательно, ток коллектора можно выразить как

$$I_C = \alpha I_E + I_{CBO}$$

$$I_E = I_C + I_B$$

$$I_C = \alpha (I_C + I_B) + I_{CBO}$$

$$I_C (1 - \alpha) = \alpha I_B + I_{CBO}$$

$$I_C = \frac{\alpha}{1 - \alpha}I_B + \frac{I_{CBO}}{1 - \alpha}$$

$$I_C = \left ( \frac{\alpha}{1 - \alpha} \right )I_B + \left ( \frac{1}{1 - \alpha} \right )I_{CBO}$$

Следовательно, полученное выше выражение для тока коллектора. Величина тока коллектора зависит от тока базы и тока утечки, а также от коэффициента усиления этого транзистора.

Характеристики конфигурации CB

• Эта конфигурация обеспечивает усиление по напряжению, но без усиления по току.

• Поскольку V _{CB является} постоянным, при небольшом увеличении напряжения эмиттер-база V _EB ток эмиттера I _E увеличивается.

• Ток эмиттера I _E не зависит от напряжения коллектора V _CB .

• Напряжение коллектора V _CB может влиять на ток коллектора I _C только при низких напряжениях, когда V _EB поддерживается постоянным.

• Входное сопротивление R_iявляется отношением изменения напряжения эмиттер-база (ΔV _EB ) к изменению тока эмиттера (ΔI _E ) при постоянном напряжении базы коллектора V _CB .

$R_i = \frac{\Delta V_{EB}}{\Delta I_E}$при постоянном V _CB

• По мере того как входное сопротивление имеет очень низкое значение, малая величина V _EB достаточно для производства большого тока эмиттерного тока I _Е .

• Выходное сопротивление R_o- отношение изменения напряжения базы коллектора (ΔV _CB ) к изменению тока коллектора (ΔI _C ) при постоянном токе эмиттера IE.

$R_o = \frac{\Delta V_{CB}}{\Delta I_C}$при постоянном I _E

• Поскольку выходное сопротивление имеет очень высокое значение, большое изменение в V _CB производит очень небольшое изменение в ток коллектора I _C .

• Эта конфигурация обеспечивает хорошую устойчивость к повышению температуры.

• Конфигурация CB используется для высокочастотных приложений.

Конфигурация общего эмиттера (CE)

Само название подразумевает, что Emitterклемма принимается как общая клемма как для входа, так и для выхода транзистора. Подключение общего эмиттера для транзисторов NPN и PNP показано на следующем рисунке.

Как и в конфигурации CB, эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный переход - в обратном. Таким же образом регулируется и поток электронов. Входной ток - это базовый ток.I_B а выходной ток - это ток коллектора I_C Вот.

Коэффициент усиления базового тока (β)

Отношение изменения тока коллектора (ΔI _C ) к изменению тока базы (ΔI _B ) известно какBase Current Amplification Factor. Обозначается он β.

$$\beta = \frac{\Delta I_C}{\Delta I_B}$$

Связь между β и α

Попробуем найти связь между коэффициентом усиления тока базы и коэффициентом усиления тока эмиттера.

$$\beta = \frac{\Delta I_C}{\Delta I_B}$$

$$\alpha = \frac{\Delta I_C}{\Delta I_E}$$

$$I_E = I_B + I_C$$

$$\Delta I_E = \Delta I_B + \Delta I_C$$

$$\Delta I_B = \Delta I_E - \Delta I_C$$

Мы можем написать

$$\beta = \frac{\Delta I_C}{\Delta I_E - \Delta I_C}$$

Разделив на ΔI _E

$$\beta = \frac{\Delta I_C/\Delta I_E}{\frac{\Delta I_E}{\Delta I_E} - \frac{\Delta I_C}{\Delta I_E}}$$

У нас есть

$$\alpha = \Delta I_C / \Delta I_E$$

Следовательно,

$$\beta = \frac{\alpha}{1 - \alpha}$$

Из приведенного выше уравнения очевидно, что, когда α приближается к 1, β достигает бесконечности.

Следовательно, the current gain in Common Emitter connection is very high. Это причина того, что такое подключение схемы в основном используется во всех транзисторных приложениях.

Выражение для коллекторного тока

В конфигурации с общим эмиттером I _B - это входной ток, а I _C - выходной ток.

Мы знаем

$$I_E = I_B + I_C$$

И

$$I_C = \alpha I_E + I_{CBO}$$

$$= \alpha(I_B + I_C) + I_{CBO}$$

$$I_C(1 - \alpha) = \alpha I_B + I_{CBO}$$

$$I_C = \frac{\alpha}{1 - \alpha}I_B + \frac{1}{1 - \alpha}I_{CBO}$$

Если базовая цепь разомкнута, т.е. если I _B = 0,

Коллектор-эмиттер тока с открытой базой - _{генеральный директор}

$$I_{CEO} = \frac{1}{1 - \alpha}I_{CBO}$$

Подставляя значение этого в предыдущее уравнение, мы получаем

$$I_C = \frac{\alpha}{1 - \alpha}I_B + I_{CEO}$$

$$I_C = \beta I_B + I_{CEO}$$

Таким образом получается уравнение для тока коллектора.

Колено напряжение

В конфигурации CE, поддерживая постоянным базовый ток I _B , при изменении V _CE I _C увеличивается почти до 1 В от V _CE и после этого остается постоянным. Это значение V _CE, до которого ток коллектора I _C изменяется в зависимости от V _CE , называетсяKnee Voltage. Транзисторы, работая в конфигурации CE, работают с напряжением выше этого колена.

Характеристики конфигурации CE

• Эта конфигурация обеспечивает хорошее усиление по току и напряжению.

• При постоянном V _CE при небольшом увеличении V _BE базовый ток I _B увеличивается быстрее, чем в конфигурациях CB.

• При любом значении V _CE выше колена напряжения, я _С приблизительно равна βI _B .

• Входное сопротивление R_i- отношение изменения напряжения базы-эмиттера (ΔV _BE ) к изменению тока базы (ΔI _B ) при постоянном напряжении V _CE коллектора-эмиттера .

$R_i = \frac{\Delta V_{BE}}{\Delta I_B}$при постоянном V _CE

• По мере того как входное сопротивление имеет очень низкое значение, малая величина V _BE достаточно для производства большого тока базового тока I _B .

• Выходное сопротивление R_oэто отношение изменения в напряжение коллектор - эмиттер ( & Dgr ; v _СЕ ) к изменению тока коллектора ( & Dgr ; I _C ) при постоянном I _B .

$R_o = \frac{\Delta V_{CE}}{\Delta I_C}$при постоянном I _B

• Поскольку выходное сопротивление цепи CE меньше, чем у цепи CB.

• Эта конфигурация обычно используется для методов стабилизации смещения и приложений звуковой частоты.

Конфигурация общего коллектора (CC)

Само название подразумевает, что Collectorклемма принимается как общая клемма как для входа, так и для выхода транзистора. Подключение общего коллектора для транзисторов NPN и PNP показано на следующем рисунке.

Как и в конфигурациях CB и CE, эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный переход - в обратном. Таким же образом регулируется и поток электронов. Входной ток - это базовый ток.I_B а выходной ток - это ток эмиттера I_E Вот.

Текущий коэффициент усиления (γ)

Отношение изменения тока эмиттера (ΔI _E ) к изменению тока базы (ΔI _B ) известно какCurrent Amplification factorв конфигурации с общим коллектором (CC). Обозначается через γ.

$$\gamma = \frac{\Delta I_E}{\Delta I_B}$$

• Текущее усиление в конфигурации CC такое же, как и в конфигурации CE.
• Коэффициент усиления по напряжению в конфигурации CC всегда меньше 1.

Связь между γ и α

Попробуем установить связь между γ и α

$$\gamma = \frac{\Delta I_E}{\Delta I_B}$$

$$\alpha = \frac{\Delta I_C}{\Delta I_E}$$

$$I_E = I_B + I_C$$

$$\Delta I_E = \Delta I_B + \Delta I_C$$

$$\Delta I_B = \Delta I_E - \Delta I_C$$

Подставляя значение I _B , получаем

$$\gamma = \frac{\Delta I_E}{\Delta I_E - \Delta I_C}$$

Разделив на ΔI _E

$$\gamma = \frac{\Delta I_E / \Delta I_E}{\frac{\Delta I_E}{\Delta I_E} - \frac{\Delta I_C}{\Delta I_E}}$$

$$= \frac{1}{1 - \alpha}$$

$$\gamma = \frac{1}{1 - \alpha}$$

Выражение для тока коллектора

Мы знаем

$$I_C = \alpha I_E + I_{CBO}$$

$$I_E = I_B + I_C = I_B + (\alpha I_E + I_{CBO})$$

$$I_E(1 - \alpha) = I_B + I_{CBO}$$

$$I_E = \frac{I_B}{1 - \alpha} + \frac{I_{CBO}}{1 - \alpha}$$

$$I_C \cong I_E = (\beta + 1)I_B + (\beta + 1)I_{CBO}$$

Выше приведено выражение для тока коллектора.

Характеристики конфигурации CC

• Эта конфигурация обеспечивает усиление по току, но без усиления по напряжению.

• В конфигурации CC входное сопротивление высокое, а выходное сопротивление низкое.

• Коэффициент усиления по напряжению, обеспечиваемый этой схемой, меньше 1.

• Сумма тока коллектора и тока базы равна току эмиттера.

• Входной и выходной сигналы синфазны.

• Эта конфигурация работает как неинвертирующий выход усилителя.

• Эта схема в основном используется для согласования импеданса. Это означает, что нужно управлять нагрузкой с низким импедансом от источника с высоким импедансом.

Источник постоянного тока предназначен для работы транзистора. Этот источник постоянного тока подается на два PN-перехода транзистора, который влияет на действия основных носителей в этих переходах эмиттера и коллектора.

Переходы имеют прямое смещение и обратное смещение в соответствии с нашими требованиями. Forward biased это условие, при котором положительное напряжение приложено к материалу p-типа, а отрицательное напряжение приложено к материалу n-типа. Reverse biased это условие, при котором положительное напряжение приложено к материалу n-типа, а отрицательное напряжение приложено к материалу p-типа.

Смещение транзистора

Подача подходящего внешнего постоянного напряжения называется biasing. На эмиттерный и коллекторный переходы транзистора подается прямое или обратное смещение.

Эти методы смещения заставляют транзисторную схему работать в четырех областях, таких как Active region, Saturation region, Cutoff region и Inverse active region(редко используемый). Это можно понять, взглянув на следующую таблицу.

Эмиттер переход	Коллекторный узел	Регион работы
Смещен в прямом направлении	Смещен в прямом направлении	Область насыщенности
Смещен в прямом направлении	Обратное смещение	Активный регион
Обратное смещение	Смещен в прямом направлении	Обратная активная область
Обратное смещение	Обратное смещение	Отрезанная область

Среди этих областей обратная активная область, которая является просто противоположной активной области, не подходит для каких-либо приложений и, следовательно, не используется.

Активная область

Это область, в которой транзисторы находят множество применений. Это также называетсяlinear region. Транзистор в этой области лучше действует какAmplifier.

На следующей принципиальной схеме показан транзистор, работающий в активной области.

Эта область находится между насыщением и отсечкой. Транзистор работает в активной области, когда эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный переход - в обратном.

В активном состоянии ток коллектора в β раз больше тока базы, т. Е.

$$I_C = \beta I_B$$

Где I _C = ток коллектора, β = коэффициент усиления тока и I _B = ток базы.

Область насыщенности

Это область, в которой транзистор имеет тенденцию вести себя как замкнутый переключатель. Транзистор закорачивает коллектор и эмиттер. Коллекторный и эмиттерный токи в этом режиме работы максимальны.

На следующем рисунке показан транзистор, работающий в области насыщения.

Транзистор работает в области насыщения, когда эмиттерный и коллекторный переходы смещены в прямом направлении.

В режиме насыщения

$$\beta < \frac{I_C}{I_B}$$

Поскольку в области насыщения транзистор имеет тенденцию вести себя как закрытый ключ,

$$I_C = I_E$$

Где I _C = ток коллектора и I _E = ток эмиттера.

Cutoff Region

Это область, в которой транзистор имеет тенденцию вести себя как открытый переключатель. Транзистор открывает коллектор и базу. В этом режиме работы токи коллектора, эмиттера и базы равны нулю.

На рисунке ниже показан транзистор, работающий в области отсечки.

Транзистор работает в режиме отсечки, когда и эмиттерный, и коллекторный переходы имеют обратное смещение.

Поскольку в области отсечки ток коллектора, ток эмиттера и токи базы равны нулю, мы можем записать как

$$I_C = I_E = I_B = 0$$

Где I _C = ток коллектора, I _E = ток эмиттера и I _B = ток базы.

До сих пор мы обсуждали различные области работы транзистора. Но среди всех этих областей мы обнаружили, что транзистор хорошо работает в активной области, и поэтому его также называютlinear region. Выходы транзистора - это ток коллектора и напряжения коллектора.

Выходные характеристики

Когда рассматриваются выходные характеристики транзистора, кривая для различных входных значений выглядит так, как показано ниже.

На приведенном выше рисунке выходные характеристики показаны между током коллектора I_C и напряжение коллектора V_CE для разных значений базового тока I_B. Здесь они рассматриваются для разных входных значений, чтобы получить разные выходные кривые.

Линия нагрузки

Когда рассматривается значение максимально возможного тока коллектора, эта точка будет присутствовать на оси Y, которая представляет собой не что иное, как Saturation point. Кроме того, когда рассматривается значение максимально возможного напряжения коллектор-эмиттер, эта точка будет присутствовать на оси X, которая являетсяCutoff point.

Когда проводится линия, соединяющая эти две точки, такую ​​линию можно назвать Load line. Это так и называется, так как символизирует выход при нагрузке. Эта линия, проведенная по кривой выходной характеристики, соприкасается с точкой, называемойOperating point или же quiescent point или просто Q-point.

Понятие грузовой марки можно понять из следующего графика.

Линия нагрузки проводится путем соединения точек насыщения и отсечки. Область, которая находится между этими двумя, - этоlinear region. Транзистор действует как хороший усилитель в этой линейной области.

Если эта линия нагрузки нарисована только тогда, когда на транзистор подается постоянное смещение, но no input подается сигнал, то такая линия нагрузки называется DC load line. В то время как линия нагрузки, проведенная в условиях, когдаinput signal наряду с постоянным напряжением такая линия называется AC load line.

Линия нагрузки постоянного тока

Когда на транзистор подается напряжение смещения и на его вход не подается сигнал, линию нагрузки, нарисованную в таких условиях, можно понимать как DCсостояние. Здесь не будет усиления, так какsignal is absent. Схема будет такой, как показано ниже.

Значение напряжения коллектор-эмиттер в любой момент времени будет

$$V_{CE} = V_{CC} - I_C R_C$$

Поскольку V _CC и R _C являются фиксированными значениями, приведенное выше уравнение является уравнением первой степени и, следовательно, будет прямой линией на выходных характеристиках. Эта линия называетсяD.C. Load line. На рисунке ниже показана линия нагрузки постоянного тока.

Чтобы получить линию нагрузки, необходимо определить две конечные точки прямой. Пусть эти две точки будут A и B.

Чтобы получить A

Когда напряжение коллектор - эмиттер V _CE = 0, ток коллектора максимален и равен V _CC / R _C . Это дает максимальное значение V _CE . Это показано как

$$V_{CE} = V_{CC} - I_C R_C$$

$$0 = V_{CC} - I_C R_C$$

$$I_C = V_{CC}/R_C$$

Это дает точку A (OA = V _CC / R _C ) на оси тока коллектора, показанную на рисунке выше.

Чтобы получить B

Когда ток коллектора I _C = 0, то напряжение коллектора-эмиттера максимальное и будет равно V _CC . Это дает максимальное значение I _C . Это показано как

$$V_{CE} = V_{CC} - I_C R_C$$

$$= V_{CC}$$

(AS I _C = 0)

Это дает точку B, которая означает (OB = V _CC ) на оси напряжения коллектор-эмиттер, показанной на рисунке выше.

Таким образом, мы определили как точку насыщения, так и точку отсечки, и узнали, что линия нагрузки является прямой линией. Итак, можно нарисовать линию нагрузки постоянного тока.

Линия нагрузки переменного тока

Линия нагрузки постоянного тока, обсуждавшаяся ранее, анализирует изменение токов и напряжений коллектора, когда напряжение переменного тока не подается. В то время как линия нагрузки переменного тока дает размах напряжения или максимально возможный размах выходного сигнала для данного усилителя.

Мы рассмотрим эквивалентную схему переменного тока усилителя CE для нашего понимания.

Из рисунка выше

$$V_{CE} = (R_C // R_1) \times I_C$$

$$r_C = R_C // R_1$$

Чтобы транзистор работал как усилитель, он должен оставаться в активной области. Точка покоя выбирается таким образом, чтобы максимальное отклонение входного сигнала было симметричным как для отрицательного, так и для положительного полупериодов.

Следовательно,

$V_{max} = V_{CEQ}$ и $V_{min} = -V_{CEQ}$

Где V _CEQ - напряжение эмиттер-коллектор в точке покоя.

На следующем графике представлена ​​линия нагрузки переменного тока, проведенная между точками насыщения и отсечки.

Из приведенного выше графика текущая IC в точке насыщения равна

$$I_{C(sat)} = I_{CQ} + (V_{CEQ}/r_C)$$

Напряжение V _CE в точке отсечки равно

$$V_{CE(off)} = V_{CEQ} + I_{CQ}r_C$$

Следовательно, максимальный ток для соответствующего V _CEQ = V _CEQ / (R _C // R ₁ ) равен

$$I_{CQ} = I_{CQ} * (R_C // R_1)$$

Следовательно, добавляя токи покоя, конечные точки линии нагрузки переменного тока становятся

$$I_{C(sat)} = I_{CQ} + V_{CEQ}/ (R_C // R_1)$$

$$V_{CE(off)} = V_{CEQ} + I_{CQ} * (R_C // R_1)$$

Линия нагрузки переменного и постоянного тока

Когда линии нагрузки переменного и постоянного тока представлены на графике, можно понять, что они не идентичны. Обе эти линии пересекаются вQ-point или же quiescent point. Конечные точки линии нагрузки переменного тока - это точки насыщения и отсечки. Это видно из рисунка ниже.

Из приведенного выше рисунка понятно, что точка покоя (темная точка) получается, когда значение базового тока IB составляет 10 мА. Это точка пересечения линий нагрузки переменного и постоянного тока.

В следующей главе мы обсудим концепцию quiescent point или operating point в деталях.

Когда проводится линия, соединяющая точки насыщения и отсечки, такую ​​линию можно назвать Load line. Эта линия, проведенная по кривой выходной характеристики, соприкасается с точкой, называемойOperating point.

Эта рабочая точка также называется quiescent point или просто Q-point. Таких точек пересечения может быть много, но точка Q выбрана таким образом, что независимо от размаха сигнала переменного тока транзистор остается в активной области.

На следующем графике показано, как представить рабочую точку.

Рабочая точка не должна нарушаться, так как она должна оставаться стабильной для достижения точного усиления. Следовательно, точка покоя или Q-точка - это значение, при которомFaithful Amplification Достигнут.

Верное усиление

Процесс увеличения мощности сигнала называется Amplification. Такое усиление, когда оно выполняется без каких-либо потерь в компонентах сигнала, называетсяFaithful amplification.

Faithful amplificationэто процесс получения полных частей входного сигнала путем увеличения мощности сигнала. Это происходит, когда на его вход подается сигнал переменного тока.

На приведенном выше графике подаваемый входной сигнал полностью усиливается и воспроизводится без потерь. Это можно понимать какFaithful Amplification.

The operating point is so chosen such that it lies in the active region and it helps in the reproduction of complete signal without any loss.

If the operating point is considered near saturation point, then the amplification will be as under.

If the operation point is considered near cut off point, then the amplification will be as under.

Hence the placement of operating point is an important factor to achieve faithful amplification. But for the transistor to function properly as an amplifier, its input circuit (i.e., the base-emitter junction) remains forward biased and its output circuit (i.e., collector-base junction) remains reverse biased.

The amplified signal thus contains the same information as in the input signal whereas the strength of the signal is increased.

Key factors for Faithful Amplification

To ensure faithful amplification, the following basic conditions must be satisfied.

• Proper zero signal collector current
• Minimum proper base-emitter voltage (V_BE) at any instant.
• Minimum proper collector-emitter voltage (V_CE) at any instant.

The fulfillment of these conditions ensures that the transistor works over the active region having input forward biased and output reverse biased.

Proper Zero Signal Collector Current

In order to understand this, let us consider a NPN transistor circuit as shown in the figure below. The base-emitter junction is forward biased and the collector-emitter junction is reverse biased. When a signal is applied at the input, the base-emitter junction of the NPN transistor gets forward biased for positive half cycle of the input and hence it appears at the output.

For negative half cycle, the same junction gets reverse biased and hence the circuit doesn’t conduct. This leads to unfaithful amplification as shown in the figure below.

Let us now introduce a battery V_BB in the base circuit. The magnitude of this voltage should be such that the base-emitter junction of the transistor should remain in forward biased, even for negative half cycle of input signal. When no input signal is applied, a DC current flows in the circuit, due to V_BB. This is known as zero signal collector current I_C.

During the positive half cycle of the input, the base-emitter junction is more forward biased and hence the collector current increases. During the negative half cycle of the input, the input junction is less forward biased and hence the collector current decreases. Hence both the cycles of the input appear in the output and hence faithful amplification results, as shown in the below figure.

Hence for faithful amplification, proper zero signal collector current must flow. The value of zero signal collector current should be at least equal to the maximum collector current due to the signal alone.

Proper Minimum V_BE at any instant

The minimum base to emitter voltage V_BE should be greater than the cut-in voltage for the junction to be forward biased. The minimum voltage needed for a silicon transistor to conduct is 0.7v and for a germanium transistor to conduct is 0.5v. If the base-emitter voltage V_BE is greater than this voltage, the potential barrier is overcome and hence the base current and collector currents increase sharply.

Hence if V_BE falls low for any part of the input signal, that part will be amplified to a lesser extent due to the resultant small collector current, which results in unfaithful amplification.

Proper Minimum V_CE at any instant

To achieve a faithful amplification, the collector emitter voltage V_CE should not fall below the cut-in voltage, which is called as Knee Voltage. If V_CE is lesser than the knee voltage, the collector base junction will not be properly reverse biased. Then the collector cannot attract the electrons which are emitted by the emitter and they will flow towards base which increases the base current. Thus the value of β falls.

Therefore, if V_CE falls low for any part of the input signal, that part will be multiplied to a lesser extent, resulting in unfaithful amplification. So if V_CE is greater than V_KNEE the collector-base junction is properly reverse biased and the value of β remains constant, resulting in faithful amplification.

For a transistor to act as an amplifier, it should be properly biased. We will discuss the need for proper biasing in the next chapter. Here, let us focus how a transistor works as an amplifier.

Transistor Amplifier

A transistor acts as an amplifier by raising the strength of a weak signal. The DC bias voltage applied to the emitter base junction, makes it remain in forward biased condition. This forward bias is maintained regardless of the polarity of the signal. The below figure shows how a transistor looks like when connected as an amplifier.

The low resistance in input circuit, lets any small change in input signal to result in an appreciable change in the output. The emitter current caused by the input signal contributes the collector current, which when flows through the load resistor R_L, results in a large voltage drop across it. Thus a small input voltage results in a large output voltage, which shows that the transistor works as an amplifier.

Example

Let there be a change of 0.1v in the input voltage being applied, which further produces a change of 1mA in the emitter current. This emitter current will obviously produce a change in collector current, which would also be 1mA.

A load resistance of 5kΩ placed in the collector would produce a voltage of

5 kΩ × 1 mA = 5V

Hence it is observed that a change of 0.1v in the input gives a change of 5v in the output, which means the voltage level of the signal is amplified.

Performance of Amplifier

As the common emitter mode of connection is mostly adopted, let us first understand a few important terms with reference to this mode of connection.

Input Resistance

As the input circuit is forward biased, the input resistance will be low. The input resistance is the opposition offered by the base-emitter junction to the signal flow.

By definition, it is the ratio of small change in base-emitter voltage (ΔV_BE) to the resulting change in base current (ΔI_B) at constant collector-emitter voltage.

Input resistance, $R_i = \frac{\Delta V_{BE}}{\Delta I_B}$

Where R_i = input resistance, V_BE = base-emitter voltage, and I_B = base current.

Output Resistance

The output resistance of a transistor amplifier is very high. The collector current changes very slightly with the change in collector-emitter voltage.

По определению, это отношение изменения напряжения коллектор-эмиттер (ΔV _CE ) к результирующему изменению тока коллектора (ΔI _C ) при постоянном токе базы.

Выходное сопротивление = $R_o = \frac{\Delta V_{CE}}{\Delta I_C}$

Где R _o = выходное сопротивление, V _CE = напряжение коллектор-эмиттер и I _C = напряжение коллектор-эмиттер.

Эффективная нагрузка коллектора

Нагрузка подключается к коллектору транзистора, а для однокаскадного усилителя выходное напряжение снимается с коллектора транзистора, а для многокаскадного усилителя оно же снимается с каскадных каскадов транзисторной схемы.

По определению, это полная нагрузка, определяемая током коллектора переменного тока. В случае одноступенчатых усилителей эффективная нагрузка коллектора представляет собой параллельную комбинацию R _C и R _o .

Эффективная нагрузка коллектора, $R_{AC} = R_C // R_o$

$$= \frac{R_C \times R_o}{R_C + R_o} = R_{AC}$$

Следовательно , для усилителя одноступенчатой, эффективная нагрузка равна коллекторной нагрузки R _C .

В многокаскадном усилителе (т.е. имеющем более одного каскада усиления) входное сопротивление R _i следующего каскада также учитывается.

Эффективная нагрузка коллектора становится параллельной комбинацией R _C , R _o и R _i, т.е.

Эффективная нагрузка коллектора, $R_{AC} = R_C // R_o // R_i$

$$R_C // R_i = \frac{R_C R_i}{R_C + R_i}$$

Поскольку входное сопротивление R _i довольно мало, эффективная нагрузка снижается.

Текущая прибыль

Коэффициент усиления по току, когда наблюдаются изменения входного и выходного токов, называется Current gain. По определению, это отношение изменения тока коллектора (ΔI _C ) к изменению тока базы (ΔI _B ).

Текущее усиление, $\beta = \frac{\Delta I_C}{\Delta I_B}$

Значение β находится в диапазоне от 20 до 500. Коэффициент усиления по току показывает, что входной ток становится в β раз больше тока коллектора.

Усиление напряжения

Коэффициент усиления по напряжению, когда наблюдаются изменения входного и выходного токов, называется Voltage gain. По определению, это отношение изменения выходного напряжения (ΔV _CE ) к изменению входного напряжения (ΔV _BE ).

Усиление напряжения, $A_V = \frac{\Delta V_{CE}}{\Delta V_{BE}}$

$$= \frac{Change \: in\: output \: current \times effective\: load}{Change \: in\: input \: current \times input \: resistance}$$

$$= \frac{\Delta I_C \times R_{AC}}{\Delta I_B \times R_i} = \frac{\Delta I_C}{\Delta I_B} \times \frac{R_{AC}}{R_i} = \beta \times \frac{R_{AC}}{R_i}$$

Для одного этапа, R _AC = R _C .

Однако для Multistage

$$R_{AC} = \frac{R_C \times R_i}{R_C + R_i}$$

Где R _i - входное сопротивление следующей ступени.

Увеличение мощности

Выигрыш по мощности при изменении входного и выходного токов называется Power gain.

По определению, это отношение мощности выходного сигнала к мощности входного сигнала.

Прирост мощности, $A_P = \frac{(\Delta I_C)^2 \times R_{AC}}{(\Delta I_B)^2 \times R_i}$

$$= \left ( \frac{\Delta I_C}{\Delta I_B} \right ) \times \frac{\Delta I_C \times R_{AC}}{\Delta I_B \times R_i}$$

= Усиление по току × усиление по напряжению

Следовательно, это все важные термины, которые относятся к характеристикам усилителей.

Смещение - это процесс подачи постоянного напряжения, которое помогает в работе схемы. Транзистор основан на прямом смещении эмиттерного базового перехода и обратном смещении коллекторного базового перехода, чтобы он оставался в активной области и работал как усилитель.

В предыдущей главе мы объяснили, как транзистор действует как хороший усилитель, если входная и выходная части смещены.

Смещение транзистора

Правильный протекание тока коллектора нулевого сигнала и поддержание надлежащего напряжения коллектора передатчика во время прохождения сигнала известно как Transistor Biasing. Схема, обеспечивающая смещение транзистора, называетсяBiasing Circuit.

Необходимость смещения постоянного тока

Если на вход BJT подается сигнал очень малого напряжения, его нельзя усилить. Поскольку для BJT, чтобы усилить сигнал, должны быть выполнены два условия.

• Входное напряжение должно превышать cut-in voltage чтобы транзистор был ON.

• BJT должен быть в active region, чтобы работать как amplifier.

Если соответствующие напряжения и токи постоянного тока подаются через BJT от внешних источников, так что BJT работает в активной области и накладывает сигналы переменного тока для усиления, то этой проблемы можно избежать. Заданные постоянное напряжение и токи выбираются таким образом, чтобы транзистор оставался в активной области в течение всего входного цикла переменного тока. Следовательно, требуется смещение постоянного тока.

На рисунке ниже показан транзисторный усилитель, на входной и выходной цепи которого предусмотрено смещение постоянного тока.

Чтобы транзистор работал как надежный усилитель, его рабочая точка должна быть стабилизирована. Давайте посмотрим на факторы, влияющие на стабилизацию рабочей точки.

Факторы, влияющие на рабочую точку

Основным фактором, влияющим на рабочую точку, является температура. Рабочая точка смещается из-за изменения температуры.

При повышении температуры значения I _CE , β, V _BE изменяются.

• I _CBO удваивается (за каждые 10 ^o подъема)
• V _BE уменьшается на 2,5 мВ (на каждые 1 ^o повышения)

Итак, основная проблема, которая влияет на рабочую точку, - это температура. Следовательно, рабочая точка должна быть независимой от температуры для достижения стабильности. Для этого вводятся схемы смещения.

Стабилизация

Процесс обеспечения независимости рабочей точки от изменений температуры или параметров транзистора известен как Stabilization.

По достижении стабилизации значения I _C и V _CE становятся независимыми от изменений температуры или замены транзистора. Хорошая схема смещения помогает в стабилизации рабочей точки.

Потребность в стабилизации

Стабилизация рабочей точки должна быть достигнута по следующим причинам.

• Температурная зависимость I _C
• Индивидуальные вариации
• Тепловой разгон

Давайте разберемся с этими концепциями подробно.

Температурная зависимость I _C

Поскольку выражение для тока коллектора I _C имеет вид

$$I_C = \beta I_B + I_{CEO}$$

$$= \beta I_B + (\beta + 1) I_{CBO}$$

На ток утечки коллектора I _CBO сильно влияют колебания температуры. Чтобы выйти из этого, условия смещения устанавливаются так, чтобы ток коллектора нулевого сигнала I _C = 1 мА. Следовательно, необходимо стабилизировать рабочую точку, т.е. необходимо поддерживать постоянное значение I _C.

Индивидуальные вариации

Поскольку значение β и значение V _BE не одинаковы для каждого транзистора, при каждой замене транзистора рабочая точка имеет тенденцию к изменению. Следовательно, необходимо стабилизировать рабочую точку.

Термический побег

Поскольку выражение для тока коллектора I _C имеет вид

$$I_C = \beta I_B + I_{CEO}$$

$$= \beta I_B + (\beta + 1)I_{CBO}$$

Поток коллекционного тока, а также ток утечки коллектора вызывают рассеивание тепла. Если рабочая точка не стабилизирована, возникает кумулятивный эффект, который увеличивает рассеяние тепла.

Саморазрушение такого нестабилизированного транзистора известно как Thermal run away.

Чтобы избежать thermal runawayи разрушение транзистора, необходимо стабилизировать рабочую точку, т. е. поддерживать постоянным I _C.

Фактор стабильности

Понятно, что I _C следует поддерживать постоянным, несмотря на изменения I _CBO или I _CO . Степень, в которой схема смещения успешно поддерживает это, измеряетсяStability factor. Он обозначаетсяS.

По определению, скорость изменения тока коллектора I _C относительно тока утечки коллектора I _CO при постоянных β и I _B называетсяStability factor.

$S = \frac{d I_C}{d I_{CO}}$при постоянных I _B и β

Следовательно, мы можем понять, что любое изменение тока утечки коллектора в значительной степени изменяет ток коллектора. Коэффициент стабильности должен быть как можно более низким, чтобы не влиять на ток коллектора. S = 1 - идеальное значение.

Общее выражение фактора стабильности для конфигурации CE можно получить, как показано ниже.

$$I_C = \beta I_B + (\beta + 1)I_{CO}$$

Дифференцируя вышеприведенное выражение относительно I _C , получаем

$$1 = \beta \frac{d I_B}{d I_C} + (\beta + 1)\frac{d I_{CO}}{dI_C}$$

Или же

$$1 = \beta \frac{d I_B}{d I_C} + \frac{(\beta + 1)}{S}$$

поскольку $\frac{d I_{CO}}{d I_C} = \frac{1}{S}$

Или же

$$S = \frac{\beta + 1}{1 - \beta \left (\frac{d I_B}{d I_C} \right )}$$

Следовательно, коэффициент устойчивости S зависит от р, я _Б и я _С .

Смещение в транзисторных схемах осуществляется с помощью двух источников постоянного тока V _BB и V _CC . Экономично свести к минимуму источник постоянного тока до одного источника вместо двух, что также упрощает схему.

Обычно используемые методы смещения транзисторов:

• Метод базового резистора
• Смещение коллектора к базе
• Смещение резистором обратной связи коллектора
• Смещение делителя напряжения

Все эти методы имеют один и тот же основной принцип получения требуемого значения I _B и I _C из V _CC в условиях нулевого сигнала.

Метод базового резистора

В этом методе резистор R _B с высоким сопротивлением подключается к базе, как следует из названия. Требуется базовый ток нулевого сигнала обеспечивается V _CC , которая протекает через R _B . Переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, так как база положительна по отношению к эмиттеру.

Требуемое значение базового тока нулевого сигнала и, следовательно, ток коллектора (как I _C = βI _B ) можно заставить течь, выбрав надлежащее значение базового резистора RB. Следовательно, необходимо знать значение R _B. На рисунке ниже показано, как выглядит схема смещения с помощью базового резистора.

Пусть I _C будет требуемым током коллектора нулевого сигнала. Следовательно,

$$I_B = \frac{I_C}{\beta}$$

Рассматривая замкнутую цепь от V _CC , базы, эмиттера и земли, применяя закон напряжения Кирхгофа, мы получаем,

$$V_{CC} = I_B R_B + V_{BE}$$

Или же

$$I_B R_B = V_{CC} - V_{BE}$$

Следовательно

$$R_B = \frac{V_{CC} - V_{BE}}{I_B}$$

Поскольку V _BE обычно довольно мало по сравнению с V _CC , первым можно пренебречь с небольшой ошибкой. Потом,

$$R_B = \frac{V_{CC}}{I_B}$$

Мы знаем, что V _CC - фиксированная известная величина, а I _B выбрана с некоторым подходящим значением. Поскольку R _B можно найти напрямую, этот метод называетсяfixed bias method.

Фактор устойчивости

$$S = \frac{\beta + 1}{1 - \beta \left ( \frac{d I_B}{d I_C} \right )}$$

В методе смещения с фиксированным смещением I _B не зависит от I _C, так что,

$$\frac{d I_B}{d I_C} = 0$$

Подставляя указанное выше значение в предыдущее уравнение,

Фактор устойчивости, $S = \beta + 1$

Таким образом, коэффициент устойчивости при фиксированном смещении равен (β + 1), что означает, что I _C изменяется в (β + 1) раз больше, чем любое изменение I _CO .

Преимущества

• Схема простая.
• Требуется только один резистор R _E.
• Условия смещения устанавливаются легко.
• Нет эффекта нагрузки, поскольку на переходе база-эмиттер отсутствует резистор.

Недостатки

• Стабилизация плохая, выделение тепла невозможно остановить.

• Коэффициент устойчивости очень высокий. Таким образом, высока вероятность теплового побега.

Следовательно, этот метод используется редко.

Смещение коллектора к базе

Схема смещения коллектор-база такая же, как и схема смещения базы, за исключением того, что резистор базы R _B возвращается к коллектору, а не к источнику питания V _CC, как показано на рисунке ниже.

Эта схема помогает значительно улучшить стабильность. Если значение I _C увеличивается, напряжение на R _L увеличивается, и, следовательно, V _CE также увеличивается. Это , в свою очередь , уменьшает ток базы I _B . Это действие несколько компенсирует первоначальное увеличение.

Требуемое значение R _B, необходимое для получения нулевого сигнала коллектора тока I _C, можно рассчитать следующим образом.

Падение напряжения на R _L будет

$$R_L = (I_C + I_B)R_L \cong I_C R_L$$

Из рисунка,

$$I_C R_L + I_B R_B + V_{BE} = V_{CC}$$

Или же

$$I_B R_B = V_{CC} - V_{BE} - I_C R_L$$

Следовательно

$$R_B = \frac{V_{CC} - V_{BE} - I_C R_L}{I_B}$$

Или же

$$R_B = \frac{(V_{CC} - V_{BE} - I_C R_L)\beta}{I_C}$$

Применяя КВЛ мы имеем

$$(I_B + I_C)R_L + I_B R_B + V_{BE} = V_{CC}$$

Или же

$$I_B(R_L + R_B) + I_C R_L + V_{BE} = V_{CC}$$

Следовательно

$$I_B = \frac{V_{CC} - V_{BE} - I_C R_L}{R_L + R_B}$$

Поскольку V _BE почти не зависит от тока коллектора, мы получаем

$$\frac{d I_B}{d I_C} = - \frac{R_L}{R_L + R_B}$$

Мы знаем это

$$S = \frac{1 + \beta}{1 - \beta (d I_B / d I_C)}$$

Следовательно

$$S = \frac{1 + \beta}{1 + \beta \left ( \frac{R_L}{R_L + R_B} \right )}$$

Это значение меньше, чем (1 + β), которое получается для цепи фиксированного смещения. Таким образом, наблюдается улучшение стабильности.

Эта схема обеспечивает отрицательную обратную связь, которая снижает коэффициент усиления усилителя. Таким образом, повышенная устойчивость цепи коллектора к базе смещения достигается за счет увеличения переменного напряжения.

Смещение с помощью резистора обратной связи коллектора

В этом методе базовый резистор R _B одним концом подключен к базе, а другой - к коллектору, как следует из его названия. В этой схеме базовый ток нулевого сигнала определяется V _CB, но не V _CC .

Совершенно очевидно , что V _СВ вперед смещает база-эмиттер и , следовательно , ток базы I _B протекает через R _B . Это заставляет ток коллектора нулевого сигнала течь в цепи. На рисунке ниже показано смещение со схемой резистора обратной связи коллектора.

Требуемое значение R _B, необходимое для получения тока I _C нулевого сигнала, можно определить следующим образом.

$$V_{CC} = I_C R_C + I_B R_B + V_{BE}$$

Или же

$$R_B = \frac{V_{CC} - V_{BE} - I_C R_C}{I_B}$$

$$= \frac{V_{CC} - V_{BE} - \beta I_B R_C}{I_B}$$

поскольку $I_C = \beta I_B$

В качестве альтернативы,

$$V_{CE} = V_{BE} + V_{CB}$$

Или же

$$V_{CB} = V_{CE} - V_{BE}$$

поскольку

$$R_B = \frac{V_{CB}}{I_B} = \frac{V_{CE} - V_{BE}}{I_B}$$

где

$$I_B = \frac{I_C}{\beta}$$

Математически,

Фактор устойчивости, $S < (\beta + 1)$

Следовательно, этот метод обеспечивает лучшую термическую стабильность, чем фиксированное смещение.

Значения точки Q для схемы показаны как

$$I_C = \frac{V_{CC} - V_{BE}}{R_B/ \beta + R_C}$$

$$V_{CE} = V_{CC} - I_C R_C$$

Преимущества

• Схема проста, нужен только один резистор.
• Эта схема обеспечивает некоторую стабилизацию для меньших изменений.

Недостатки

• Схема не обеспечивает хорошей стабилизации.
• Схема дает отрицательную обратную связь.

Метод смещения делителя напряжения

Среди всех методов обеспечения смещения и стабилизации voltage divider bias methodсамый известный. Здесь используются два резистора R ₁ и R ₂ , которые подключены к V _CC и обеспечивают смещение. Используемый в эмиттере резистор R _E обеспечивает стабилизацию.

Название делитель напряжения происходит от делителя напряжения, образованного резисторами R ₁ и R ₂ . Падение напряжения на R ₂ смещает в прямом направлении переход база-эмиттер. Это вызывает ток базы и, следовательно, ток коллектора в условиях нулевого сигнала. На рисунке ниже показана схема метода смещения делителя напряжения.

Предположим, что ток, протекающий через сопротивление R _1, равен I ₁ . Поскольку базовый ток I _B очень мал, можно с достаточной точностью предположить, что ток, протекающий через R ₂ , также равен I ₁ .

Теперь попробуем вывести выражения для тока коллектора и напряжения коллектора.

Ток коллектора, I _C

Из схемы видно, что,

$$I_1 = \frac{V_{CC}}{R_1 + R_2}$$

Следовательно, напряжение на сопротивлении R ₂ равно

$$V_2 = \left ( \frac{V_{CC}}{R_1 + R_2}\right ) R_2$$

Применяя закон напряжения Кирхгофа к базовой цепи,

$$V_2 = V_{BE} + V_E$$

$$V_2 = V_{BE} + I_E R_E$$

$$I_E = \frac{V_2 - V_{BE}}{R_E}$$

Поскольку I _E ≈ I _C ,

$$I_C = \frac{V_2 - V_{BE}}{R_E}$$

Из приведенного выше выражения очевидно, что I _C не зависит от β. V _BE очень мало , что я _C не затронуты V _BE вообще. Таким образом, I _C в этой схеме почти не зависит от параметров транзистора и, следовательно, достигается хорошая стабилизация.

Напряжение коллектор-эмиттер, В _CE

Применяя закон напряжения Кирхгофа к стороне коллектора,

$$V_{CC} = I_C R_C + V_{CE} + I_E R_E$$

Поскольку I _E ≅ I _C

$$= I_C R_C + V_{CE} + I_C R_E$$

$$= I_C(R_C + R_E) + V_{CE}$$

Следовательно,

$$V_{CE} = V_{CC} - I_C(R_C + R_E)$$

R _E обеспечивает отличную стабилизацию в этой цепи.

$$V_2 = V_{BE} + I_C R_E$$

Предположим, что происходит повышение температуры, затем ток коллектора I _C уменьшается, что приводит к увеличению падения напряжения на R _E. Поскольку падение напряжения на R ₂ равно V ₂ , которое не зависит от I _C , значение V _BE уменьшается. Уменьшенное значение I _B имеет тенденцию восстанавливать I _C до исходного значения.

Фактор стабильности

Уравнение для Stability factor этой схемы получается как

Фактор стабильности = $S = \frac{(\beta + 1) (R_0 + R_3)}{R_0 + R_E + \beta R_E}$

$$= (\beta + 1) \times \frac{1 + \frac{R_0}{R_E}}{\beta + 1 + \frac{R_0}{R_E}}$$

где

$$R_0 = \frac{R_1 R_2}{R_1 + R_2}$$

Если отношение R ₀ / R _E очень мало, то R 0 / RE можно пренебречь по сравнению с 1, и коэффициент стабильности станет

Фактор стабильности = $S = (\beta + 1) \times \frac{1}{\beta + 1} = 1$

Это наименьшее возможное значение S, обеспечивающее максимально возможную термическую стабильность.

До сих пор мы видели разные методы стабилизации. Стабилизация происходит за счет действия отрицательной обратной связи. Отрицательная обратная связь хотя и улучшает стабильность рабочей точки, но снижает коэффициент усиления усилителя.

Поскольку усиление усилителя является очень важным фактором, используются некоторые методы компенсации для поддержания отличного смещения и термостабилизации. Давайте теперь рассмотрим такие методы компенсации смещения.

Диодная компенсация нестабильности

Это схемы, которые реализуют методы компенсации с использованием диодов для борьбы с нестабильностью смещения. Методы стабилизации относятся к использованию резистивных схем смещения, которые позволяют изменять I _B, чтобы поддерживать I _C относительно постоянным.

Существует два типа методов диодной компенсации. Они -

• Диодная компенсация нестабильности из-за изменения V _BE
• Диодная компенсация нестабильности из-за изменения I _CO

Давайте разберемся с этими двумя способами компенсации подробно.

Диод Компенсация за нестабильность из - за V _BE Вариация

В транзисторе кремния, изменения в значении V _BE приводит к изменениям в I _C . В цепи эмиттера может быть использован диод, чтобы компенсировать изменения V _BE или I _CO . Поскольку диод и транзистор изготовлены из одного материала, напряжение V _D на диоде имеет тот же температурный коэффициент, что и V _BE транзистора.

На следующем рисунке показано самосмещение со стабилизацией и компенсацией.

Диод D является смещен в прямом направлении от источника V _DD и резистор R _D . Изменение V _BE с температурой такое же, как изменение V _D с температурой, следовательно, величина (V _BE - V _D ) остается постоянной. Таким образом, ток I _C остается постоянным, несмотря на изменение V _BE .

Диод Компенсация за нестабильность из - за I _CO вариация

На следующем рисунке показана принципиальная схема транзисторного усилителя с диодом D, используемого для компенсации изменения I _CO .

Таким образом, обратный ток насыщения I _O диода будет увеличиваться с температурой с той же скоростью, что и ток насыщения коллектора транзистора I _CO .

$$I = \frac{V_{CC} - V_{BE}}{R} \cong \frac{V_{CC}}{R} = Constant$$

Диод D смещен в обратном направлении с помощью V _BE и ток через него обратный ток насыщения I _вывода .

Теперь базовый ток равен,

$$I_B = I - I_O$$

Подставляя указанное выше значение в выражение для тока коллектора.

$$I_C = \beta (I - I_O) + (1 + \beta)I_{CO}$$

Если β ≫ 1,

$$I_C = \beta I - \beta I_O + \beta I_{CO}$$

Iпочти постоянна, и если I _O диода и I _CO транзистора отслеживают друг друга в диапазоне рабочих температур, то I _C остается постоянным.

Прочие компенсации

Существуют и другие методы компенсации, которые относятся к использованию термочувствительных устройств, таких как диоды, транзисторы, термисторы, датчики и т. Д., Для компенсации колебаний токов.

В этом методе есть два популярных типа цепей, в одной из которых используется термистор, а в другом - сенсор. Давайте посмотрим на них.

Компенсация термистора

Термистор - устройство, чувствительное к температуре. Имеет отрицательный температурный коэффициент. Сопротивление термистора увеличивается при понижении температуры и уменьшается при повышении температуры. На рисунке ниже показан усилитель самосмещения с термисторной компенсацией.

В схеме усилителя изменения, которые происходят в I _CO , V _BE и β с температурой, увеличивают ток коллектора. Термистор используется для минимизации увеличения тока коллектора. При повышении температуры, сопротивление R _T термистора уменьшается, что увеличивает ток через него и резистор R _E . Теперь напряжение, развиваемое на R _E, увеличивается, что приводит к обратному смещению эмиттерного перехода. Это обратное смещение настолько велико, что влияние резисторов R ₁ и R _2, обеспечивающих прямое смещение, также уменьшается. Это действие снижает рост тока коллектора.

Таким образом, температурная чувствительность термистора компенсирует увеличение тока коллектора, вызванное температурой.

Компенсация сенсора

Сенсистор - это сильно легированный полупроводник с положительным температурным коэффициентом. Сопротивление сенсора увеличивается с повышением температуры и уменьшается с понижением температуры. На рисунке ниже показан усилитель самосмещения с сенсорной компенсацией.

В приведенном выше рисунке, Sensistor может быть размещен параллельно с R ₁ или параллельно с R _E . При повышении температуры сопротивление параллельной комбинации, термистора и R ₁ увеличивается, и их падение напряжения также увеличивается. Это уменьшает падение напряжения на R ₂ . Из-за уменьшения этого напряжения чистое прямое смещение эмиттера уменьшается. В результате этого I _C уменьшается.

Следовательно, с помощью сенсора можно контролировать рост тока коллектора, который вызывается увеличением I _CO , V _BE и β из-за температуры.

Термическое сопротивление

Транзистор - это устройство, зависящее от температуры. Когда транзистор работает, коллекторный переход получает сильный поток электронов и, следовательно, выделяет много тепла. Это тепло, если оно будет увеличиваться дальше допустимого предела, повредит переход и, следовательно, транзистор.

Чтобы защитить себя от повреждений, транзистор отводит тепло от перехода к корпусу транзистора и оттуда в окружающий его открытый воздух.

Пусть, температура окружающей среды или температура окружающего воздуха = T _A ^o C

И температура перехода коллектор-база транзистора = T _J ^o C

Поскольку T _J > T _A , разница T _J - T _A больше, чем мощность, рассеиваемая в транзисторе P _D, будет больше. Таким образом,

$$T_J - T_A \propto P_D$$

$$T_J - T_A = HP_D$$

Где H - константа пропорциональности и называется Thermal resistance.

Термическое сопротивление - это сопротивление тепловому потоку от перехода к окружающему воздуху. Обозначается H.

$$H = \frac{T_J - T_A}{P_D}$$

Единица измерения H - ^o C / ватт.

Если тепловое сопротивление низкое, передача тепла от транзистора в воздух будет легкой. Если корпус транзистора больше, то отвод тепла будет лучше. Это достигается за счет использования радиатора.

Радиатор

Транзистор с большей мощностью во время работы рассеивает больше тепла. Это тепло, если оно не рассеивается должным образом, может повредить транзистор. Следовательно, силовые транзисторы обычно устанавливаются на больших металлических корпусах, чтобы обеспечить большую площадь для отвода тепла, генерируемого во время его работы.

Металлический лист, который помогает отводить дополнительное тепло от транзистора, известен как heat sink. Способность радиатора зависит от его материала, объема, площади, формы, контакта между корпусом и раковиной и движения воздуха вокруг раковины.

Радиатор выбирается с учетом всех этих факторов. На изображении показан силовой транзистор с радиатором.

Крошечный транзистор на изображении выше прикреплен к большему металлическому листу, чтобы рассеивать его тепло, чтобы транзистор не повредился.

Термический побег

Использование радиатора позволяет избежать Thermal Runaway. Это ситуация, когда повышение температуры приводит к тому, что дальнейшее повышение температуры приводит к разрушению самого устройства. Это своего рода неконтролируемый положительный отзыв.

Heat sinkэто не единственное соображение; другие факторы, такие как рабочая точка, температура окружающей среды и тип используемого транзистора, также могут вызвать тепловой пробой.

Мы надеемся, что вы получили достаточные знания о рабочей точке, ее стабильности и методах компенсации в предыдущей главе. Давайте теперь попробуем понять фундаментальные концепции базовой схемы усилителя.

Электронный сигнал содержит некоторую информацию, которая не может быть использована, если не имеет надлежащей силы. Процесс увеличения мощности сигнала называетсяAmplification. Почти все электронное оборудование должно включать в себя средства для усиления сигналов. Мы находим использование усилителей в медицинских устройствах, научном оборудовании, автоматике, военных инструментах, устройствах связи и даже в бытовой технике.

Усиление в практических приложениях осуществляется с помощью многокаскадных усилителей. Несколько однокаскадных усилителей соединены каскадом, образуя многокаскадный усилитель. Посмотрим, как устроен однокаскадный усилитель, являющийся базовым для многокаскадного усилителя.

Одноступенчатый транзисторный усилитель

Когда для усиления слабого сигнала используется только один транзистор со связанной схемой, схема известна как single-stage amplifier.

Анализ работы схемы однокаскадного усилителя позволяет нам легко понять формирование и работу схем многокаскадного усилителя. Одноступенчатый транзисторный усилитель имеет один транзистор, цепь смещения и другие вспомогательные компоненты. На следующей принципиальной схеме показано, как выглядит одноступенчатый транзисторный усилитель.

Когда на базу транзистора подается слабый входной сигнал, как показано на рисунке, протекает небольшой ток базы. Из-за действия транзистора в коллекторе транзистора протекает больший ток. (Поскольку ток коллектора в β раз больше тока базы, что означает I _C = βI _B ). Теперь, когда ток коллектора увеличивается, падение напряжения на резисторе R _C также увеличивается, которое собирается на выходе.

Следовательно, небольшой вход на базе усиливается по мере того, как сигнал большей амплитуды и силы на выходе коллектора. Следовательно, этот транзистор действует как усилитель.

Практическая схема транзисторного усилителя.

Схема практического транзисторного усилителя, как показано ниже, представляет собой схему смещения делителя напряжения.

Различные важные элементы схемы и их функции описаны ниже.

Схема смещения

Резисторы R ₁ , R ₂ и R _E образуют цепь смещения и стабилизации, которая помогает установить правильную рабочую точку.

Входной конденсатор C _в

Этот конденсатор передает входной сигнал на базу транзистора. Входной конденсатор C _in пропускает сигнал переменного тока, но изолирует источник сигнала от R ₂ . Если этого конденсатора нет, входной сигнал поступает напрямую, что изменяет смещение на R ₂ .

Конденсатор связи C _C

Этот конденсатор присутствует в конце одного каскада и соединяет его с другим каскадом. Поскольку он объединяет два этапа, он называетсяcoupling capacitor. Этот конденсатор блокирует вход постоянного тока одной ступени в другую, но пропускает переменный ток. Следовательно, его также называютblocking capacitor.

Из-за наличия конденсатора связи C _C на выходе резистора R _L отсутствует постоянное напряжение коллектора. Если этого нет, условия смещения следующей ступени будут радикально изменены из-за шунтирующего эффекта R _C , так как это будет происходить параллельно с R ₂ следующей ступени.

Шунтирующий конденсатор эмиттера C _E

Этот конденсатор используется параллельно с эмиттера резистор R _E . Усиленный сигнал переменного тока проходит через него. Если его нет, этот сигнал пройдет через R _E , что приведет к падению напряжения на R _E, которое будет возвращать входной сигнал, уменьшая выходное напряжение.

Нагрузочный резистор R _L

Сопротивление R _L, подключенное к выходу, известно какLoad resistor. Когда используется несколько ступеней, R _L представляет входное сопротивление следующей ступени.

Различные токи цепи

Давайте рассмотрим различные токи в цепи полного усилителя. Они уже упомянуты на рисунке выше.

Базовый ток

Когда в базовой цепи не подается сигнал, течет постоянный ток I _B базы из-за цепи смещения. Когда подается сигнал переменного тока, также течет базовый ток переменного тока i _b . Следовательно, с приложением сигнала общий базовый ток i _B определяется выражением

$$i_B = I_B + i_b$$

Ток коллектора

Когда сигнал не подается, ток коллектора I _C течет из-за цепи смещения. Когда подается сигнал переменного тока, также течет ток коллектора переменного тока i _c . Следовательно, полный ток коллектора i _C определяется выражением

$$i_C = I_C + i_c$$

где

$I_C = \beta I_B$ = ток коллектора нулевого сигнала

$i_c = \beta i_b$ = ток коллектора из-за сигнала

Ток эмиттера

Когда сигнал не подается, течет постоянный ток эмиттера I _E. С приложением сигнала полный ток эмиттера i _E определяется выражением

$$i_E = I_E + i_e$$

Следует помнить, что

$$I_E = I_B + I_C$$

$$i_e = i_b + i_c$$

Поскольку базовый ток обычно невелик, следует отметить, что

$I_E \cong I_C$ и $i_e \cong i_c$

Это важные соображения для практической схемы транзисторного усилителя. Теперь дайте нам знать о классификации усилителей.

Схема усилителя - это схема, усиливающая сигнал. Действие усилителя и важные аспекты практической схемы транзисторного усилителя также были подробно описаны в предыдущих главах.

Давайте теперь попробуем разобраться в классификации усилителей. Усилители классифицируются по многим причинам.

По количеству ступеней

В зависимости от количества каскадов усиления бывают одноступенчатые усилители и многокаскадные усилители.

• Single-stage Amplifiers - У этого есть только одна транзисторная схема, которая представляет собой одноступенчатое усиление.

• Multi-stage Amplifiers - Это многотранзисторная схема, обеспечивающая многоступенчатое усиление.

На основе его вывода

В зависимости от параметра, который усиливается на выходе, различают усилители напряжения и мощности.

• Voltage Amplifiers - Схема усилителя, которая увеличивает уровень напряжения входного сигнала, называется усилителем напряжения.

• Power Amplifiers - Схема усилителя, которая увеличивает уровень мощности входного сигнала, называется усилителем мощности.

На основе входных сигналов

В зависимости от величины подаваемого входного сигнала их можно разделить на усилители слабого и большого сигнала.

• Small signal Amplifiers - Когда входной сигнал настолько слаб, что вызывает небольшие колебания тока коллектора по сравнению с его значением в состоянии покоя, усилитель называется усилителем слабого сигнала.

• Large signal amplifiers - Когда колебания тока коллектора велики, то есть выходят за пределы линейной части характеристик, усилитель известен как усилитель большого сигнала.

На основе частотного диапазона

В зависимости от частотного диапазона используемых сигналов различают усилители звука и радио.

• Audio Amplifiers - Схема усилителя, которая усиливает сигналы, лежащие в диапазоне звуковых частот, т.е. от 20 Гц до 20 кГц частотного диапазона, называется звуковым усилителем.

• Power Amplifiers - Схема усилителя, которая усиливает сигналы, лежащие в очень высокочастотном диапазоне, называется усилителем мощности.

На основе условий смещения

В зависимости от режима работы бывают усилители класса A, класса B и класса C.

• Class A amplifier - Условия смещения в усилителе мощности класса A таковы, что ток коллектора течет для всего приложенного сигнала переменного тока.

• Class B amplifier - Условия смещения в усилителе мощности класса B таковы, что ток коллектора течет в течение полупериода подаваемого входного сигнала переменного тока.

• Class C amplifier - Условия смещения в усилителе мощности класса C таковы, что ток коллектора протекает менее чем за полупериод подаваемого входного сигнала переменного тока.

• Class AB amplifier - Усилитель мощности класса AB - это усилитель мощности, созданный путем объединения классов A и B, чтобы иметь все преимущества обоих классов и минимизировать проблемы, которые они имеют.

На основе метода сцепления

В зависимости от метода соединения одного каскада с другим, существуют усилители с RC-цепочкой, с трансформаторной связью и с прямой связью.

• RC Coupled amplifier - Схема многокаскадного усилителя, подключенная к следующему каскаду с помощью комбинации резистора и конденсатора (RC), может называться RC-усилителем.

• Transformer Coupled amplifier - Схема многокаскадного усилителя, связанная со следующим каскадом с помощью трансформатора, может называться усилителем с трансформаторной связью.

• Direct Coupled amplifier - Схема многокаскадного усилителя, напрямую подключенная к следующему каскаду, может называться усилителем с прямой связью.

На основе конфигурации транзистора

В зависимости от типа конфигурации транзистора бывают усилители CE CB и CC.

• CE amplifier - Схема усилителя, сформированная с использованием комбинации транзисторов с конфигурацией CE, называется усилителем CE.

• CB amplifier - Схема усилителя, сформированная с использованием комбинации транзисторов с конфигурацией CB, называется усилителем CB.

• CC amplifier - Схема усилителя, сформированная с использованием комбинации транзисторов с конфигурацией CC, называется усилителем CC.

Любой транзисторный усилитель использует транзистор для усиления сигналов, который подключается в одной из трех конфигураций. Для усилителя лучше иметь высокий входной импеданс, чтобы избежать эффекта нагрузки в многокаскадных схемах и более низкий выходной импеданс, чтобы обеспечить максимальную мощность на нагрузке. Коэффициент усиления по напряжению и по мощности также должен быть высоким, чтобы обеспечить лучший выход.

Давайте теперь изучим различные конфигурации, чтобы понять, какая конфигурация лучше подходит для работы транзистора в качестве усилителя.

CB усилитель

Схема усилителя, сформированная с использованием комбинации транзисторов с конфигурацией CB, называется усилителем CB.

строительство

Схема усилителя с общей базой, использующая NPN-транзистор, показана ниже, входной сигнал подается на базовый переход эмиттера, а выходной сигнал снимается с коллекторного базового перехода.

Базовый переход эмиттера смещен в прямом направлении посредством V _EE, а коллекторный базовый переход смещен в обратном направлении посредством V _CC . Рабочая точка регулируется с помощью резисторов Re и R _c . Таким образом, значения I _c , I _b и I _cb определяются V _CC , V _EE , R _e и R _c .

Операция

Когда вход не применяется, формируются условия покоя, а выход отсутствует. Поскольку V _be имеет отрицательное значение по отношению к земле, прямое смещение уменьшается для положительной половины входного сигнала. В результате этого базовый ток I _B также уменьшается.

На рисунке ниже показан усилитель CB со схемой самосмещения.

Как мы знаем,

$$I_C \cong I_E \cong \beta I_B$$

И ток коллектора, и ток эмиттера уменьшаются.

Падение напряжения на R _C равно

$$V_C = I_C R_C$$

Этот V _C также уменьшается.

Когда I _C R _C уменьшается, V _CB увеличивается. Потому что,

$$V_{CB} = V_{CC} - I_C R_C$$

Таким образом, получается положительный выходной полупериод.

В конфигурации CB положительный вход дает положительный выход и, следовательно, вход и выход находятся в фазе. Таким образом, в усилителе CB нет разворота фазы между входом и выходом.

Если конфигурация CB рассматривается для усиления, она имеет низкий входной импеданс и высокий выходной импеданс. Коэффициент усиления по напряжению также невелик по сравнению с конфигурацией CE. Следовательно, усилители с конфигурацией CB используются в высокочастотных приложениях.

Усилитель CE

Схема усилителя, сформированная с использованием комбинации транзисторов с конфигурацией CE, называется усилителем CE.

строительство

Схема усилителя с общим эмиттером, использующая NPN-транзистор, показана ниже, входной сигнал подается на базовый переход эмиттера, а выходной сигнал снимается с коллекторного базового перехода.

Базовый переход эмиттера смещен в прямом направлении посредством V _EE, а коллекторный базовый переход смещен в обратном направлении посредством V _CC . Рабочая точка регулируется с помощью резисторов R _e и R _c . Таким образом, значения I _c , I _b и I _cb определяются V _CC , V _EE , R _e и R _c .

Операция

Когда вход не применяется, формируются условия покоя, а выход отсутствует. Когда подается положительная половина сигнала, напряжение между базой и эмиттером V _be увеличивается, потому что оно уже положительно относительно земли.

По мере увеличения прямого смещения соответственно увеличивается и базовый ток. Поскольку I _C = βI _B , ток коллектора также увеличивается.

На следующей принципиальной схеме показан усилитель CE со схемой самосмещения.

Коллекторный ток при протекании через R _C падение напряжения увеличивается.

$$V_C = I_C R_C$$

Вследствие этого уменьшается напряжение между коллектором и эмиттером. Потому как,

$$V_{CB} = V_{CC} - I_C R_C$$

Таким образом, на R _C появляется усиленное напряжение .

Следовательно, в усилителе CE, поскольку положительный сигнал появляется как отрицательный сигнал, следует понимать, что существует фазовый сдвиг 180 ^o между входом и выходом.

Усилитель CE имеет высокий входной импеданс и более низкий выходной импеданс, чем усилитель CB. Коэффициент усиления по напряжению и по мощности также высок в усилителе CE, поэтому он в основном используется в усилителях звука.

Усилитель CC

Схема усилителя, сформированная с использованием комбинации транзисторов с конфигурацией CC, называется усилителем CC.

строительство

Схема усилителя с общим коллектором, использующая NPN-транзистор, показана ниже, входной сигнал подается на переход база-коллектор, а выходной сигнал снимается с перехода эмиттер-коллектор.

Базовый переход эмиттера смещен в прямом направлении посредством V _EE, а коллекторный базовый переход смещен в обратном направлении посредством V _CC . Q-значения I _b и I _e регулируются R _b и R _e .

Операция

Когда вход не применяется, формируются условия покоя, а выход отсутствует. Когда подается положительная половина сигнала, прямое смещение увеличивается, потому что V _be положительно относительно коллектора или земли. При этом ток базы I _B и ток коллектора I _C увеличиваются.

На следующей принципиальной схеме показан усилитель CC со схемой самосмещения.

Следовательно, падение напряжения на R _e, т.е. выходное напряжение, увеличивается. В результате получается положительный полупериод. Поскольку вход и выход находятся в фазе, инверсия фазы отсутствует.

Если для усиления рассматривается конфигурация CC, хотя усилитель CC имеет лучший входной импеданс и более низкий выходной импеданс, чем усилитель CE, коэффициент усиления CC по напряжению очень меньше, что ограничивает его применение только согласованием импеданса.

Сравнение между усилителями CB CE CC

Сравним характеристики усилителей CB, CE и CC.

Характеристика	CE	CB	CC
Входное сопротивление	Низкий (от 1 КБ до 2 КБ)	Очень низкий (30-150 Ом)	Высокая (20-500 кОм)
Выходное сопротивление	Большой (≈ 50 К)	Высокая (≈ 500 К)	Низкий (50-1000 кОм)
Текущая прибыль	B высокий	α <1	Высокая (1 + β)
Усиление напряжения	Высокая (≈ 1500)	Высокая (≈ 1500)	Меньше одного
Power gain	High (≈ 10,000)	High (≈ 7500)	Low (250-500)
Phase between input and output	reversed	same	same

Due to the compatibility and characteristic features, the common-emitter configuration is mostly used in amplifier circuits.

In practical applications, the output of a single state amplifier is usually insufficient, though it is a voltage or power amplifier. Hence they are replaced by Multi-stage transistor amplifiers.

In Multi-stage amplifiers, the output of first stage is coupled to the input of next stage using a coupling device. These coupling devices can usually be a capacitor or a transformer. This process of joining two amplifier stages using a coupling device can be called as Cascading.

The following figure shows a two-stage amplifier connected in cascade.

The overall gain is the product of voltage gain of individual stages.

$$A_V = A_{V1} \times A_{V2} = \frac{V_2}{V_1} \times \frac{V_0}{V_2} = \frac{V_0}{V_1}$$

Where A_V = Overall gain, A_V1 = Voltage gain of 1^st stage, and A_V2 = Voltage gain of 2^nd stage.

If there are n number of stages, the product of voltage gains of those n stages will be the overall gain of that multistage amplifier circuit.

Purpose of coupling device

The basic purposes of a coupling device are

• To transfer the AC from the output of one stage to the input of next stage.

• To block the DC to pass from the output of one stage to the input of next stage, which means to isolate the DC conditions.

Types of Coupling

Joining one amplifier stage with the other in cascade, using coupling devices form a Multi-stage amplifier circuit. There are four basic methods of coupling, using these coupling devices such as resistors, capacitors, transformers etc. Let us have an idea about them.

Resistance-Capacitance Coupling

This is the mostly used method of coupling, formed using simple resistor-capacitor combination. The capacitor which allows AC and blocks DC is the main coupling element used here.

Конденсатор связи пропускает переменный ток с выхода одного каскада на вход его следующего каскада. Блокируя компоненты постоянного тока от напряжения смещения постоянного тока, чтобы выполнить следующий этап. Давайте подробно рассмотрим этот метод соединения в следующих главах.

Сопротивление импеданса

Сеть связи, использующая inductance и capacitance в качестве элементов связи можно назвать сетью связи по сопротивлению.

В этом методе импедансной связи полное сопротивление катушки связи зависит от ее индуктивности и частоты сигнала, которая равна jwL. Этот метод не так популярен и применяется редко.

Трансформаторная муфта

Метод связи, использующий transformer as the couplingУстройство можно назвать трансформаторной муфтой. В этом методе связи не используется конденсатор, поскольку трансформатор сам передает переменную составляющую непосредственно на базу второй ступени.

Вторичная обмотка трансформатора обеспечивает обратный путь базы, и, следовательно, сопротивление базы не требуется. Эта муфта популярна благодаря своей эффективности и согласованию импеданса, поэтому она используется чаще всего.

Прямое соединение

Если предыдущий каскад усилителя напрямую подключен к следующему каскаду усиления, он называется direct coupling. Условия смещения отдельных каскадов усилителя разработаны таким образом, что каскады могут быть подключены напрямую без изоляции по постоянному току.

Метод прямой связи в основном используется, когда нагрузка подключается последовательно с выходной клеммой активного элемента схемы. Например, наушники, динамики и т. Д.

Роль конденсаторов в усилителях

Помимо цели связи, существуют и другие цели, для которых в усилителях особенно используется мало конденсаторов. Чтобы понять это, расскажите нам о роли конденсаторов в усилителях.

Входной конденсатор C _в

Входной конденсатор С _в настоящее время на начальном этапе усилителя, пары переменного тока сигнала на базе транзистора. Этот конденсатор С _в случае нет, источник сигнала будет параллельно резистор R ₂ и напряжение смещения на базе транзистора будет изменен.

Следовательно, C _in позволяет сигналу переменного тока от источника течь во входную цепь, не влияя на условия смещения.

Конденсатор обхода эмиттера C _e

Обходной конденсатор эмиттера C _e подключен параллельно эмиттерному резистору. Он предлагает тракт с низким реактивным сопротивлением для усиленного сигнала переменного тока.

В отсутствие этого конденсатора напряжение, возникающее на R _E, будет возвращаться на входную сторону, тем самым уменьшая выходное напряжение. Таким образом, в присутствии C _e усиленный переменный ток будет проходить через него.

Конденсатор связи C _C

Конденсатор C _C - это конденсатор связи, который соединяет две ступени и предотвращает помехи постоянного тока между ступенями, а также контролирует смещение рабочей точки. Это также называетсяblocking capacitor потому что это не позволяет постоянному напряжению проходить через него.

В отсутствие этого конденсатора R _C будет идти параллельно сопротивлению R ₁ цепи смещения следующего каскада и, таким образом, изменит условия смещения следующего каскада.

Рекомендации по усилителю

Для схемы усилителя важно учитывать общий коэффициент усиления усилителя. Чтобы добиться максимального усиления по напряжению, найдем наиболее подходящую конфигурацию транзисторов для каскадирования.

Усилитель CC

• Его коэффициент усиления по напряжению меньше единицы.
• Не подходит для промежуточных ступеней.

CB усилитель

• Его коэффициент усиления по напряжению меньше единицы.
• Следовательно, не подходит для каскадирования.

Усилитель CE

• Его коэффициент усиления по напряжению больше единицы.
• Коэффициент усиления по напряжению дополнительно увеличивается за счет каскадирования.

Характеристики усилителя CE таковы, что эта конфигурация очень подходит для каскадирования в схемах усилителя. Следовательно, в большинстве схем усилителя используется конфигурация CE.

В следующих главах этого руководства мы объясним типы усилителей связи.

Связь между сопротивлением и емкостью сокращенно называется RC-связью. Это наиболее часто используемый метод связи в усилителях.

Конструкция двухкаскадного RC-связанного усилителя

Конструктивные детали схемы двухкаскадного транзисторного усилителя с RC-связью следующие. Схема двухкаскадного усилителя имеет два транзистора, соединенных по схеме CE, и используется общий источник питания V _CC . Схема делителя потенциала R ₁ и R ₂ и резистор R _e образуют схему смещения и стабилизации. Обходной конденсатор эмиттера C _e обеспечивает сигналу путь с низким реактивным сопротивлением.

Резистор R _L используется как сопротивление нагрузки. Входной конденсатор С _в настоящее время на начальном этапе усилитель пары переменного тока сигнала на базе транзистора. Конденсатор C _C - это конденсатор связи, который соединяет два каскада и предотвращает помехи постоянного тока между каскадами, а также управляет смещением рабочей точки. На рисунке ниже показана принципиальная схема RC-усилителя.

Работа RC-связанного усилителя

Когда входной сигнал переменного тока подается на базу первого транзистора, он усиливается и появляется на нагрузке коллектора R _L, которая затем проходит через конденсатор связи C _C на следующий каскад. Он становится входом следующего каскада, усиленный выход которого снова появляется на его нагрузке коллектора. Таким образом, сигнал усиливается поэтапно.

Здесь следует отметить важный момент: общее усиление меньше, чем произведение усилений отдельных ступеней. Это потому, что когда второй этап следует за первым этапом,effective load resistanceпервой ступени снижается из-за шунтирующего эффекта входного сопротивления второй ступени. Следовательно, в многокаскадном усилителе неизменным остается только коэффициент усиления последнего каскада.

Поскольку здесь мы рассматриваем двухкаскадный усилитель, выходная фаза такая же, как и входная. Потому что реверс фазы выполняется два раза двухкаскадной схемой усилителя, сконфигурированной CE.

Частотная характеристика связанного RC-усилителя

Кривая частотной характеристики - это график, который показывает взаимосвязь между усилением напряжения и функцией частоты. Частотная характеристика RC-связанного усилителя показана на следующем графике.

Из приведенного выше графика понятно, что частота спадает или уменьшается для частот ниже 50 Гц и для частот выше 20 кГц. в то время как коэффициент усиления по напряжению для диапазона частот от 50 Гц до 20 кГц является постоянным.

Мы знаем это,

$$X_C = \frac{1}{2 \pi f_c}$$

Это означает, что емкостное реактивное сопротивление обратно пропорционально частоте.

На низких частотах (т.е. ниже 50 Гц)

Емкостное реактивное сопротивление обратно пропорционально частоте. На низких частотах реактивное сопротивление довольно высокое. Реактивное сопротивление входного конденсатора C _in и разделительного конденсатора C _C настолько велико, что допускается только небольшая часть входного сигнала. Реактивное сопротивление обводного конденсатора эмиттера C _E также очень велико на низких частотах. Следовательно, он не может эффективно шунтировать сопротивление эмиттера. Со всеми этими факторами усиление напряжения на низких частотах падает.

На высоких частотах (т.е. выше 20 кГц)

Опять же, учитывая тот же момент, мы знаем, что емкостное реактивное сопротивление мало на высоких частотах. Итак, конденсатор ведет себя как короткое замыкание на высоких частотах. В результате этого увеличивается нагрузочный эффект следующего каскада, что снижает коэффициент усиления по напряжению. Наряду с этим при уменьшении емкости эмиттерного диода увеличивается базовый ток транзистора, из-за чего уменьшается коэффициент усиления по току (β). Следовательно, на высоких частотах усиление напряжения падает.

На средних частотах (например, от 50 Гц до 20 кГц)

Коэффициент усиления конденсаторов по напряжению поддерживается постоянным в этом диапазоне частот, как показано на рисунке. Если частота увеличивается, реактивное сопротивление конденсатора C _C уменьшается, что приводит к увеличению усиления. Но эта более низкая реактивная емкость увеличивает нагрузочный эффект следующего каскада, благодаря которому происходит уменьшение усиления.

Благодаря этим двум факторам коэффициент усиления остается постоянным.

Преимущества RC-связанного усилителя

Ниже приведены преимущества RC-усилителя.

• Частотная характеристика RC-усилителя обеспечивает постоянное усиление в широком диапазоне частот, поэтому лучше всего подходит для аудио приложений.

• Схема проста и имеет более низкую стоимость, поскольку в ней используются дешевые резисторы и конденсаторы.

• Он становится более компактным с технологией модернизации.

Недостатки RC-усилителя

Ниже перечислены недостатки RC-связанного усилителя.

• Прирост напряжения и мощности низкие из-за эффективного сопротивления нагрузки.

• С возрастом они становятся шумными.

• Из-за плохого согласования импеданса передача мощности будет низкой.

Применение связанного усилителя RC

Ниже приведены применения RC-усилителя.

• У них отличная точность воспроизведения звука в широком диапазоне частот.

• Широко используется в качестве усилителей напряжения

• Из-за плохого согласования импеданса RC-соединение редко используется на заключительных этапах.

Мы заметили, что основным недостатком RC-связанного усилителя является снижение эффективного сопротивления нагрузки. Это связано с тем, что входной импеданс усилителя низкий, а его выходной импеданс высокий.

Когда они соединяются в многокаскадный усилитель, высокое выходное сопротивление одного каскада идет параллельно с низким входным сопротивлением следующего каскада. Следовательно, эффективное сопротивление нагрузки уменьшается. Эту проблему можно решить с помощьюtransformer coupled amplifier.

В усилителе с трансформаторной связью каскады усилителя связаны с помощью трансформатора. Давайте углубимся в конструктивные и эксплуатационные детали усилителя с трансформаторной связью.

Конструкция усилителя с трансформаторной связью

Схема усилителя, в которой предыдущий каскад соединен со следующим каскадом с помощью трансформатора связи, называется усилителем с трансформаторной связью.

Трансформатор связи Т ₁ используется для подачи с выхода 1- ^й ступени на вход 2- ^й ступени. Коллекторная нагрузка заменяется первичной обмоткой трансформатора. Вторичная обмотка подключена между делителем потенциала и базой 2- ^й ступени, которая обеспечивает ввод для 2- ^й ступени. Вместо конденсатора связи, как в усилителе с RC-цепочкой, в цепи усилителя с трансформаторной связью используется трансформатор для соединения любых двух каскадов.

На рисунке ниже показана принципиальная схема усилителя с трансформаторной связью.

Схема делителя потенциала R ₁ и R ₂ и резистор R _e вместе образуют схему смещения и стабилизации. Обходной конденсатор эмиттера C _e обеспечивает сигналу путь с низким реактивным сопротивлением. Резистор R _L используется как сопротивление нагрузки. Входной конденсатор С _в настоящее время на начальном этапе усилитель пары переменного тока сигнала на базе транзистора. Конденсатор C _C - это конденсатор связи, который соединяет два каскада и предотвращает помехи постоянного тока между каскадами, а также управляет смещением рабочей точки.

Работа усилителя с трансформаторной связью

Когда сигнал переменного тока подается на вход базы первого транзистора, он усиливается транзистором и появляется на коллекторе, к которому подключена первичная обмотка трансформатора.

Трансформатор, который используется в качестве соединительного устройства в этой схеме, обладает свойством изменения импеданса, что означает, что низкое сопротивление ступени (или нагрузки) может отражаться как высокое сопротивление нагрузки предыдущей ступени. Следовательно, напряжение на первичной обмотке передается в соответствии с соотношением витков вторичной обмотки трансформатора.

Эта трансформаторная связь обеспечивает хорошее согласование импедансов между каскадами усилителя. Усилитель с трансформаторной связью обычно используется для усиления мощности.

Частотная характеристика усилителя с трансформаторной связью

На рисунке ниже показана частотная характеристика усилителя с трансформаторной связью. Коэффициент усиления усилителя постоянен только для небольшого диапазона частот. Выходное напряжение равно току коллектора, умноженному на реактивное сопротивление первичной обмотки.

На низких частотах реактивное сопротивление первичной обмотки начинает падать, что приводит к уменьшению усиления. На высоких частотах емкость между витками обмоток действует как байпасный конденсатор, уменьшая выходное напряжение и, следовательно, коэффициент усиления.

Таким образом, усиление аудиосигналов не будет пропорциональным, и также появятся некоторые искажения, которые называются Frequency distortion.

Преимущества усилителя с трансформаторной связью

Ниже приведены преимущества усилителя с трансформаторной связью:

• Обеспечивается отличное согласование импеданса.
• Достигнутый выигрыш выше.
• Потери мощности в резисторах коллектора и базы не будет.
• Эффективен в эксплуатации.

Недостатки трансформаторного усилителя

Ниже приведены недостатки усилителя с трансформаторной связью:

• Хотя усиление велико, оно значительно зависит от частоты. Отсюда плохая частотная характеристика.

• Частотные искажения выше.

• Трансформаторы обычно издают гул.

• Трансформаторы громоздкие и дорогие.

Приложения

Ниже приведены применения усилителя с трансформаторной связью:

• В основном используется для согласования импеданса.
• Используется для усиления мощности.
• Используется в приложениях, где требуется максимальная передача мощности.

Другой тип усилителя связи - это усилитель с прямой связью, который особенно используется для усиления более низких частот, таких как усиление фотоэлектрического тока или тока термопары или около того.

Усилитель с прямой связью

Поскольку устройства связи не используются, соединение каскадов усилителя выполняется напрямую и, следовательно, называется Direct coupled amplifier.

строительство

На рисунке ниже показан трехкаскадный транзисторный усилитель с прямой связью. Выход транзистора Т ₁ первого каскада соединен с входом транзистора Т ₂ второго каскада .

Транзистор на первом этапе будет транзистором NPN, в то время как транзистор на следующем этапе будет транзистором PNP и так далее. Это связано с тем, что изменения в одном транзисторе имеют тенденцию нейтрализовать изменения в другом. Повышение тока коллектора и изменение β одного транзистора компенсируется уменьшением другого.

Операция

Входной сигнал, подаваемый на базу транзистора T ₁ , усиливается из-за действия транзистора, и усиленный выходной сигнал появляется на резисторе коллектора R _c транзистора T ₁ . Этот выходной сигнал подается на базу транзистора Т _2, который дополнительно усиливает сигнал. Таким образом, сигнал усиливается в цепи усилителя с прямой связью.

Преимущества

Преимущества усилителя с прямой связью следующие.

• Схема простая из-за минимального использования резисторов.

• Схема имеет невысокую стоимость из-за отсутствия дорогостоящих устройств связи.

Недостатки

Недостатки усилителя с прямой связью следующие.

• Его нельзя использовать для усиления высоких частот.
• Рабочая точка смещается из-за колебаний температуры.

Приложения

Применения усилителя с прямой связью следующие.

• Низкочастотные усиления.
• Слаботочные усиления.

Сравнения

Попробуем сравнить характеристики рассмотренных до сих пор различных типов методов связи.

S.No	Особенно	RC-муфта	Трансформаторная муфта	Прямое соединение
1	Частотный отклик	Отлично в диапазоне звуковых частот	Бедных	Лучший
2	Стоимость	Меньше	Больше	Наименее
3	Пространство и вес	Меньше	Больше	Наименее
4	Согласование импеданса	Не хорошо	Превосходно	Хорошо
5	Использовать	Для усиления напряжения	Для усиления мощности	Для усиления очень низких частот

На практике любой усилитель состоит из нескольких каскадов усиления. Если мы рассматриваем усиление звука, оно имеет несколько ступеней усиления, в зависимости от наших требований.

Усилитель мощности

После того, как аудиосигнал преобразован в электрический сигнал, он подвергается нескольким усилениям напряжения, после чего усиление мощности усиленного сигнала выполняется непосредственно перед каскадом громкоговорителей. Это ясно показано на рисунке ниже.

В то время как усилитель напряжения повышает уровень напряжения сигнала, усилитель мощности повышает уровень мощности сигнала. Помимо повышения уровня мощности, можно также сказать, что усилитель мощности - это устройство, которое преобразует мощность постоянного тока в мощность переменного тока и чье действие контролируется входным сигналом.

Мощность постоянного тока распределяется согласно соотношению,

Входная мощность постоянного тока = выходная мощность переменного тока + потери

Силовой транзистор

Для такого усиления мощности обычный транзистор не годится. Транзистор, который изготовлен для усиления мощности, называетсяPower transistor.

Силовой транзистор отличается от других транзисторов следующими факторами.

• Он больше по размеру, чтобы выдерживать большие мощности.

• Коллекторная область транзистора сделана большой, а теплоотвод помещен в переход коллектор-база, чтобы минимизировать тепловыделение.

• Эмиттерная и базовая области силового транзистора сильно легированы.

• Из-за низкого входного сопротивления требуется небольшая входная мощность.

Следовательно, существует большая разница в усилении напряжения и мощности. Итак, давайте теперь попробуем разобраться в деталях, чтобы понять различия между усилителем напряжения и усилителем мощности.

Разница между усилителями напряжения и мощности

Попробуем различить усилитель напряжения и усилитель мощности.

Усилитель напряжения

Функция усилителя напряжения заключается в повышении уровня напряжения сигнала. Усилитель напряжения предназначен для достижения максимального усиления напряжения.

Коэффициент усиления по напряжению усилителя определяется выражением

$$A_v = \beta \left (\frac{R_c}{R_{in}} \right )$$

Характеристики усилителя напряжения следующие:

• База транзистора должна быть тонкой и, следовательно, значение β должно быть больше 100.

• Сопротивление входного резистора R _в должна быть низкой по сравнению с коллекторной нагрузки R _C .

• Нагрузка коллектора R _C должна быть относительно высокой. Для обеспечения высокой нагрузки коллектора усилители напряжения всегда работают при низком токе коллектора.

• Усилители напряжения используются для напряжений малых сигналов.

Усилитель мощности

Функция усилителя мощности заключается в повышении уровня мощности входного сигнала. Требуется большая мощность и большой ток.

Характеристики усилителя мощности следующие:

• База транзистора сделана утолщенной, чтобы выдерживать большие токи. Значение β (β> 100) высокое.

• Размер транзистора увеличен, чтобы рассеивать больше тепла, которое выделяется во время работы транзистора.

• Трансформаторная связь используется для согласования импеданса.

• Сопротивление коллектора сделано низким.

Сравнение усилителей напряжения и мощности приведено ниже в табличной форме.

S.No	Особенно	Усилитель напряжения	Усилитель мощности
1	β	Высокий (> 100)	Низкий (от 5 до 20)
2	R C	Высокая (4-10 кОм)	Низкий (от 5 до 20 Ом)
3	Связь	Обычно RC-соединение	Неизменно трансформаторная связь
4	Входное напряжение	Низкий (несколько мВ)	Высокий (2-4 В)
5	Коллекторный ток	Низкий (≈ 1 мА)	Высокий (> 100 мА)
6	Выходная мощность	Низкий	Высоко
7	Выходное сопротивление	Высокая (≈ 12 кОм)	Низкий (200 Ом)

Усилители мощности усиливают уровень мощности сигнала. Это усиление выполняется на последнем этапе в аудиоприложениях. В приложениях, связанных с радиочастотами, используются усилители мощности радио. Ноoperating pointтранзистора, играет очень важную роль в определении эффективности усилителя. Вmain classification делается на основе этого режима работы.

Классификация выполняется на основе их частот, а также на основе их режима работы.

Классификация по частотам

Усилители мощности делятся на две категории в зависимости от обрабатываемых частот. Они следующие.

• Audio Power Amplifiers- Усилители мощности звука повышают уровень мощности сигналов с диапазоном звуковых частот (от 20 Гц до 20 кГц). Они также известны какSmall signal power amplifiers.

• Radio Power Amplifiers- Радиоусилители мощности или настроенные усилители мощности повышают уровень мощности сигналов, имеющих радиочастотный диапазон (от 3 кГц до 300 ГГц). Они также известны какlarge signal power amplifiers.

Классификация по режиму работы

На основе режима работы, то есть части входного цикла, в течение которой протекает ток коллектора, усилители мощности можно классифицировать следующим образом.

• Class A Power amplifier - Когда ток коллектора течет постоянно в течение полного цикла сигнала, усилитель мощности известен как class A power amplifier.

• Class B Power amplifier - Когда ток коллектора протекает только в течение положительного полупериода входного сигнала, усилитель мощности известен как class B power amplifier.

• Class C Power amplifier - Когда ток коллектора протекает менее половины цикла входного сигнала, усилитель мощности известен как class C power amplifier.

Если мы объединим усилители класса A и класса B, чтобы использовать преимущества обоих, образуется еще один усилитель, называемый усилителем класса AB.

Прежде чем углубляться в детали этих усилителей, давайте взглянем на важные условия, которые необходимо учитывать при определении эффективности усилителя.

Термины, учитывающие производительность

Основная цель усилителя мощности - получить максимальную выходную мощность. Чтобы достичь этого, необходимо учитывать такие важные факторы, как эффективность коллектора, способность рассеивать мощность и искажения. Разберем их подробно.

Эффективность коллектора

Это объясняет, насколько хорошо усилитель преобразует мощность постоянного тока в мощность переменного тока. Когда питание постоянного тока подается от батареи, но входной сигнал переменного тока не подается, выход коллектора в таком состоянии наблюдается какcollector efficiency.

КПД коллектора определяется как

$$\eta = \frac{average\: a.c \: power \: output}{average \: d.c \: power\: input\: to \: transistor}$$

Например, если батарея питает 15 Вт, а выходная мощность переменного тока составляет 3 Вт. Тогда КПД транзистора составит 20%.

Основная цель усилителя мощности - добиться максимальной эффективности коллектора. Следовательно, чем выше значение КПД коллектора, тем эффективнее будет усилитель.

Мощность рассеивания

Каждый транзистор при работе нагревается. Поскольку силовой транзистор обрабатывает большие токи, он нагревается сильнее. Это тепло увеличивает температуру транзистора, что изменяет рабочую точку транзистора.

Таким образом, чтобы поддерживать стабильность рабочей точки, температура транзистора должна поддерживаться в допустимых пределах. Для этого необходимо отводить выделяемое тепло. Такая емкость называется способностью рассеивания мощности.

Power dissipation capabilityможно определить как способность силового транзистора рассеивать выделяемое в нем тепло. Металлические корпуса, называемые радиаторами, используются для отвода тепла, выделяемого в силовых транзисторах.

Искажение

Транзистор - это нелинейное устройство. По сравнению с вводом на выходе наблюдается несколько вариаций. В усилителях напряжения эта проблема не является преобладающей, поскольку используются малые токи. Но в усилителях мощности, поскольку используются большие токи, безусловно, возникает проблема искажений.

Distortionопределяется как изменение формы выходной волны от входной формы волны усилителя. Усилитель с меньшими искажениями дает лучший выход и, следовательно, считается эффективным.

Мы уже сталкивались с подробностями смещения транзистора, которое очень важно для работы транзистора в качестве усилителя. Следовательно, чтобы добиться точного усиления, смещение транзистора должно быть выполнено таким образом, чтобы усилитель работал в линейной области.

Усилитель мощности класса A - это такой усилитель, в котором выходной ток течет в течение всего цикла входного переменного тока. Следовательно, полный сигнал, присутствующий на входе, усиливается на выходе. На следующем рисунке показана принципиальная схема усилителя мощности класса А.

Из рисунка выше видно, что трансформатор присутствует на коллекторе в качестве нагрузки. Использование трансформатора позволяет согласовать импеданс, что приводит к передаче максимальной мощности на нагрузку, например, на громкоговоритель.

Рабочая точка этого усилителя находится в линейной области. Он выбран так, чтобы ток протекал в течение всего входного цикла переменного тока. На рисунке ниже поясняется выбор рабочей точки.

Выходные характеристики с рабочей точкой Q показаны на рисунке выше. Здесь (I _c ) _Q и (V _ce ) _Q представляют ток коллектора отсутствия сигнала и напряжение между коллектором и эмиттером соответственно. При подаче сигнала точка Q смещается на Q ₁ и Q ₂ . Выходной ток увеличивается до (I _c ) _max и уменьшается до (I _c ) _min . Аналогично, напряжение коллектор-эмиттер увеличивается до (V _ce ) _max и уменьшается до (V _ce ) _min .

Мощность постоянного тока, потребляемая от коллекторной батареи, V _cc определяется выражением

$$P_{in} = voltage \times current = V_{CC}(I_C)_Q$$

Эта сила используется в следующих двух частях -

• Мощность, рассеиваемая в нагрузке коллектора, поскольку тепло определяется

$$P_{RC} = (current)^2 \times resistance = (I_C)^2_Q R_C$$

• Мощность, подаваемая на транзистор, определяется выражением

$$P_{tr} = P_{in} - P_{RC} = V_{CC} - (I_C)^2_Q R_C$$

При подаче сигнала мощность, подаваемая на транзистор, используется в следующих двух частях:

• Мощность переменного тока, развиваемая через нагрузочные резисторы RC, составляет выходную мощность переменного тока.

  $$(P_O)_{ac} = I^2 R_C = \frac{V^2}{R_C} = \left ( \frac{V_m}{\sqrt{2}}\right )^2 \frac{1}{R_C} = \frac{V_m^2}{2R_C}$$

  где I - действующее значение переменного выходного тока через нагрузку, V - среднеквадратичное значение переменного напряжения, а V_m - максимальное значение V.

• Мощность постоянного тока, рассеиваемая транзистором (областью коллектора) в виде тепла, т. Е. (P _C ) _dc

Мы изобразили весь поток мощности на следующей диаграмме.

Этот усилитель мощности класса A может усиливать слабые сигналы с наименьшими искажениями, а выходной сигнал будет точной копией входного сигнала с повышенной мощностью.

Let us now try to draw some expressions to represent efficiencies.

Общая эффективность

Общий КПД схемы усилителя определяется выражением

$$(\eta)_{overall} = \frac{a.c \: power \:delivered\: to \: the\: load}{total \: power\: delivered \: by \: d.c\: supply}$$

$$= \frac{(P_O)_{ac}}{(P_{in})_{dc}}$$

Эффективность коллектора

Коллекторный КПД транзистора определяется как

$$(\eta)_{collector} = \frac{average\: a.c \: power \:output}{average \:d.c\: power\: input\: to\: transistor}$$

$$= \frac{(P_O)_{ac}}{(P_{tr})_{dc}}$$

Выражение общей эффективности

$$(P_O)_{ac} = V_{rms} \times I_{rms}$$

$$= \frac{1}{\sqrt{2}} \left [ \frac{(V_{ce})_{max} - (V_{ce})_{min}}{2} \right ] \times \frac{1}{\sqrt{2}} \left [ \frac{(I_C)_{max} - (I_C)_{min}}{2}\right ]$$

$$= \frac{[(V_{ce})_{max} - (V_{ce})_{min}] \times [(I_C)_{max} - (I_C)_{min}]}{8}$$

Следовательно

$$(\eta)_{overall} = \frac{[(V_{ce})_{max} - (V_{ce})_{min}] \times [(I_C)_{max} - (I_C)_{min}]}{8 \times V_{CC} (I_C)_Q}$$

Преимущества усилителей класса А

Преимущества усилителя мощности класса A следующие:

• Ток протекает для полного цикла ввода
• Он может усиливать небольшие сигналы
• Выход такой же, как вход
• Никаких искажений нет

Недостатки усилителей класса А

Преимущества усилителя мощности класса A следующие:

• Низкая выходная мощность
• Низкая эффективность коллектора

Усилитель мощности класса A, как обсуждалось в предыдущей главе, представляет собой схему, в которой выходной ток течет в течение всего цикла входного переменного тока. Мы также узнали о его недостатках, таких как низкая выходная мощность и эффективность. Чтобы свести к минимуму эти эффекты, был представлен усилитель мощности класса А.

В construction of class A power amplifierможно понять с помощью рисунка ниже. Это похоже на обычную схему усилителя, но подключено к трансформатору в нагрузке коллектора.

Здесь R ₁ и R ₂ обеспечивают расположение делителя потенциала. Резистор Re обеспечивает стабилизацию, C _e - байпасный конденсатор, а R _e - предотвращает напряжение переменного тока. Используемый здесь трансформатор представляет собой понижающий трансформатор.

Первичная обмотка трансформатора с высоким импедансом подключена к цепи коллектора с высоким импедансом. Вторичная обмотка с низким импедансом подключается к нагрузке (обычно громкоговорителю).

Трансформатор Действие

Трансформатор, используемый в цепи коллектора, предназначен для согласования импеданса. R _L - нагрузка, подключенная к вторичной обмотке трансформатора. R _L '- это отраженная нагрузка в первичной обмотке трансформатора.

Количество витков в первичной обмотке равно n _1, а во вторичной - n ₂ . Пусть V ₁ и V ₂ - первичное и вторичное напряжения, а I ₁ и I ₂ - первичный и вторичный токи соответственно. На рисунке ниже четко показан трансформатор.

Мы знаем это

$$\frac{V_1}{V_2} = \frac{n_1}{n_2}\: and\: \frac{I_1}{I_2} = \frac{n_1}{n_2}$$

Или же

$$V_1 = \frac{n_1}{n_2}V_2 \: and\: I_1 = \frac{n_1}{n_2}I_2$$

Следовательно

$$\frac{V_1}{I_1} = \left ( \frac{n_1}{n_2} \right )^2 \frac{V_2}{I_2}$$

Но V ₁ / I ₁ = R _L '= эффективное входное сопротивление

И V ₂ / I ₂ = R _L = эффективное выходное сопротивление

Следовательно,

$$R_L’ = \left ( \frac{n_1}{n_2}\right )^2 R_L = n^2 R_L$$

где

$$n = \frac{number \: of \: turns \: in \: primary}{number\: of\: turns\: in\: secondary} = \frac{n_1}{n_2}$$

Усилитель мощности можно подобрать, выбрав правильное отношение витков в понижающем трансформаторе.

Схема работы

Если пиковое значение тока коллектора из-за сигнала равно нулевому току коллектора сигнала, то получается максимальная выходная мощность переменного тока. Таким образом, для достижения полного усиления рабочая точка должна находиться в центре линии нагрузки.

Очевидно, что рабочая точка меняется при подаче сигнала. Напряжение коллектора изменяется противофазно току коллектора. Коллекторное напряжение изменяется на первичной обмотке трансформатора.

Цепной анализ

Предполагается, что потеря мощности в первичной обмотке незначительна, поскольку ее сопротивление очень мало.

Входная мощность при постоянном токе будет

$$(P_{in})_{dc} = (P_{tr})_{dc} = V_{CC} \times (I_C)_Q$$

При максимальной мощности усилителя класса A напряжение колеблется от (V _ce ) _max до нуля, а ток - от (I _c ) _max до нуля.

Следовательно

$$V_{rms} = \frac{1}{\sqrt{2}} \left [\frac{(V_{ce})_{max} - (V_{ce})_{min}}{2} \right ] = \frac{1}{\sqrt{2}} \left[ \frac{(V_{ce})_{max}}{2}\right ] = \frac{2V_{CC}}{2\sqrt{2}} = \frac{V_{CC}}{\sqrt{2}}$$

$$I_{rms} = \frac{1}{\sqrt{2}} \left [\frac{(I_C)_{max} - (I_C)_{min}}{2} \right ] = \frac{1}{\sqrt{2}} \left[ \frac{(I_C)_{max}}{2}\right ] = \frac{2(I_C)_Q}{2\sqrt{2}} = \frac{(I_C)_Q}{\sqrt{2}}$$

Следовательно,

$$(P_O)_{ac} = V_{rms} \times I_{rms} = \frac{V_{CC}}{\sqrt{2}} \times \frac{(I_C)_Q}{\sqrt{2}} = \frac{V_{CC} \times (I_C)_Q}{2}$$

Следовательно,

КПД коллектора = $\frac{(P_O)_{ac}}{(P_{tr})_{dc}}$

Или же,

$$(\eta)_{collector} = \frac{V_{CC} \times (I_C)_Q}{2 \times V_{CC} \times (I_C)_Q} = \frac{1}{2}$$

$$= \frac{1}{2} \times 100 = 50\%$$

КПД усилителя мощности класса A составляет почти 30%, тогда как он был улучшен до 50% за счет использования усилителя мощности класса A с трансформаторной связью.

Преимущества

Преимущества усилителя мощности класса А с трансформаторной связью следующие.

• Отсутствие потери мощности сигнала в резисторах базы или коллектора.
• Достигается превосходное согласование импеданса.
• Прирост высокий.
• Обеспечивается изоляция по постоянному току.

Недостатки

К недостаткам трансформаторного усилителя мощности класса А можно отнести следующие.

• Низкочастотные сигналы сравнительно менее усилены.
• Гудящий шум вносится трансформаторами.
• Трансформаторы громоздкие и дорогие.
• Плохая частотная характеристика.

Приложения

Применения усилителя мощности класса А с трансформаторной связью следующие.

• В этой схеме согласование импеданса является основным критерием.

• Они используются как усилители-драйверы, а иногда и как выходные усилители.

До сих пор мы видели два типа усилителей мощности класса А. Основные проблемы, которые необходимо решить, - это низкая выходная мощность и эффективность. Можно получить большую выходную мощность и КПД, чем у усилителя класса A, используя комбинационную пару транзисторов, называемуюPush-Pull конфигурация.

В этой схеме мы используем два дополнительных транзистора в выходном каскаде, причем один транзистор является NPN- или N-канальным типом, а другой транзистор является PNP-каналом или P-каналом (дополнительный), подключенным для работы с ними как PUSH a transistor to ON и PULL another transistor to OFFв то же время. Эта двухтактная конфигурация может быть реализована в усилителях класса A, класса B, класса C или класса AB.

Конструкция двухтактного усилителя мощности класса А

Конструкция схемы усилителя мощности класса A в двухтактной конфигурации показана на рисунке ниже. Такое расположение в основном снижает гармонические искажения, вносимые нелинейностью передаточных характеристик одиночного транзисторного усилителя.

В двухтактной схеме два идентичных транзистора T ₁ и T ₂ имеют закороченные выводы эмиттера. Входной сигнал подается на транзисторы через трансформатор T _r1, который подает сигналы противоположной полярности на обе базы транзистора. Коллекторы обоих транзисторов подключены к первичной обмотке выходного трансформатора T _r2 . Оба трансформатора с центральным отводом. Питание V _CC подается на коллекторы обоих транзисторов через первичную обмотку выходного трансформатора.

Резисторы R ₁ и R ₂ обеспечивают смещение. Нагрузка обычно представляет собой громкоговоритель, подключенный ко вторичной обмотке выходного трансформатора. Коэффициент трансформации выходного трансформатора выбирается таким образом, чтобы нагрузка хорошо согласовывалась с выходным сопротивлением транзистора. Таким образом, усилитель передает на нагрузку максимальную мощность.

Схема работы

Выходной сигнал собирается с выходного трансформатора T _r2 . Первичная обмотка этого трансформатора T _r2 практически не имеет постоянной составляющей. Коллекторы транзисторов T ₁ и T ₂ подключены к первичной _{обмотке} трансформатора T _r2, так что их токи равны по величине и протекают в противоположных направлениях через первичную _{обмотку} трансформатора T _r2 .

Когда подается входной сигнал переменного тока, база транзистора T ₁ более положительна, а база транзистора T ₂ менее положительна. Следовательно, коллекторный ток i _c1 транзистора T ₁ увеличивается, в то время как коллекторный ток i _c2 транзистора T ₂ уменьшается. Эти токи протекают в противоположных направлениях в двух половинах первичной обмотки выходного трансформатора. Более того, поток, создаваемый этими токами, также будет иметь противоположные направления.

Следовательно, напряжение на нагрузке будет индуцированным напряжением, величина которого будет пропорциональна разнице токов коллектора, т.е.

$$(i_{c1} - i_{c2})$$

Аналогично, для отрицательного входного сигнала ток коллектора i _c2 будет больше, чем i _c1 . В этом случае напряжение, развиваемое на нагрузке, снова будет связано с разницей

$$(i_{c1} - i_{c2})$$

В виде $i_{c2} > i_{c1}$

Полярность напряжения, индуцированного на нагрузке, будет обратной.

$$i_{c1} - i_{c2} = i_{c1} + (-i_{c2})$$

Чтобы лучше понять, давайте рассмотрим рисунок ниже.

В результате во вторичной обмотке выходного трансформатора возникает переменное напряжение, и, следовательно, переменное напряжение подается на эту нагрузку.

Понятно, что в течение любого заданного полупериода входного сигнала один транзистор приводится в действие (или толкается) глубоко в проводимость, в то время как другой не проводит ток (вытаскивается). Отсюда и названиеPush-pull amplifier. Гармонические искажения в двухтактном усилителе сведены к минимуму, так что все четные гармоники устранены.

Преимущества

Преимущества двухтактного усилителя класса А заключаются в следующем.

• Получен высокий выход переменного тока.

• На выходе отсутствуют четные гармоники.

• Влияние пульсаций напряжений уравновешивается. Они присутствуют в блоке питания из-за недостаточной фильтрации.

Недостатки

Недостатки двухтактного усилителя класса А следующие.

• Транзисторы должны быть идентичными, чтобы обеспечить одинаковое усиление.
• Для трансформаторов требуется центральное ответвление.
• Трансформаторы громоздкие и дорогие.

Когда ток коллектора протекает только в течение положительного полупериода входного сигнала, усилитель мощности известен как class B power amplifier.

Работа класса B

Смещение транзистора в режиме работы класса B таково, что при нулевом сигнале ток коллектора отсутствует. Вoperating pointвыбирается при напряжении отключения коллектора. Итак, при подаче сигналаonly the positive half cycle усиливается на выходе.

На рисунке ниже показаны формы входных и выходных сигналов во время работы класса B.

При подаче сигнала схема смещается в прямом направлении в течение положительного полупериода входа, и, следовательно, ток коллектора течет. Но во время отрицательного полупериода входа схема имеет обратное смещение и ток коллектора будет отсутствовать. Следовательноonly the positive half cycle усиливается на выходе.

Поскольку отрицательный полупериод полностью отсутствует, искажение сигнала будет высоким. Кроме того, когда подаваемый сигнал увеличивается, рассеиваемая мощность будет больше. Но по сравнению с усилителем мощности класса A выходная эффективность увеличивается.

Что ж, чтобы свести к минимуму недостатки и добиться низкого уровня искажений, высокого КПД и высокой выходной мощности, в этом усилителе класса B используется двухтактная конфигурация.

Двухтактный усилитель класса B

Хотя эффективность усилителя мощности класса B выше, чем у класса A, поскольку используется только один полупериод входного сигнала, искажение велико. Кроме того, не полностью используется входная мощность. Чтобы компенсировать эти проблемы, в усилителе класса B введена двухтактная конфигурация.

строительство

Схема двухтактного усилителя мощности класса B состоит из двух идентичных транзисторов T ₁ и T ₂ , базы которых подключены к вторичной обмотке входного трансформатора T _r1 с центральным _{отводом} . Эмиттеры закорочены, и на коллекторы _{подается} питание V _CC через первичную _{обмотку} выходного трансформатора T _r2 .

Компоновка схемы двухтактного усилителя класса B такая же, как и у двухтактного усилителя класса A, за исключением того, что транзисторы смещены при отключении, а не используются резисторы смещения. На рисунке ниже показана конструкция двухтактного усилителя мощности класса B.

Принцип работы схемы двухтактного усилителя класса B подробно описан ниже.

Операция

Схема двухтактного усилителя класса B, показанная на рисунке выше, показывает, что оба трансформатора имеют центральный отвод. Когда на вход не подается сигнал, транзисторы Т ₁ и Т ₂ находятся в состоянии отсечки и, следовательно, токи коллектора не протекают. Поскольку от V _CC не поступает ток , энергия не теряется.

Когда подается входной сигнал, он подается на входной трансформатор T _r1, который разделяет сигнал на два сигнала, которые на 180 ^o не совпадают по фазе друг с другом. Эти два сигнала подаются на два идентичных транзистора Т ₁ и Т ₂ . Для положительного полупериода база транзистора T ₁ становится положительной, и ток коллектора течет. В то же время транзистор Т ₂ имеет отрицательный полупериод, который переводит транзистор Т ₂ в состояние отсечки, и, следовательно, ток коллектора не течет. Форма волны отображается, как показано на следующем рисунке.

В течение следующего полупериода транзистор T ₁ переходит в состояние отсечки, а транзистор T ₂ переходит в состояние проводимости, чтобы вносить вклад в выходной сигнал. Следовательно, для обоих циклов каждый транзистор работает попеременно. Выходной трансформатор T _r3 служит для объединения двух токов, создавая почти неискаженную форму выходного сигнала.

Эффективность мощности двухтактного усилителя класса B

Ток в каждом транзисторе - это среднее значение полусинусоидальной петли.

Для полусинусоидальной петли I _dc определяется выражением

$$I_{dc} = \frac{(I_C)_{max}}{\pi}$$

Следовательно,

$$(p_{in})_{dc} = 2 \times \left [ \frac{(I_C)_{max}}{\pi} \times V_{CC} \right ]$$

Здесь вводится коэффициент 2, поскольку в двухтактном усилителе два транзистора.

Действующее значение тока коллектора = $(I_C)_{max}/ \sqrt{2}$

Действующее значение выходного напряжения = $V_{CC} / \sqrt{2}$

В идеальных условиях максимальной мощности

Следовательно,

$$(P_O)_{ac} = \frac{(I_C)_{max}}{\sqrt{2}} \times \frac{V_{CC}}{\sqrt{2}} = \frac{(I_C)_{max} \times V_{CC}}{2}$$

Теперь общая максимальная эффективность

$$\eta_{overall} = \frac{(P_O)_{ac}}{(P_{in})_{dc}}$$

$$= \frac{(I_C)_{max} \times V_{CC}}{2} \times \frac{\pi}{2 (I_C)_{max} \times V_{CC}}$$

$$= \frac{\pi}{4} = 0.785 = 78.5\%$$

КПД коллектора будет таким же.

Следовательно, двухтактный усилитель класса B повышает эффективность, чем двухтактный усилитель класса A.

Комплементарный двухтактный усилитель класса B

Двухтактный усилитель, который только что обсуждался, повышает эффективность, но использование трансформаторов с центральным отводом делает схему громоздкой, тяжелой и дорогостоящей. Чтобы упростить схему и повысить эффективность, можно использовать дополнительные транзисторы, как показано на следующей принципиальной схеме.

В приведенной выше схеме используются транзистор NPN и транзистор PNP, соединенные в двухтактной конфигурации. Когда подается входной сигнал, во время положительного полупериода входного сигнала NPN-транзистор проводит ток, а PNP-транзистор отключается. Во время отрицательного полупериода NPN-транзистор отключается, а PNP-транзистор проводит.

Таким образом, транзистор NPN усиливается в течение положительного полупериода входа, а транзистор PNP усиливается во время отрицательного полупериода входа. Поскольку оба транзистора дополняют друг друга, но действуют симметрично, будучи подключенными в двухтактной конфигурации класса B, эта схема называетсяComplementary symmetry push pull class B amplifier.

Преимущества

Преимущества двухтактного усилителя класса B с дополнительной симметрией заключаются в следующем.

• Поскольку нет необходимости в трансформаторах с центральным ответвлением, вес и стоимость снижаются.

• Равные и противоположные напряжения входного сигнала не требуются.

Недостатки

Недостатки двухтактного усилителя с комплементарной симметрией класса B следующие.

• Трудно получить пару транзисторов (NPN и PNP), которые имели бы аналогичные характеристики.

• Нам необходимы как положительные, так и отрицательные напряжения питания.

Усилители классов A и B, рассмотренные до сих пор, имеют несколько ограничений. Давайте теперь попробуем объединить эти два, чтобы получить новую схему, которая будет иметь все преимущества усилителей как класса A, так и класса B без их неэффективности. Перед этим давайте также рассмотрим еще одну важную проблему, которая называетсяCross over distortion, выход класса B встречается с.

Переходное искажение

В двухтактной конфигурации два идентичных транзистора переходят в состояние проводимости один за другим, и на выходе получается комбинация обоих.

Когда сигнал изменяется или переключается с одного транзистора на другой в точке нулевого напряжения, это вызывает некоторое искажение формы выходной волны. Для транзистора, чтобы он проводил, переход база-эмиттер должен пересекать 0,7 В, напряжение отключения. Время, необходимое транзистору для включения из состояния ВЫКЛ или выхода из состояния ВКЛ, называется временемtransition period.

В точке нулевого напряжения переходный период переключения транзисторов с одного на другой оказывает свое влияние, которое приводит к случаям, когда оба транзистора выключены одновременно. Такие экземпляры можно назватьFlat spot или же Dead band от формы выходной волны.

На приведенном выше рисунке четко показано перекрестное искажение, которое заметно в форме выходного сигнала. Это главный недостаток. Этот эффект перекрестного искажения также снижает общее пиковое значение выходной формы волны, что, в свою очередь, снижает максимальную выходную мощность. Это можно более четко понять с помощью нелинейной характеристики формы волны, как показано ниже.

Понятно, что это перекрестное искажение менее выражено для больших входных сигналов, поскольку оно вызывает серьезные помехи для небольших входных сигналов. Это перекрестное искажение можно устранить, если проводимость усилителя превышает половину цикла, так что оба транзистора не будут выключены одновременно.

Эта идея приводит к изобретению усилителя класса AB, который представляет собой комбинацию усилителей класса A и класса B, как обсуждается ниже.

Усилитель мощности класса AB

Как следует из названия, класс AB представляет собой комбинацию усилителей класса A и класса B. Поскольку класс A имеет проблему низкой эффективности, а класс B имеет проблему искажений, этот класс AB создан для устранения этих двух проблем за счет использования преимуществ обоих классов.

Перекрестное искажение - это проблема, которая возникает, когда оба транзистора выключены в один и тот же момент в течение переходного периода. Чтобы это исключить, необходимо выбрать условие более чем на половину цикла. Следовательно, другой транзистор переходит в состояние проводимости до того, как рабочий транзистор переключается в состояние отключения. Это достигается только при использовании конфигурации класса AB, как показано на следующей принципиальной схеме.

Следовательно, в конструкции усилителя класса AB каждый из двухтактных транзисторов имеет проводимость чуть больше, чем полупериод проводимости в классе B, но намного меньше, чем полный цикл проводимости класса A.

Угол проводимости усилителя класса AB составляет от 180 ^° до 360 ^{° в} зависимости от выбранной рабочей точки. Это понятно с помощью рисунка ниже.

Небольшое напряжение смещения, подаваемое с помощью диодов D ₁ и D ₂ , как показано на рисунке выше, помогает рабочей точке быть выше точки отсечки. Следовательно, форма выходного сигнала класса AB показана на приведенном выше рисунке. Искажения кроссовера, создаваемые классом B, преодолеваются этим классом AB, а неэффективность классов A и B не влияет на схему.

Таким образом, класс AB является хорошим компромиссом между классом A и классом B с точки зрения эффективности и линейности, при этом КПД достигает от 50% до 60%. Усилители классов A, B и AB называютсяlinear amplifiers поскольку амплитуда и фаза выходного сигнала линейно связаны с амплитудой и фазой входного сигнала.

Усилитель мощности класса C

Когда ток коллектора протекает менее чем за половину цикла входного сигнала, усилитель мощности известен как class C power amplifier.

Эффективность усилителя класса C высока, а линейность плохая. Угол проводимости для класса C менее 180 ^o . Обычно он составляет около 90 ^o , что означает, что транзистор остается в режиме ожидания более половины входного сигнала. Таким образом, выходной ток будет подаваться за меньшее время по сравнению с применением входного сигнала.

На следующем рисунке показаны рабочая точка и выход усилителя класса C.

Этот вид смещения дает значительно улучшенную эффективность усилителя примерно на 80%, но вносит сильные искажения в выходной сигнал. Используя усилитель класса C, импульсы, генерируемые на его выходе, могут быть преобразованы в полную синусоидальную волну определенной частоты с помощью LC-цепей в его коллекторной цепи.

Типы усилителей, которые мы обсуждали до сих пор, не могут эффективно работать на радиочастотах, даже если они хороши на звуковых частотах. Кроме того, коэффициент усиления этих усилителей таков, что он не будет изменяться в зависимости от частоты сигнала в широком диапазоне. Это позволяет одинаково хорошо усиливать сигнал в диапазоне частот и не позволяет выбирать конкретную желаемую частоту, отклоняя другие частоты.

Таким образом, возникает потребность в схеме, которая может как выбирать, так и усиливать. Итак, схема усилителя вместе с выбором, например настроенной схемой, составляетTuned amplifier.

Что такое настроенный усилитель?

Настроенные усилители - это усилители, которые используются для tuning. Тюнинг означает выбор. Среди набора доступных частот, если возникает необходимость выбрать определенную частоту, отклоняя все другие частоты, такой процесс называетсяSelection. Этот выбор осуществляется с помощью схемы, называемойTuned circuit.

Когда в схеме усилителя нагрузка заменена настроенной схемой, такой усилитель можно назвать Tuned amplifier circuit. Базовая схема настроенного усилителя выглядит, как показано ниже.

Схема тюнера - это не что иное, как LC-схема, которую также называют resonant или же tank circuit. Он выбирает частоту. Настроенная схема способна усиливать сигнал в узкой полосе частот, центрированных на резонансной частоте.

Когда реактивное сопротивление катушки индуктивности уравновешивает реактивное сопротивление конденсатора в настроенной цепи на некоторой частоте, такую ​​частоту можно назвать resonant frequency. Обозначается онf_r.

Формула резонанса:

$$2 \pi f_L = \frac{1}{2 \pi f_c}$$

$$f_r = \frac{1}{2 \pi \sqrt{LC}}$$

Типы настроенных схем

Настроенный контур может быть последовательным настроенным контуром (последовательный резонансный контур) или параллельным настроенным контуром (параллельный резонансный контур) в зависимости от типа его подключения к главной цепи.

Последовательная настроенная схема

Катушка индуктивности и конденсатор, соединенные последовательно, образуют последовательно настроенную цепь, как показано на следующей принципиальной схеме.

На резонансной частоте последовательный резонансный контур обеспечивает низкий импеданс, который пропускает через него большой ток. Последовательный резонансный контур обеспечивает все более высокое сопротивление на частотах, далеких от резонансной частоты.

Параллельно настроенная схема

Катушка индуктивности и конденсатор, соединенные параллельно, образуют параллельную настроенную цепь, как показано на рисунке ниже.

На резонансной частоте параллельный резонансный контур обеспечивает высокий импеданс, который не пропускает через него большой ток. Параллельный резонансный контур обеспечивает все более низкий импеданс для частот, далеких от резонансной частоты.

Характеристики параллельной настроенной схемы

Частота, при которой возникает параллельный резонанс (т.е. реактивная составляющая тока в цепи становится равной нулю), называется резонансной частотой. f_r. Основные характеристики настроенной схемы следующие.

Импеданс

Отношение напряжения питания к линейному току - это полное сопротивление настроенной цепи. Импеданс цепи LC определяется выражением

$$\frac{Supply \: voltage}{Line equation} = \frac{V}{I}$$

При резонансе линейный ток увеличивается, а импеданс уменьшается.

На рисунке ниже представлена ​​кривая импеданса параллельного резонансного контура.

Импеданс контура уменьшается для значений выше и ниже резонансной частоты. f_r. Следовательно, возможен выбор определенной частоты и отказ от других частот.

Чтобы получить уравнение для полного сопротивления цепи, рассмотрим

Линейный ток $I = I_L cos \phi$

$$\frac{V}{Z_r} = \frac{V}{Z_L} \times \frac{R}{Z_L}$$

$$\frac{1}{Z_r} = \frac{R}{Z_L^2}$$

$$\frac{1}{Z_r} = \frac{R}{L/C} = \frac{C R}{L}$$

Поскольку, $Z_L^2 = \frac{L}{C}$

Следовательно, полное сопротивление цепи Z _r получается как

$$Z_R = \frac{L}{C R}$$

Таким образом, при параллельном резонансе полное сопротивление цепи равно L / CR.

Ток цепи

При параллельном резонансе ток цепи или линии I определяется как приложенное напряжение, деленное на полное сопротивление цепи Z _r, т. Е.

Линейный ток $I = \frac{V}{Z_r}$

где $Z_r = \frac{L}{C R}$

Поскольку Z _r очень велико, линейный ток I будет очень маленьким.

Фактор качества

Для параллельного резонансного контура резкость резонансной кривой определяет избирательность. Чем меньше сопротивление катушки, тем резче будет резонансная кривая. Следовательно, индуктивное реактивное сопротивление и сопротивление катушки определяют качество настроенной схемы.

Отношение индуктивного реактивного сопротивления катушки в резонансе к ее сопротивлению известно как Quality factor. Обозначается онQ.

$$Q = \frac{X_L}{R} = \frac{2 \pi f_r L}{R}$$

Чем выше значение Q, тем резче кривая резонанса и тем выше будет селективность.

Преимущества настроенных усилителей

Ниже перечислены преимущества настроенных усилителей.

• Использование реактивных компонентов, таких как L и C, сводит к минимуму потери мощности, что делает настроенные усилители эффективными.

• Селективность и усиление желаемой частоты высоки за счет более высокого импеданса на резонансной частоте.

• Подойдет и меньший по размеру источник питания коллектора VCC из-за его небольшого сопротивления в параллельно настроенной цепи.

Важно помнить, что эти преимущества неприменимы при высокой резистивной нагрузке коллектора.

Частотная характеристика настроенного усилителя

Чтобы усилитель был эффективным, его коэффициент усиления должен быть высоким. Это усиление напряжения зависит от β, входного импеданса и нагрузки коллектора. Коллекторная нагрузка в настроенном усилителе представляет собой настроенную цепь.

Коэффициент усиления по напряжению такого усилителя определяется выражением

Коэффициент усиления напряжения = $\frac{\beta Z_C}{Z_{in}}$

Где Z _C = эффективная нагрузка коллектора, а Z _in = входное сопротивление усилителя.

Значение Z _C зависит от частоты настроенного усилителя. Поскольку Z _C максимален на резонансной частоте, коэффициент усиления усилителя максимален на этой резонансной частоте.

Пропускная способность

Диапазон частот, при котором коэффициент усиления по напряжению настроенного усилителя падает до 70,7% от максимального усиления, называется его диапазоном. Bandwidth.

Диапазон частот между f ₁ и f ₂ называется полосой пропускания настроенного усилителя. Полоса пропускания настроенного усилителя зависит от добротности LC-цепи, то есть от резкости частотной характеристики. Значение Q и ширина полосы обратно пропорциональны.

На рисунке ниже показаны полоса пропускания и частотная характеристика настроенного усилителя.

Связь между Q и пропускной способностью

Добротность Q полосы пропускания определяется как отношение резонансной частоты к ширине полосы, т. Е.

$$Q = \frac{f_r}{BW}$$

Как правило, у практической схемы значение Q больше 10.

При этом условии, резонансная частота при параллельном резонансе определяется выражением

$$f_r = \frac{1}{2 \pi \sqrt{LC}}$$

Есть два основных типа настроенных усилителей. Они -

• Один настроенный усилитель
• Двойной настроенный усилитель

Одинарный настроенный усилитель

Схема усилителя с одной секцией тюнера, находящейся на коллекторе схемы усилителя, называется схемой усилителя с одним тюнером.

строительство

Простая схема транзисторного усилителя, состоящая из параллельно настроенной цепи в коллекторной нагрузке, образует единую настроенную схему усилителя. Значения емкости и индуктивности настроенного контура подбираются таким образом, чтобы его резонансная частота была равна частоте усиления.

На следующей принципиальной схеме показана одиночная настроенная схема усилителя.

Выходной сигнал может быть получен от разделительного конденсатора C _C, как показано выше, или от вторичной обмотки, размещенной на L.

Операция

На вход усилителя подается высокочастотный сигнал, который необходимо усилить. Резонансная частота параллельного настроенного контура становится равной частоте сигнала, подаваемого путем изменения значения емкости конденсатора C в настроенном контуре.

На этом этапе настроенная схема обеспечивает высокое сопротивление частоте сигнала, что помогает обеспечить высокий выходной сигнал в настроенной цепи. Поскольку высокий импеданс предлагается только для настроенной частоты, все другие частоты с более низким импедансом отклоняются настроенной схемой. Таким образом, настроенный усилитель выбирает и усиливает сигнал нужной частоты.

Частотный отклик

Параллельный резонанс возникает на резонансной частоте f _r, когда цепь имеет высокую добротность. Резонансная частота f _r определяется выражением

$$f_r = \frac{1}{2 \pi \sqrt{LC}}$$

На следующем графике показана частотная характеристика одной настроенной схемы усилителя.

На резонансной частоте f _r импеданс параллельно настроенной цепи очень высок и является чисто резистивным. Таким образом, напряжение на R _L является максимальным, когда схема настроена на резонансную частоту. Следовательно, усиление напряжения является максимальным на резонансной частоте и падает выше и ниже нее. Чем выше Q, тем уже будет кривая.

Усилитель с двойной настройкой

Схема усилителя с двойной секцией тюнера, находящейся на коллекторе схемы усилителя, называется схемой усилителя с двойным тюнером.

строительство

Конструкция усилителя с двойной настройкой можно понять, взглянув на следующий рисунок. Эта схема состоит из двух настроенных цепей L ₁ C ₁ и L ₂ C ₂ в коллекторной части усилителя. Сигнал на выходе настроенной схемы L ₁ C ₁ передается в другую настроенную схему L ₂ C ₂ посредством метода взаимной связи. Остальные детали схемы такие же, как и в схеме одиночного настроенного усилителя, как показано на следующей принципиальной схеме.

Операция

На вход усилителя подается высокочастотный сигнал, который необходимо усилить. Схема настройки L ₁ C ₁ настроена на частоту входного сигнала. В этом состоянии настроенная схема обеспечивает высокую реактивность на частоту сигнала. Следовательно, большой выходной сигнал появляется на выходе настроенной схемы L ₁ C _1, которая затем соединяется с другой настроенной схемой L ₂ C ₂ посредством взаимной индукции. Эти схемы с двойной настройкой широко используются для соединения различных схем радио- и телевизионных приемников.

Частотная характеристика усилителя с двойной настройкой

Усилитель с двойной настройкой имеет особенность: couplingчто важно при определении частотной характеристики усилителя. Величина взаимной индуктивности между двумя настроенными цепями определяет степень связи, которая определяет частотную характеристику цепи.

Чтобы иметь представление о свойстве взаимной индуктивности, давайте рассмотрим основной принцип.

Взаимная индуктивность

Поскольку катушка с током создает вокруг нее некоторое магнитное поле, если другая катушка приближается к этой катушке, так что она находится в области магнитного потока первичной обмотки, то переменный магнитный поток индуцирует ЭДС во второй катушке. Если эта первая катушка называетсяPrimary coil, вторую можно назвать Secondary coil.

Когда ЭДС индуцируется во вторичной катушке из-за изменяющегося магнитного поля первичной катушки, такое явление называется Mutual Inductance.

Рисунок ниже дает представление об этом.

Электрический ток i_s на рисунке указывают источник тока, а i_indуказывает на индуцированный ток. Поток представляет собой магнитный поток, создаваемый вокруг катушки. Это распространяется и на вторичную обмотку.

При приложении напряжения ток i_sсоздаются потоки и поток. Когда ток меняется, поток меняется, производяi_ind во вторичной катушке из-за свойства взаимной индуктивности.

Связь

Под концепцией взаимной индуктивности связь будет такая, как показано на рисунке ниже.

Когда катушки разнесены, потокосцепления первичной катушки L ₁ не будут связывать вторичную катушку L ₂ . Говорят, что в этом состоянии катушки имеютLoose coupling. Сопротивление, отраженное от вторичной катушки в этом состоянии, невелико, кривая резонанса будет резкой, а добротность цепи высокая, как показано на рисунке ниже.

Напротив, когда первичная и вторичная обмотки сближаются, они имеют Tight coupling. В таких условиях отраженное сопротивление будет большим, а добротность цепи ниже. Получены два положения максимумов усиления: один выше, а другой ниже резонансной частоты.

Пропускная способность схемы с двойной настройкой

На приведенном выше рисунке ясно видно, что полоса пропускания увеличивается с увеличением степени связи. Определяющим фактором в схеме с двойной настройкой является не добротность, а связь.

Мы поняли, что для данной частоты чем сильнее связь, тем больше будет полоса пропускания.

Уравнение для полосы пропускания дается как

$$BW_{dt} = k f_r$$

Где BW _dt = ширина полосы для схемы с двойной настройкой, K = коэффициент связи и f _r = резонансная частота.

Мы надеемся, что теперь вы получили достаточные знания о работе настроенных усилителей. В следующей главе мы узнаем об усилителях обратной связи.

Схема усилителя просто увеличивает мощность сигнала. Но при усилении он просто увеличивает силу входящего сигнала, независимо от того, содержит ли он информацию или некоторый шум вместе с информацией. Этот шум или некоторая помеха возникает в усилителях из-за их сильной тенденцииhumиз-за резких перепадов температуры или паразитных электрических и магнитных полей. Поэтому каждый усилитель с высоким коэффициентом усиления имеет тенденцию создавать шум вместе с сигналом на своем выходе, что очень нежелательно.

Уровень шума в схемах усилителя можно значительно снизить, если использовать negative feedback выполняется путем ввода части выходного сигнала против фазы входного сигнала.

Принцип усилителя обратной связи

Усилитель обратной связи обычно состоит из двух частей. Ониamplifier и feedback circuit. Цепь обратной связи обычно состоит из резисторов. Понятие усилителя обратной связи можно понять из следующего рисунка.

На приведенном выше рисунке коэффициент усиления усилителя представлен как A. Коэффициент усиления усилителя - это отношение выходного напряжения V _o к входному напряжению V _i . цепь обратной связи извлекает напряжение V _f = β V _o с выхода V _o усилителя.

Это напряжение добавляется для положительной обратной связи и вычитается для отрицательной обратной связи из напряжения сигнала V _s . В настоящее время,

$$V_i = V_s + V_f = V_s + \beta V_o$$

$$V_i = V_s - V_f = V_s - \beta V_o$$

Величина β = V _f / V _o называется коэффициентом обратной связи или долей обратной связи.

Рассмотрим случай отрицательной обратной связи. Выходной сигнал V _o должен быть равен входному напряжению (V _s - βV _o ), умноженному на коэффициент усиления A усилителя.

Следовательно,

$$(V_s - \beta V_o)A = V_o$$

Или же

$$A V_s - A \beta V_o = V_o$$

Или же

$$A V_s = V_o (1 + A \beta)$$

Следовательно,

$$\frac{V_o}{V_s} = \frac{A}{1 + A \beta}$$

Пусть A _f будет общим усилением (усилением с обратной связью) усилителя. Это определяется как отношение выходного напряжения V _o к приложенному сигнальному напряжению V _s , т. Е.

$$A_f = \frac{Output \: voltage}{Input \: signal \: voltage} = \frac{V_o}{V_s}$$

Итак, из двух приведенных выше уравнений мы можем понять, что

Уравнение усиления усилителя обратной связи с отрицательной обратной связью дается выражением

$$A_f = \frac{A}{1 + A \beta}$$

Уравнение усиления усилителя обратной связи с положительной обратной связью определяется выражением

$$A_f = \frac{A}{1 - A \beta}$$

Это стандартные уравнения для расчета коэффициента усиления усилителей с обратной связью.

Типы отзывов

Процесс подачи части выходной энергии какого-либо устройства обратно на вход известен как Feedback. Было обнаружено, что обратная связь очень полезна для снижения шума и обеспечения стабильной работы усилителя.

В зависимости от того, поступает ли сигнал обратной связи aids или же opposes В качестве входного сигнала используются два типа обратной связи.

Положительный отзыв

Обратная связь, в которой энергия обратной связи, то есть напряжение или ток, находится в фазе с входным сигналом и, таким образом, помогает ему, называется Positive feedback.

Как входной сигнал, так и сигнал обратной связи вводят фазовый сдвиг на 180 ^o, таким образом создавая результирующий фазовый сдвиг на 360 ^o вокруг контура, чтобы в конечном итоге совпадать по фазе с входным сигналом.

Хотя положительный отзыв increases the gain усилителя, он имеет такие недостатки, как

• Увеличение искажений
• Instability

Именно из-за этих недостатков положительная обратная связь для усилителей не рекомендуется. Если положительная обратная связь достаточно велика, это приводит к колебаниям, из которых формируются схемы генератора. Эта концепция будет обсуждаться в учебнике ОСЦИЛЛЯТОРЫ.

Негативный отзыв

Обратная связь, в которой энергия обратной связи, то есть напряжение или ток, не совпадают по фазе со входом и, таким образом, противодействует ему, называется negative feedback.

При отрицательной обратной связи усилитель вводит в схему фазовый сдвиг на 180 ^o, в то время как цепь обратной связи спроектирована так, что она не производит ни сдвига фазы, ни нулевого сдвига фазы. Таким образом, результирующее напряжение обратной связи V _f на 180 ^{o не} совпадает по фазе с входным сигналом V _in .

Хотя gain усилителя отрицательной обратной связи reduced, есть много преимуществ отрицательной обратной связи, таких как

• Повышена стабильность прироста
• Уменьшение искажений
• Снижение шума
• Увеличение входного сопротивления
• Снижение выходного сопротивления
• Увеличение диапазона равномерного нанесения

Именно из-за этих преимуществ отрицательная обратная связь часто используется в усилителях.

Отрицательная обратная связь в усилителе - это метод подачи части усиленного выхода на вход, но в противофазе. Противоположность фаз возникает, поскольку усилитель обеспечивает сдвиг фазы на 180 ^o, тогда как цепь обратной связи - нет.

В то время как выходная энергия подается на вход, чтобы энергия напряжения принималась в качестве обратной связи, выход принимается в виде шунтирующего соединения, а для текущей энергии, принимаемой в качестве обратной связи, выход принимается последовательно.

Существует два основных типа цепей отрицательной обратной связи. Они -

• Отрицательная обратная связь по напряжению
• Отрицательная обратная связь по току

Отрицательная обратная связь по напряжению

В этом методе обратная связь по напряжению на входе усилителя пропорциональна выходному напряжению. Далее это подразделяется на два типа:

• Обратная связь по напряжению
• Обратная связь напряжение-шунт

Отрицательная обратная связь по току

В этом методе обратная связь по напряжению на входе усилителя пропорциональна выходному току. Далее это делится на два типа.

• Обратная связь текущей серии
• Обратная связь по токовому шунту

Давайте вкратце представим их все.

Обратная связь по последовательному напряжению

В цепи последовательной обратной связи по напряжению часть выходного напряжения подается последовательно с входным напряжением через цепь обратной связи. Это также известно какshunt-driven series-fed обратная связь, т. е. параллельно-последовательная цепь.

На следующем рисунке показана блок-схема последовательной обратной связи по напряжению, из которой видно, что цепь обратной связи соединена шунтом с выходом, но последовательно со входом.

Поскольку цепь обратной связи соединена шунтом с выходом, выходное сопротивление уменьшается, а из-за последовательного соединения со входом входное сопротивление увеличивается.

Обратная связь по напряжению-шунт

В цепи обратной связи шунта напряжения часть выходного напряжения подается параллельно входному напряжению через сеть обратной связи. Это также известно какshunt-driven shunt-fed обратная связь, т. е. параллельно-параллельный прототип.

На приведенном ниже рисунке показана блок-схема шунтирующей обратной связи по напряжению, из которой видно, что цепь обратной связи шунтируется как с выходом, так и с входом.

Поскольку цепь обратной связи соединена шунтом с выходом и входом, как выходной импеданс, так и входной импеданс уменьшаются.

Обратная связь серии Current

В схеме последовательной обратной связи по току часть выходного напряжения подается последовательно с входным напряжением через цепь обратной связи. Это также известно какseries-driven series-fed обратная связь, т. е. последовательно-последовательная цепь.

На следующем рисунке показана блок-схема последовательной обратной связи по току, из которой очевидно, что цепь обратной связи размещена последовательно с выходом, а также со входом.

Поскольку цепь обратной связи соединена последовательно с выходом и входом, увеличивается как выходное, так и входное сопротивление.

Обратная связь по токовому шунту

В цепи обратной связи токового шунта часть выходного напряжения подается последовательно с входным напряжением через цепь обратной связи. Это также известно какseries-driven shunt-fed обратная связь, т. е. последовательно-параллельная цепь.

На рисунке ниже показана блок-схема токовой шунтовой обратной связи, из которой видно, что цепь обратной связи размещена последовательно с выходом, но параллельно со входом.

Поскольку цепь обратной связи соединена последовательно с выходом, выходное сопротивление увеличивается, а из-за параллельного соединения со входом входное сопротивление уменьшается.

Давайте теперь сведем в таблицу характеристики усилителя, на которые влияют различные типы отрицательных обратных связей.

Характеристики	Типы обратной связи
	Напряжение серии	Напряжение-шунт	Текущая серия	Токовый шунт
Усиление напряжения	Уменьшает	Уменьшает	Уменьшает	Уменьшает
Пропускная способность	Увеличивает	Увеличивает	Увеличивает	Увеличивает
Входное сопротивление	Увеличивает	Уменьшает	Увеличивает	Уменьшает
Выходное сопротивление	Уменьшает	Уменьшает	Увеличивает	Увеличивает
Гармонические искажения	Уменьшает	Уменьшает	Уменьшает	Уменьшает
Шум	Уменьшает	Уменьшает	Уменьшает	Уменьшает

Эмиттерный повторитель и усилитель Дарлингтона являются наиболее распространенными примерами усилителей с обратной связью. Это наиболее часто используемые в ряде приложений.

Последователь эмиттера

Схема эмиттерного повторителя занимает видное место в усилителях обратной связи. Эмиттерный повторитель представляет собой схему обратной связи по отрицательному току. В основном он используется в качестве усилителя последней ступени в схемах генератора сигналов.

Важными особенностями Emitter Follower являются -

• Имеет высокий входной импеданс
• Имеет низкий выходной импеданс
• Это идеальная схема для согласования импеданса

Все эти идеальные характеристики позволяют использовать множество приложений для схемы эмиттерного повторителя. Это схема усилителя тока без усиления по напряжению.

строительство

Конструктивные детали схемы эмиттерного повторителя почти аналогичны нормальному усилителю. Основное отличие состоит в том, что нагрузка R _L отсутствует на выводе коллектора, но присутствует на выводе эмиттера схемы. Таким образом, выходной сигнал берется с вывода эмиттера вместо вывода коллектора.

Смещение обеспечивается либо методом базового резистора, либо методом делителя потенциала. На следующем рисунке показана принципиальная схема эмиттерного повторителя.

Операция

Напряжение входного сигнала, приложенное между базой и эмиттером, создает выходное напряжение V _o на R _E , которое находится в секции эмиттера. Следовательно,

$$V_o = I_E R_E$$

Весь этот выходной ток подается на вход через обратную связь. Следовательно,

$$V_f = V_o$$

Поскольку выходное напряжение, развиваемое на R _L , пропорционально току эмиттера, эта схема эмиттерного повторителя представляет собой цепь обратной связи по току. Следовательно,

$$\beta = \frac{V_f}{V_o} = 1$$

Также следует отметить, что напряжение входного сигнала на транзистор (= V _i ) равно разности V _s и V _o, т.е.

$$V_i = V_s - V_o$$

Следовательно, обратная связь отрицательная.

Характеристики

Основные характеристики эмиттерного повторителя следующие:

• Нет усиления напряжения. Фактически, коэффициент усиления по напряжению составляет почти 1.
• Относительно высокий коэффициент усиления по току и мощности.
• Высокое входное сопротивление и низкое выходное сопротивление.
• Входное и выходное переменное напряжение синфазны.

Коэффициент усиления эмиттерного повторителя

Поскольку схема эмиттерного повторителя является наиболее заметной, давайте попробуем получить уравнение для усиления напряжения схемы эмиттерного повторителя. Наша схема эмиттерного повторителя выглядит следующим образом -

Если нарисовать эквивалентную схему переменного тока вышеупомянутой схемы, она будет выглядеть так, как показано ниже, поскольку конденсатор обхода эмиттера отсутствует.

Сопротивление цепи эмиттера r _E переменному току определяется выражением

$$r_E = r’_E + R_E$$

где

$$r’_E = \frac{25 mV}{I_E}$$

Чтобы найти коэффициент усиления по напряжению усилителя, приведенный выше рисунок можно заменить следующим.

Обратите внимание, что входное напряжение прикладывается к сопротивлению цепи эмиттера по переменному току, то есть (r ' _E + R _E ). Если предположить, что эмиттерный диод идеален, выходное напряжение V _out будет

$$V_{out} = i_e R_E$$

Входное напряжение V _in будет

$$V_{in} = i_e(r’_e + R_E)$$

Следовательно, усиление напряжения эмиттерного повторителя равно

$$A_V = \frac{V_{out}}{V_{in}} = \frac{i_e R_E}{i_e(r’_e + R_E)} = \frac{R_E}{(r’_e + R_E)}$$

Или же

$$A_V = \frac{R_E}{(r’_e + R_E)}$$

В большинстве практических приложений

$$R_E \gg r’_e$$

Итак, A _V ≈ 1. На практике коэффициент усиления по напряжению эмиттерного повторителя составляет от 0,8 до 0,999.

Усилитель Дарлингтона

Схема эмиттерного повторителя, которая только что обсуждалась, не удовлетворяет требованиям к усилению тока схемы (A _i ) и входному сопротивлению (Z _i ). Чтобы добиться некоторого увеличения общих значений коэффициента усиления тока цепи и входного сопротивления, два транзистора подключены, как показано на следующей принципиальной схеме, которая известна какDarlington конфигурация.

Как показано на приведенном выше рисунке, эмиттер первого транзистора подключен к базе второго транзистора. Коллекторные выводы обоих транзисторов соединены вместе.

Анализ смещения

Из-за этого типа соединения ток эмиттера первого транзистора также будет током базы второго транзистора. Следовательно, текущий коэффициент усиления пары равен произведению отдельных коэффициентов усиления по току, т. Е.

$$\beta = \beta _1 \beta _2$$

Как правило, высокий коэффициент усиления по току достигается при минимальном количестве компонентов.

Поскольку здесь используются два транзистора, следует учитывать два падения напряжения V _BE . В остальном анализ смещения аналогичен для одного транзистора.

Напряжение на R ₂ ,

$$V_2 = \frac{V_CC}{R_1 + R_2} \times R_2$$

Напряжение на R _E ,

$$V_E = V_2 - 2 V_{BE}$$

Ток через R _E ,

$$I_{E2} = \frac{V_2 - 2 V_{BE}}{R_E}$$

Поскольку транзисторы связаны напрямую,

$$I_{E1} = I_{B2}$$

В настоящее время

$$I_{B2} = \frac{I_{E2}}{\beta _2}$$

Следовательно

$$I_{E1} = \frac{I_{E2}}{\beta _2}$$

Что значит

$$I_{E1} = I_{E1} \beta _2$$

У нас есть

$I_{E1} = \beta _1 I_{B1}$ поскольку $I_{E1} \cong I_{C1}$

Следовательно, поскольку

$$I_{E2} = I_{E1} \beta _2$$

Мы можем написать

$$I_{E2} = \beta _1 \beta _2 I_{B1}$$

Следовательно, текущий прирост можно представить как

$$\beta = \frac{I_{E2}}{I_{B1}} = \frac{\beta _1 \beta _2 I_{B1}}{I_{B1}} = \beta _1 \beta_2$$

Входное сопротивление усилителя darling ton составляет

$Z_{in} = \beta_1 \beta_2 R_E .....$пренебрегая r ' _e

На практике эти два транзистора помещаются в один корпус транзистора, а три вывода вынимаются из корпуса, как показано на следующем рисунке.

Это трех оконечное устройство можно назвать Darling ton transistor. Транзистор darling ton действует как одиночный транзистор с высоким коэффициентом усиления по току и высоким входным сопротивлением.

Характеристики

Ниже приведены важные характеристики усилителя Darling ton.

• Чрезвычайно высокий входной импеданс (МОм).
• Чрезвычайно высокий коэффициент усиления по току (несколько тысяч).
• Чрезвычайно низкий выходной импеданс (несколько Ом).

Поскольку характеристики усилителя Darlington в основном такие же, как и у эмиттерного повторителя, эти две схемы используются для аналогичных приложений.

До сих пор мы обсуждали усилители на основе положительных отзывов. Отрицательная обратная связь в транзисторных схемах помогает в работе генераторов. Тема осцилляторов полностью раскрыта в руководстве по осцилляторам.

Усилитель при усилении просто увеличивает силу входящего сигнала, независимо от того, содержит ли он информацию или некоторый шум вместе с информацией. Этот шум или некоторая помеха возникает в усилителях из-за их сильной тенденцииhum из-за резких перепадов температуры или паразитных электрических и магнитных полей.

Производительность усилителя в основном зависит от этого шума. Noiseявляется нежелательным сигналом, который создает помехи для желаемого содержания сигнала в системе. Это может быть дополнительный сигнал, который генерируется внутри системы, или может быть некоторая помеха, сопровождаемая желаемой информацией о входном сигнале. Однако это нежелательно и должно быть удалено.

Хорошая система - это такая, в которой шум, создаваемый самим усилителем, невелик по сравнению с шумом от входящего источника.

Шум

Шум - это unwanted signalкоторый мешает исходному сигналу сообщения и искажает параметры сигнала сообщения. Это изменение в процессе коммуникации приводит к изменению сообщения после его получения. Скорее всего, он будет введен на канале или приемнике.

На следующем графике показаны характеристики шумового сигнала.

Следовательно, понятно, что шум - это некоторый сигнал, который не имеет структуры, постоянной частоты или амплитуды. Тихоrandomи непредсказуемо. Обычно принимаются меры по его снижению, но полностью устранить его не удается.

Most common examples of noise are -

• «Шипение» в радиоприемниках
• Звук «жужжания» среди телефонных разговоров
• «Мерцание» в телевизионных приемниках и т. Д.

Эффекты шума

Шум - это неудобная функция, которая влияет на производительность системы. Эффекты шума включают:

• Шум ограничивает рабочий диапазон систем - шум косвенно ограничивает самый слабый сигнал, который может быть усилен усилителем. Генератор в контуре смесителя может ограничивать свою частоту из-за шума. Работа системы зависит от работы ее цепей. Шум ограничивает наименьший сигнал, который приемник способен обработать.

• Шум влияет на чувствительность приемников. Чувствительность - это минимальная величина входного сигнала, необходимая для получения выходного сигнала заданного качества. Шум влияет на чувствительность приемной системы, что в конечном итоге влияет на выходной сигнал.

Соотношение сигнал шум

Когда сигнал получен и его необходимо усилить, сначала сигнал фильтруется, чтобы удалить любой нежелательный шум, если таковой имеется.

Отношение информационного сигнала, присутствующего в принятом сигнале, к присутствующему шуму называется Signal to Noise ratio. Это соотношение должно быть выше для системы, чтобы она вырабатывала чистый информационный сигнал, на который не влиял нежелательный шум.

SNR можно понимать как

$$SNR = \frac{P_{signal}}{P_{noise}}$$

SNR выражается в логарифмической основе с использованием децибел.

$$SNR_{db} = 10 log_{10}\left (\frac{P_{signal}}{P_{noise}} \right )$$

Отношение сигнал / шум - это ratio of the signal power to the noise power. Чем выше значение SNR, тем выше будет качество полученного вывода.

Типы шума

Классификация шума выполняется в зависимости от типа источника, эффекта, который он показывает, или отношения, которое он имеет с приемником и т. Д.

Есть два основных способа возникновения шума. Один через некоторыеexternal source в то время как другой создается internal source, в разделе приемника.

Внешний источник

Этот шум создается внешними источниками, которые обычно могут возникать в среде или канале связи. Этот шум нельзя полностью устранить. Лучший способ - избежать влияния шума на сигнал.

Наиболее распространенные примеры этого типа шума:

• Атмосферный шум (из-за нарушений в атмосфере)
• Внеземной шум, такой как солнечный шум и космический шум
• Промышленный шум

Внутренний источник

Этот шум создается компонентами приемника во время работы. Компоненты в цепях из-за непрерывного функционирования могут создавать несколько типов шума. Этот шум поддается количественной оценке. Правильная конструкция приемника может снизить влияние этого внутреннего шума.

Наиболее распространенные примеры этого типа шума:

• Шум теплового перемешивания (шум Джонсона или электрический шум)

• Дробовой шум (из-за случайного движения электронов и дырок

• Временной шум (во время перехода)

• Другой шум - это еще один тип шума, который включает мерцание, эффект сопротивления, шум, создаваемый микшером и т. Д.

Наконец, это дает общее представление о том, каким будет шум и как он может повлиять на усилитель, даже если он присутствует в секции передатчика или приемника. Усилители, которые усиливают слабые сигналы и, следовательно, усиливают шум низкого уровня, можно назвать малошумящими усилителями.

Все обсуждаемые типы усилителей в той или иной степени подвержены шуму. Характеристики усилителя определяют его эффективность в борьбе с нежелательными факторами.