Материалы — Введение

Каждый материал в природе обладает определенными свойствами. Эти свойства определяют поведение материалов. Материаловедение является отраслью электроники, которая занимается изучением потока электронов в различных материалах или пространствах, когда они подвергаются различным условиям.

Из-за смешивания атомов в твердых телах вместо отдельных энергетических уровней будут образовываться полосы энергетических уровней. Эти наборы уровней энергии, которые плотно упакованы, называются энергетическими полосами .

Типы материалов

Энергетическая зона, в которой присутствуют валентные электроны, называется валентной зоной , а зона, в которой присутствуют электроны проводимости, называется зоной проводимости . Энергетическая щель между этими двумя полосами называется Запретной энергетической щелью .

В электронном виде материалы широко классифицируются как изоляторы, полупроводники и проводники.

• Изоляторы. Изоляторы — это такие материалы, в которых проводимость не может иметь место из-за большого запрещенного зазора. Примеры: Дерево, Резина.

• Полупроводники. Полупроводники — это такие материалы, в которых запрещенная запрещенная зона невелика, и проводимость происходит при приложении некоторой внешней энергии. Примеры: кремний, германий.

• Проводники — проводники — это такие материалы, в которых запрещенная запрещенная зона исчезает, когда валентная зона и зона проводимости становятся очень близкими, так что они перекрываются. Примеры: Медь, Алюминий.

Изоляторы. Изоляторы — это такие материалы, в которых проводимость не может иметь место из-за большого запрещенного зазора. Примеры: Дерево, Резина.

Полупроводники. Полупроводники — это такие материалы, в которых запрещенная запрещенная зона невелика, и проводимость происходит при приложении некоторой внешней энергии. Примеры: кремний, германий.

Проводники — проводники — это такие материалы, в которых запрещенная запрещенная зона исчезает, когда валентная зона и зона проводимости становятся очень близкими, так что они перекрываются. Примеры: Медь, Алюминий.

Из всех трех изоляторы используются там, где желательно удельное сопротивление электричеству, а проводники используются там, где проводимость должна быть высокой. Полупроводники — это те, которые вызывают особый интерес к тому, как они используются.

Полупроводники

Полупроводник — это вещество, сопротивление которого лежит между проводниками и изоляторами. Свойство удельного сопротивления не единственное, которое определяет материал как полупроводник, но оно имеет несколько свойств следующим образом.

• Полупроводники имеют удельное сопротивление, которое меньше, чем у изоляторов, и больше, чем у проводников.

• Полупроводники имеют отрицательный температурный коэффициент. Сопротивление в полупроводниках возрастает с понижением температуры и наоборот.

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

Полупроводники имеют удельное сопротивление, которое меньше, чем у изоляторов, и больше, чем у проводников.

Полупроводники имеют отрицательный температурный коэффициент. Сопротивление в полупроводниках возрастает 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 вакуумные трубки, из-за чего размер и стоимость устройств уменьшились, и эта революция продолжала увеличивать свои темпы, приводя к новым изобретениям, таким как интегрированная электроника. Полупроводники могут быть классифицированы, как показано ниже.

Говорят, что полупроводник в его чрезвычайно чистой форме является внутренним полупроводником . Но проводимость этой чистой формы слишком низкая. Чтобы увеличить проводящую способность собственного полупроводника, лучше добавить некоторые примеси. Этот процесс добавления примесей называется допингом . Теперь этот легированный собственный полупроводник называется Внешним полупроводником .

Добавляемые примеси, как правило, представляют собой пятивалентные и трехвалентные примеси. В зависимости от этих типов примесей проводится другая классификация. Когда пятивалентная примесь добавляется в чистый полупроводник, она называется внешним полупроводником N-типа . Кроме того, когда трехвалентная примесь добавляется в чистый полупроводник, она называется внешним полупроводником P-типа .

PN Junction

Когда электрон движется со своего места, говорят, что там образовалась дыра. Итак, дыра — это отсутствие электрона. Если говорят, что электрон перемещается с отрицательного на положительный конец, это означает, что дырка перемещается с положительного на отрицательный конец.

Упомянутые выше материалы являются основами полупроводниковой технологии. Материал N-типа, образованный добавлением пятивалентных примесей, имеет электроны в качестве основных носителей и дырки в качестве неосновных носителей. В то время как материал P-типа, образованный добавлением трехвалентных примесей, имеет дырки в качестве основных носителей и электроны в качестве неосновных носителей.

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

Если материалы P-типа и N-типа располагаются близко друг к другу, оба они соединяются, образуя соединение, как показано на рисунке ниже.

Материал P-типа имеет отверстия в качестве основных носителей, а материал N-типа имеет электроны в качестве основных носителей . Поскольку противоположные заряды притягиваются, мало дырок в P-типе имеют тенденцию уходить в n-сторону, тогда как немного электронов в N-типе имеют тенденцию уходить в P-сторону

По мере того как они оба движутся в направлении соединения, дырки и электроны рекомбинируют друг с другом, нейтрализуя и образуя ионы. Теперь в этом соединении существует область, где образуются положительные и отрицательные ионы, называемые PN-переходом или барьером перехода, как показано на рисунке.

Образование отрицательных ионов на P-стороне и положительных ионов на N-стороне приводит к образованию узкой заряженной области на любой стороне PN-перехода. Этот регион теперь свободен от подвижных носителей заряда. Ионы, присутствующие здесь, были стационарными и поддерживают область пространства между ними без каких-либо носителей заряда.

Поскольку эта область действует как барьер между материалами типа P и N, это также называется барьерным переходом . У этого есть другое имя, названное как Область истощения, означающее, что это истощает обе области. Происходит разность потенциалов V _D из-за образования ионов через соединение, называемое потенциальным барьером, так как оно предотвращает дальнейшее движение дырок и электронов через соединение. Это образование называется Диодом .

Смещение диода

Когда диод или любые два терминальных компонента соединены в цепь, он имеет два смещенных состояния с заданным источником питания. Это прямое смещение и обратное смещение .

Смещение вперед

Когда диод подключен в цепи с его анодом к положительной клемме и катодом к отрицательной клемме источника питания, то такое соединение называется смещенным в прямом направлении .

Этот тип соединения делает цепь более смещенной в прямом направлении и помогает в большей проводимости. Диод хорошо проводит в прямом смещенном состоянии.

Обратное смещенное условие

Когда диод подключен в цепи с его анодом к отрицательной клемме и катодом к положительной клемме источника питания, то такое соединение называется состоянием обратного смещения .

Такое соединение делает цепь все более и более смещенной в обратном направлении и помогает минимизировать и предотвратить проводимость. Диод не может проводить в обратном смещенном состоянии.

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

Транзистор — Обзор

Зная подробности об одном PN-переходе или просто диоде, давайте попробуем перейти к соединению с двумя PN-переходами. Если другой материал P-типа или материал N-типа добавляется к одному PN-соединению, будет сформировано другое соединение. Такое образование просто называется транзистором .

Транзистор — это трехполюсное полупроводниковое устройство, которое регулирует ток или напряжение и действует как переключатель или затвор для сигналов.

Использование транзистора

• Транзистор действует как усилитель , где мощность сигнала должна быть увеличена.

• Транзистор также действует как переключатель для выбора между доступными опциями.

• Он также регулирует входящий ток и напряжение сигналов.

Транзистор действует как усилитель , где мощность сигнала должна быть увеличена.

Транзистор также действует как переключатель для выбора между доступными опциями.

Он также регулирует входящий ток и напряжение сигналов.

Конструктивные детали транзистора

Транзистор представляет собой трехполюсное твердотельное устройство, которое формируется путем подключения двух диодов друг к другу. Следовательно, у него есть два PN перехода . Три клеммы вытянуты из трех полупроводниковых материалов, присутствующих в нем. Этот тип подключения предлагает два типа транзисторов. Это PNP и NPN, что означает материал N-типа между двумя P-типами, а другой материал типа P между двумя N-типами соответственно.

На следующем рисунке показана основная конструкция транзисторов

Три клеммы, взятые из транзистора, обозначают клеммы эмиттера, базы и коллектора . Они имеют свою функциональность, как описано ниже.

эмиттер

• Левая сторона показанной выше конструкции может пониматься как излучатель .

• Он имеет умеренный размер и сильно легирован, так как его основной функцией является обеспечение ряда основных носителей , то есть электронов или дырок.

• Поскольку это испускает электроны, это называется Эмиттером.

• Это просто обозначено буквой Е.

Левая сторона показанной выше конструкции может пониматься как излучатель .

Он имеет умеренный размер и сильно легирован, так как его основной функцией является обеспечение ряда основных носителей , то есть электронов или дырок.

Поскольку это испускает электроны, это называется Эмиттером.

Это просто обозначено буквой Е.

База

• Средний материал на рисунке выше — Основа .

• Это тонкий и слегка легированный .

• Его основная функция заключается в передаче большинства носителей от эмиттера к коллектору.

• Это обозначено буквой B.

Средний материал на рисунке выше — Основа .

Это тонкий и слегка легированный .

Его основная функция заключается в передаче большинства носителей от эмиттера к коллектору.

Это обозначено буквой B.

Коллектор

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

• Его название подразумевает его функцию сбора носителей .

• Это немного больше по размеру, чем излучатель и база. Это умеренно легированный .

• На это указывает буква C.

Материал с правой стороны на приведенном выше рисунке можно понимать как коллектор .

Его название подразумевает его функцию сбора носителей .

Это немного больше по размеру, чем излучатель и база. Это умеренно легированный .

На это указывает буква C.

Символы транзисторов PNP и NPN показаны ниже.

Стрелка на приведенных выше рисунках обозначала эмиттер транзистора. Поскольку коллектор транзистора должен рассеивать гораздо большую мощность, он становится большим. Благодаря специфическим функциям излучателя и коллектора они не являются взаимозаменяемыми . Следовательно, клеммы всегда следует учитывать при использовании транзистора.

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

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

Транзистор смещения

Поскольку мы знаем, что транзистор представляет собой комбинацию из двух диодов, у нас есть два перехода здесь. Так как одно соединение находится между эмиттером и основанием, которое называется соединением эмиттер -база, и аналогично, другое соединение коллектор-база .

Смещение контролирует работу схемы, обеспечивая источник питания. Функция обоих PN-переходов контролируется путем обеспечения смещения цепи через некоторый источник постоянного тока. На рисунке ниже показано, как смещен транзистор.

Посмотрев на рисунок выше, мы понимаем, что

• Материал N-типа снабжен отрицательной подачей, а материал Р-типа снабжен положительной подачей для замыкания в прямом направлении .

• Материал N-типа имеет положительную подачу, а материал P-типа имеет отрицательную подачу для создания обратного смещения цепи.

Материал N-типа снабжен отрицательной подачей, а материал Р-типа снабжен положительной подачей для замыкания в прямом направлении .

Материал N-типа имеет положительную подачу, а материал P-типа имеет отрицательную подачу для создания обратного смещения цепи.

При подаче питания базовое соединение эмиттера всегда смещено вперед, так как сопротивление эмиттера очень мало. Основание коллектора коллектора имеет обратное смещение, и его сопротивление немного выше. Небольшого прямого смещения достаточно в соединении эмиттера, в то время как высокое обратное смещение должно быть применено в коллекторном соединении.

Направление тока, указанное в схемах выше, также называемое условным током, представляет собой движение тока дырок, противоположное току электронов .

Работа PNP Транзистора

Работу PNP-транзистора можно объяснить, посмотрев на следующий рисунок, на котором соединение эмиттер-база смещено вперед, а соединение коллектор-база смещено обратно.

Напряжение V _EE обеспечивает положительный потенциал на эмиттере, который отталкивает отверстия в материале P-типа, и эти отверстия пересекают соединение эмиттер-основание, чтобы достичь базовой области. Там очень низкий процент дырок воссоединяется со свободными электронами N-области. Это обеспечивает очень низкий ток, который составляет базовый ток I _B. Оставшиеся отверстия пересекают переход коллектор-основание, образуя ток коллектора I _C , который является током отверстия.

Когда отверстие достигает клеммы коллектора, электрон от отрицательной клеммы аккумулятора заполняет пространство в коллекторе. Этот поток медленно увеличивается, и меньший ток электрона течет через эмиттер, где каждый электрон, попадающий на положительную клемму V _EE , заменяется отверстием, перемещаясь в направлении соединения эмиттера. Это составляет ток эмиттера I _E.

Следовательно, мы можем понять, что —

• Проводимость в транзисторе PNP проходит через отверстия.

• Ток коллектора немного меньше тока эмиттера.

• Увеличение или уменьшение тока эмиттера влияет на ток коллектора.

Проводимость в транзисторе PNP проходит через отверстия.

Ток коллектора немного меньше тока эмиттера.

Увеличение или уменьшение тока эмиттера влияет на ток коллектора.

Работа NPN Транзистора

Работу NPN-транзистора можно объяснить, посмотрев на следующую фигуру, на которой соединение эмиттер-база смещено вперед, а соединение коллектор-база смещено обратно.

Напряжение V _EE обеспечивает отрицательный потенциал на эмиттере, который отталкивает электроны в материале N-типа, и эти электроны пересекают переход эмиттер-основание, чтобы достичь базовой области. Там очень низкий процент электронов воссоединяется со свободными дырками P-области. Это обеспечивает очень низкий ток, который составляет базовый ток I _B. Оставшиеся отверстия пересекают коллектор-основание, образуя ток коллектора I _C.

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

Следовательно, мы можем понять, что —

• Проводимость в NPN-транзисторе происходит через электроны.

• Ток коллектора выше, чем ток эмиттера.

• Увеличение или уменьшение тока эмиттера влияет на ток коллектора.

Проводимость в NPN-транзисторе происходит через электроны.

Ток коллектора выше, чем ток эмиттера.

Увеличение или уменьшение тока эмиттера влияет на ток коллектора.

Преимущества транзисторов

Есть много преимуществ использования транзистора, таких как —

• Усиление высокого напряжения.
• Более низкое напряжение питания достаточно.
• Наиболее подходит для приложений с низким энергопотреблением.
• Меньше и легче по весу.
• Механически прочнее, чем вакуумные трубки.
• Не требуется внешний нагрев, как вакуумные трубки.
• Очень подходит для интеграции с резисторами и диодами для производства интегральных схем.

Есть несколько недостатков, таких как они не могут быть использованы для приложений с высокой мощностью из-за более низкого рассеивания мощности. Они имеют более низкий входной импеданс и зависят от температуры.

Транзисторные конфигурации

Любой транзистор имеет три клеммы: эмиттер , базу и коллектор . Используя эти 3 клеммы, транзистор может быть подключен в цепи с одной клеммой, общей для обоих входов и выходов в трех различных возможных конфигурациях.

Три типа конфигураций — это конфигурации Common Base, Common Emitter и Common Collector . В каждой конфигурации эмиттерный контакт смещен в прямом направлении, а коллекторный контакт — в обратном направлении.

Общая база (CB) Конфигурация

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

Для понимания рассмотрим NPN-транзистор в CB-конфигурации. Когда на эмиттер подается напряжение, поскольку оно смещено в прямом направлении, электроны от отрицательного вывода отталкивают электроны эмиттера, и ток течет через эмиттер и основание к коллектору, чтобы внести ток коллектора. Напряжение коллектора V _CB поддерживается постоянным на протяжении всего этого.

В конфигурации CB входной ток — это ток эмиттера I _E, а выходной ток — ток коллектора I _C.

Коэффициент усиления тока (α)

Отношение изменения тока коллектора (ΔI _C ) к изменению тока эмиттера (ΔI _E ), когда напряжение коллектора V _CB поддерживается постоянным, называется коэффициентом усиления тока . Обозначается через α .

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

Выражение для тока коллектора

Используя приведенную выше идею, давайте попробуем нарисовать некоторое выражение для тока коллектора.

Наряду с протекающим током эмиттера существует некоторая величина базового тока I _B, который протекает через базовый вывод из-за рекомбинации электронных дырок. Поскольку соединение коллектор-база имеет обратное смещение, существует другой ток, который протекает из-за неосновных носителей заряда. Это ток утечки, который можно понимать как _утечка . Это связано с меньшим количеством носителей заряда и, следовательно, очень мало.

Ток эмиттера, который достигает коллектора, равен

$$\ alpha I_E$$

Общий ток коллектора

$$I_C = \ alpha I_E + I_ {утечка}$$

Если напряжение на базе эмиттера V _EB = 0, то даже тогда протекает небольшой ток утечки, который можно назвать I _CBO (ток на базе коллектора с открытым выходом).

Следовательно, ток коллектора может быть выражен 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 является выражением для тока коллектора. Значение тока коллектора зависит от тока базы и тока утечки, а также от коэффициента усиления тока используемого транзистора.

Характеристики конфигурации CB

• Эта конфигурация обеспечивает усиление напряжения, но не дает усиления по току.

• При постоянном значении V _CB при небольшом увеличении напряжения на базе эмиттера 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 _i представляет собой отношение изменения базового напряжения эмиттера (ΔV _EB ) к изменению тока эмиттера (ΔI _E ) при постоянном базовом напряжении коллектора V _CB .

Эта конфигурация обеспечивает усиление напряжения, но не дает усиления по току.

При постоянном значении V _CB при небольшом увеличении напряжения на базе эмиттера 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 _i представляет собой отношение изменения базового напряжения эмиттера (ΔV _EB ) к изменению тока эмиттера (ΔI _E ) при постоянном базовом напряжении коллектора V _CB .

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

• Поскольку входное сопротивление имеет очень низкое значение, достаточно небольшого значения V _EB , чтобы создать большой ток тока эмиттерного тока I _E.

• Выходное сопротивление R _o представляет собой отношение изменения базового напряжения коллектора (ΔV _CB ) к изменению тока коллектора (ΔI _C ) при постоянном токе эмиттера IE.

Поскольку входное сопротивление имеет очень низкое значение, достаточно небольшого значения V _EB , чтобы создать большой ток тока эмиттерного тока I _E.

Выходное сопротивление R _o представляет собой отношение изменения базового напряжения коллектора (ΔV _CB ) к изменению тока коллектора (ΔI _C ) при постоянном токе эмиттера IE.

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

• Поскольку выходное сопротивление имеет очень высокое значение, большое изменение V _CB приводит к очень небольшому изменению тока коллектора I _C.

• Эта конфигурация обеспечивает хорошую стабильность против повышения температуры.

• Конфигурация CB используется для высокочастотных применений.

Поскольку выходное сопротивление имеет очень высокое значение, большое изменение V _CB приводит к очень небольшому изменению тока коллектора I _C.

Эта конфигурация обеспечивает хорошую стабильность против повышения температуры.

Конфигурация CB используется для высокочастотных применений.

Конфигурация с общим эмиттером (CE)

Само название подразумевает, что клемма эмиттера используется как общая клемма для входа и выхода транзистора. Общее подключение эмиттера для транзисторов NPN и PNP показано на следующем рисунке.

Как и в конфигурации CB, эмиттерный контакт смещен в прямом направлении, а коллекторный контакт — в обратном направлении. Поток электронов контролируется таким же образом. Входной ток — это базовый ток I _B, а выходной ток — ток коллектора I _C здесь.

Базовый коэффициент усиления тока (β)

Отношение изменения тока коллектора (ΔI _C ) к изменению базового тока (ΔI _B ) известно как коэффициент усиления базового тока . Обозначается через β.

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

Связь между β и α

Попробуем вывести соотношение между коэффициентом усиления базового тока 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

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

Деление 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 при приближении α к 1, β достигает бесконечности.

Следовательно, коэффициент усиления по току в соединении с общим эмиттером очень высок . По этой причине это схемное соединение в основном используется во всех транзисторных приложениях.

Выражение для тока коллектора

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

Мы знаем

$$I_E = I_B + I_C$$

А также

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

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

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

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

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

Коллектор эмиттер тока с открытой базой _{генерального директора}

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

Подставляя значение этого в предыдущее уравнение, получим

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

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

Отсюда получается уравнение для тока коллектора.

Колено Напряжение

В конфигурации CE, поддерживая постоянный ток I _B базы, если V _CE изменяется, I _C увеличивается почти до 1 В от V _CE и остается постоянным после этого. Это значение V _CE, до которого ток коллектора I _C изменяется с V _CE , называется напряжением на колене . Транзисторы, работая в конфигурации CE, работают с напряжением выше колена.

Характеристики конфигурации CE

• Эта конфигурация обеспечивает хорошее усиление тока и напряжения.

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

• Для любого значения V _CE выше напряжения колена I _C приблизительно равно βI _B.

• Входное сопротивление R _i представляет собой отношение изменения базового напряжения эмиттера (ΔV _BE ) к изменению базового тока (ΔI _B ) при постоянном напряжении эмиттера коллектора V _CE .

Эта конфигурация обеспечивает хорошее усиление тока и напряжения.

Сохраняя V _CE постоянным, при небольшом увеличении V _BE базовый ток I _B увеличивается быстрее, чем в конфигурациях CB.

Для любого значения V _CE выше напряжения колена I _C приблизительно равно βI _B.

Входное сопротивление R _i представляет собой отношение изменения базового напряжения эмиттера (ΔV _BE ) к изменению базового тока (ΔI _B ) при постоянном напряжении эмиттера коллектора V _CE .

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

• Поскольку входное сопротивление имеет очень низкое значение, достаточно небольшого значения V _BE , чтобы создать большой ток базового тока I _B.

• Выходное сопротивление R _o представляет собой отношение изменения напряжения эмиттера коллектора (ΔV _CE ) к изменению тока коллектора (ΔI _C ) при постоянной I _B.

Поскольку входное сопротивление имеет очень низкое значение, достаточно небольшого значения V _BE , чтобы создать большой ток базового тока I _B.

Выходное сопротивление R _o представляет собой отношение изменения напряжения эмиттера коллектора (ΔV _CE ) к изменению тока коллектора (ΔI _C ) при постоянной I _B.

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

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

• Эта конфигурация обычно используется для методов стабилизации смещения и применения звуковых частот.

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

Эта конфигурация обычно используется для методов стабилизации смещения и применения звуковых частот.

Конфигурация Common Collector (CC)

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

Как и в конфигурациях CB и CE, эмиттерный контакт смещен в прямом направлении, а коллекторный контакт — в обратном направлении. Поток электронов контролируется таким же образом. Входной ток — это базовый ток I _B, а выходной ток — это ток эмиттера I _E.

Коэффициент усиления тока (γ)

Отношение изменения тока эмиттера (I _E ) к изменению базового тока (I _B ) известно как коэффициент усиления тока в конфигурации с общим коллектором (CC). Обозначается через γ.

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

• Коэффициент усиления по току в конфигурации CC такой же, как в конфигурации CE.
• Коэффициент усиления по напряжению в конфигурации CC всегда меньше 1.

Связь между γ и α

Попробуем нарисовать некоторую 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

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

Деление 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.

• Усиление напряжения, обеспечиваемое этой схемой, составляет менее 1.

• Сумма тока коллектора и тока базы равна току эмиттера.

• Входные и выходные сигналы находятся в фазе.

• Эта конфигурация работает как выход неинвертирующего усилителя.

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

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

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

Усиление напряжения, обеспечиваемое этой схемой, составляет менее 1.

Сумма тока коллектора и тока базы равна току эмиттера.

Входные и выходные сигналы находятся в фазе.

Эта конфигурация работает как выход неинвертирующего усилителя.

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

Транзисторные регионы эксплуатации

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 соединениях эмиттера и коллектора.

Соединения имеют прямое и обратное смещение в зависимости от нашего требования. Прямое смещение — это условие, когда положительное напряжение подается на р-тип, а отрицательное напряжение подается на материал n-типа. Обратное смещение — это состояние, когда положительное напряжение подается на n-тип, а отрицательное напряжение подается на материал p-типа.

Транзистор смещения

Подача подходящего внешнего напряжения постоянного тока называется смещением . Для соединений эмиттера и коллектора транзистора выполняется прямое или обратное смещение.

Эти методы смещения заставляют схему транзистора работать в четырех видах областей, таких как активная область, область насыщения, область отсечки и обратная активная область (редко используется). Это понятно, если взглянуть на следующую таблицу.

Эмиттер Джанкшен	Коллектор Джанкшен	Регион Операции
Смещен в прямом направлении	Смещен в прямом направлении	Насыщенность региона
Смещен в прямом направлении	Обратное смещение	Активный регион
Обратное смещение	Смещен в прямом направлении	Обратная активная область
Обратное смещение	Обратное смещение	Отрезанный регион

Среди этих областей обратная активная область, которая является инверсией активной области, не подходит ни для каких приложений и, следовательно, не используется.

Активный регион

Это область, в которой транзисторы имеют множество применений. Это также называется линейной областью . Транзистор, находясь в этой области, лучше работает как усилитель .

Следующая принципиальная схема показывает транзистор, работающий в активной области.

Эта область находится между насыщением и отсечкой. Транзистор работает в активной области, когда переход эмиттера смещен в прямом направлении, а переход коллектора — в обратном направлении.

В активном состоянии ток коллектора в β раз больше базового тока, т.е.

$$I_C = \ beta I_B$$

Где I _C = ток коллектора, β = коэффициент усиления тока, а I _B = базовый ток.

Регион насыщенности

Это область, в которой транзистор ведет себя как замкнутый переключатель. Транзистор имеет эффект закорачивания коллектора и эмиттера. В этом режиме работы максимальный ток коллектора и эмиттера.

На следующем рисунке показан транзистор, работающий в области насыщения.

Транзистор работает в области насыщения, когда соединения эмиттера и коллектора смещены вперед.

В режиме насыщения

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

Как и в области насыщения, транзистор ведет себя как замкнутый переключатель,

$$I_C = I_E$$

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

Регион отсечения

Это область, в которой транзистор ведет себя как открытый выключатель. Транзистор имеет эффект открытия коллектора и основания. В этом режиме работы ток коллектора, эмиттера и базы равен нулю.

На рисунке ниже показан транзистор, работающий в области среза.

Транзистор работает в области среза, когда оба соединения эмиттера и коллектора имеют обратное смещение.

Как и 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 = базовый ток.

Анализ линии нагрузки транзистора

До сих пор мы обсуждали различные области работы транзистора. Но среди всех этих областей мы обнаружили, что транзистор хорошо работает в активной области и, следовательно, он также называется линейной областью . Выходами транзистора являются ток коллектора и напряжение коллектора.

Выходные характеристики

При рассмотрении выходных характеристик транзистора кривая выглядит следующим образом для различных входных значений.

На приведенном выше рисунке выходные характеристики показаны между током I _C коллектора и напряжением V _CE коллектора для различных значений базового тока I _B. Они рассматриваются здесь для различных входных значений, чтобы получить различные выходные кривые.

Нагрузка линии

Когда рассматривается значение максимально возможного тока коллектора, эта точка будет присутствовать на оси Y, которая является ничем иным, как точкой насыщения . Кроме того, когда рассматривается значение максимально возможного напряжения эмиттера коллектора, эта точка будет присутствовать на оси X, которая является точкой отсечки .

Когда рисуется линия, соединяющая эти две точки, такую ​​линию можно назвать линией загрузки . Это называется так, как он символизирует выход при нагрузке. Эта линия, проведенная над кривой выходной характеристики, вступает в контакт в точке, называемой рабочей точкой или точкой покоя, или просто Q-точкой .

Понятие линии нагрузки можно понять из следующего графика.

Линия нагрузки рисуется путем соединения точек насыщения и обрезания. Область, которая лежит между этими двумя, является линейной областью . Транзистор действует как хороший усилитель в этой линейной области.

Если эта линия нагрузки отображается только тогда, когда на транзистор подается смещение постоянного тока, но входной сигнал не подается, то такая линия нагрузки называется линией нагрузки постоянного тока . В то время как линия нагрузки проведена в условиях, когда подается входной сигнал вместе с напряжениями постоянного тока, такая линия называется линией нагрузки переменного тока .

Линия нагрузки постоянного тока

Когда на транзистор подается смещение, и на его вход не подается сигнал, линия нагрузки, проведенная в таких условиях, может пониматься как состояние постоянного тока . Здесь не будет усиления, так как сигнал отсутствует . Схема будет такой, как показано ниже.

Значение напряжения эмиттера коллектора в любой момент времени будет

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

Поскольку V _CC и R _C являются фиксированными значениями, приведенное выше является уравнением первой степени и, следовательно, будет представлять собой прямую линию на выходных характеристиках. Эта линия называется линией нагрузки постоянного тока . 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

Когда напряжение эмиттера коллектора 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, показанной на рисунке выше.

Для получения B

Когда ток коллектора I _C = 0, тогда напряжение эмиттера коллектора максимально 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, что означает (OB = V _CC ) на оси напряжения эмиттера коллектора, показанной на рисунке выше.

Следовательно, мы определили и насыщенность, и точку отсечки и узнали, что линия нагрузки — это прямая линия. Таким образом, линия нагрузки постоянного тока может быть проведена.

Линия нагрузки переменного тока

Линия нагрузки постоянного тока, обсуждавшаяся ранее, анализирует изменение токов и напряжений коллектора, когда напряжение переменного тока не подается. Принимая во внимание, что линия нагрузки переменного тока дает пиковое напряжение или максимально возможное выходное колебание для данного усилителя.

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

Из приведенного выше рисунка

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

$$r_C = R_C // R_1$$

Чтобы транзистор работал в качестве усилителя, он должен оставаться в активной области. Точка покоя выбрана таким образом, чтобы максимальное отклонение входного сигнала было симметричным как на отрицательных, так и на положительных полупериодах.

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, которая проведена между точками насыщения и среза.

Из приведенного выше графика, текущая IC в точке насыщения

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

Напряжение V _CE в точке отсечки составляет

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

Следовательно, максимальный ток для этого 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

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

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

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 в точке Q или в точке покоя . Конечными точками линии нагрузки переменного тока являются точки насыщения и отсечки. Это понятно из рисунка ниже.

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

В следующей главе мы подробно обсудим понятие точки покоя или рабочей точки .

Рабочая точка

Когда рисуется линия, соединяющая точки насыщения и обрезания, такую ​​линию можно назвать линией загрузки . Эта линия, проведенная над кривой выходной характеристики, вступает в контакт в точке, называемой рабочей точкой .

Эта рабочая точка также называется точкой покоя или просто Q-точкой . Таких точек пересечения может быть много, но точка Q выбирается 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 быть нарушена, поскольку она должна оставаться стабильной для достижения точного усиления. Следовательно, точка покоя или Q-точка — это значение, при котором достигается верное усиление .

Верное Усиление

Процесс увеличения силы сигнала называется усилением . Это усиление, когда оно выполняется без потерь в компонентах сигнала, называется точным усилением .

Достоверное усиление — это процесс получения полных порций входного сигнала за счет увеличения уровня сигнала. Это делается, когда на его вход подается сигнал переменного тока.

На приведенном выше графике входной сигнал полностью усиливается и воспроизводится без потерь. Это можно понимать как верное усиление .

Рабочая точка выбрана таким образом, чтобы она находилась в активной области и помогала воспроизводить полный сигнал без потерь.

Если рабочая точка считается вблизи точки насыщения, то усиление будет таким же, как при.

Если рабочая точка считается близкой к точке среза, то усиление будет таким же, как при.

Следовательно, расположение рабочей точки является важным фактором для достижения точного усиления. Но для того, чтобы транзистор функционировал должным образом в качестве усилителя, его входная схема (т. Е. Соединение база-эмиттер) остается смещенной в прямом направлении, а его выходная цепь (т.е. соединение коллектор-база) остается смещенной в обратном направлении.

Таким образом, усиленный сигнал содержит ту же информацию, что и во входном сигнале, тогда как мощность сигнала увеличивается.

Ключевые факторы для верного усиления

Чтобы обеспечить точное усиление, должны быть выполнены следующие основные условия.

• Собственный нулевой ток коллектора
• Минимальное правильное напряжение базы-эмиттера (V _BE ) в любой момент.
• Минимальное правильное напряжение коллектор-эмиттер (V _CE ) в любой момент.

Выполнение этих условий гарантирует, что транзистор работает над активной областью, имеющей прямое смещение входа и обратное смещение выхода.

Собственный ток коллектора нулевого сигнала

Чтобы понять это, давайте рассмотрим схему NPN-транзистора, как показано на рисунке ниже. Соединение база-эмиттер смещено вперед, а соединение коллектор-эмиттер смещено обратно. Когда сигнал подается на вход, переход база-эмиттер NPN-транзистора смещается вперед для положительного полупериода входа и, следовательно, он появляется на выходе.

Для отрицательного полупериода тот же самый переход становится обратным смещением, и, следовательно, цепь не проводит. Это приводит к неверному усилению, как показано на рисунке ниже.

Давайте теперь введем аккумулятор V _BB в базовую цепь. Величина этого напряжения должна быть такой, чтобы переход база-эмиттер транзистора оставался в прямом смещении даже для отрицательного полупериода входного сигнала. Когда входной сигнал не подается, в цепи течет постоянный ток из-за V _BB . Это известно как нулевой ток коллектора сигнала I _C.

Во время положительного полупериода входа, соединение база-эмиттер более смещено вперед, и, следовательно, ток коллектора увеличивается. Во время отрицательного полупериода входа входное соединение меньше смещено вперед и, следовательно, ток коллектора уменьшается. Следовательно, оба выходных цикла появляются на выходе и, следовательно, точные результаты усиления , как показано на рисунке ниже.

Следовательно, для точного усиления должен протекать ток коллектора нулевого сигнала. Значение нулевого тока коллектора сигнала должно быть, по крайней мере, равно максимальному току коллектора только из-за сигнала.

Правильный минимум V _BE в любой момент

Минимальное напряжение базы-эмиттера V _BE должно быть больше, чем напряжение включения для прямого смещения соединения. Минимальное напряжение, необходимое для проводимости кремниевого транзистора, составляет 0,7 В, а для германиевого транзистора — 0,5 В. Если напряжение V _BE базового эмиттера больше этого напряжения, потенциальный барьер преодолевается, и, следовательно, ток базы и токи коллектора резко возрастают.

Следовательно, если V _BE падает для любой части входного сигнала, эта часть будет усилена в меньшей степени из-за результирующего малого тока коллектора, что приводит к неверному усилению.

Правильный минимум V _CE в любой момент

Чтобы добиться точного усиления, напряжение эмиттера коллектора V _CE не должно опускаться ниже напряжения включения, которое называется напряжением на колене . Если V _CE меньше напряжения колена, основание коллектора коллектора не будет правильно смещено в обратном направлении. Тогда коллектор не сможет притягивать электроны, испускаемые эмиттером, и они будут течь к основанию, что увеличивает базовый ток. Таким образом, значение β падает.

Следовательно, если значение V _CE падает для какой-либо части входного сигнала, эта часть будет умножена в меньшей степени, что приведет к неверному усилению. Таким образом, если V _CE больше, чем V _KNEE, соединение коллектор-база правильно смещено обратно, и значение β остается постоянным, что приводит к точному усилению.

Транзистор как усилитель

Чтобы транзистор действовал как усилитель, он должен быть правильно смещен. Мы обсудим необходимость правильного смещения в следующей главе. Здесь, давайте сосредоточимся, как транзистор работает как усилитель.

Транзисторный усилитель

Транзистор действует как усилитель, повышая силу слабого сигнала. Напряжение смещения постоянного тока, приложенное к основанию соединения эмиттера, заставляет его оставаться в прямом смещенном состоянии. Это прямое смещение поддерживается независимо от полярности сигнала. На рисунке ниже показано, как выглядит транзистор при подключении в качестве усилителя.

Низкое сопротивление входной цепи позволяет любому небольшому изменению входного сигнала привести к значительному изменению выходного сигнала. Ток эмиттера, вызванный входным сигналом, вносит ток коллектора, который, когда протекает через нагрузочный резистор R _L , приводит к значительному падению напряжения на нем. Таким образом, небольшое входное напряжение приводит к большому выходному напряжению, что показывает, что транзистор работает как усилитель.

пример

Пусть произойдет изменение входного напряжения на 0,1 В, что дополнительно приведет к изменению тока эмиттера на 1 мА. Этот ток эмиттера, очевидно, вызовет изменение тока коллектора, которое также будет равно 1 мА.

Сопротивление нагрузки 5 кОм, помещенное в коллектор, будет создавать напряжение

5 кОм × 1 мА = 5 В

Следовательно, наблюдается, что изменение на 0,1 В на входе дает изменение на 5 В на выходе, что означает, что уровень напряжения сигнала усиливается.

Производительность усилителя

Поскольку общий тип подключения к излучателю в основном принят, давайте сначала разберемся с несколькими важными терминами, относящимися к этому режиму подключения.

Входное сопротивление

Поскольку входная цепь смещена в прямом направлении, входное сопротивление будет низким. Входное сопротивление — это сопротивление, создаваемое переходом база-эмиттер потоку сигнала.

По определению это отношение небольшого изменения напряжения базы-эмиттера (ΔV _BE ) к результирующему изменению тока базы (ΔI _B ) при постоянном напряжении коллектор-эмиттер.

Входное сопротивление, $R_i = \ frac {\ Delta V_ {BE}} {\ Delta I_B}$

Где R _i = входное сопротивление, V _BE = напряжение базы-эмиттера, а I _B = ток базы.

Выходное сопротивление

Выходное сопротивление транзисторного усилителя очень высокое. Ток коллектора изменяется очень слабо с изменением напряжения коллектор-эмиттер.

По определению это отношение изменения напряжения коллектора-эмиттера (ΔV _CE ) к результирующему изменению тока коллектора (ΔI _C ) при постоянном базовом токе.

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

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

Эффективная нагрузка на коллектор

Нагрузка подключена к коллектору транзистора, и для одноступенчатого усилителя выходное напряжение берется с коллектора транзистора, а для многоступенчатого усилителя то же самое собирается с каскадных каскадов транзисторной цепи.

По определению это общая нагрузка, видимая 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 одноступенчатого усилителя эффективная нагрузка равна нагрузке коллектора R _C.

В многоступенчатом усилителе (то есть имеющем более одного каскада усиления) также учитывается входное сопротивление R _i следующего каскада.

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, следовательно, эффективная нагрузка уменьшается.

Текущая прибыль

Коэффициент усиления по току, когда наблюдаются изменения входных и выходных токов, называется коэффициентом усиления по току . По определению это отношение изменения тока коллектора (I _C ) к изменению базового тока (I _B ).

Текущая прибыль, $\ beta = \ frac {\ Delta I_C} {\ Delta I_B}$

Значение β колеблется от 20 до 500. Коэффициент усиления по току указывает, что входной ток становится β-кратным в токе коллектора.

Усиление напряжения

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

Коэффициент усиления по напряжению, $A_V = \ frac {\ Delta V_ {CE}} {\ Delta V_ {BE}}$

= fracИзменитьввыводтекущий разэффективныйнагрузкаИзменитьввходтекущий развводсопротивление $$= \ frac {Изменить \: в \: вывод \: текущий \ раз эффективный \: нагрузка} {Изменить \: в \: вход \: текущий \ раз ввод \: сопротивление}$$

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

Для одной ступени R _AC = R _C.

Тем не менее, для многоступенчатой,

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

Где R _i — входное сопротивление следующей ступени.

Усиление силы

Коэффициент усиления по мощности, когда наблюдаются изменения входных и выходных токов, называется коэффициентом усиления по мощности .

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

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

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

= Коэффициент усиления по току × коэффициент усиления по напряжению

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

Транзистор смещения

Смещение — это процесс подачи постоянного напряжения, которое помогает в функционировании цепи. Транзистор основан на прямом смещении основания эмиттера и смещении основания коллектора, так что он остается в активной области, чтобы работать в качестве усилителя.

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

Транзистор смещения

Надлежащий поток нулевого тока коллектора сигнала и поддержание надлежащего напряжения коллекторного передатчика во время прохождения сигнала известен как смещение транзистора . Схема, которая обеспечивает смещение транзистора, называется схемой смещения .

Необходимость смещения постоянного тока

Если на вход BJT подается сигнал очень малого напряжения, он не может быть усилен. Потому что для BJT, чтобы усилить сигнал, должны быть выполнены два условия.

• Входное напряжение должно превышать напряжение включения для включенного транзистора.

• BJT должен находиться в активной области , чтобы работать в качестве усилителя .

Входное напряжение должно превышать напряжение включения для включенного транзистора.

BJT должен находиться в активной области , чтобы работать в качестве усилителя .

Если соответствующие источники постоянного тока и токи подаются через BJT от внешних источников, так что BJT работает в активной области и накладывает сигналы переменного тока, подлежащие усилению, то этой проблемы можно избежать. Заданное напряжение и токи постоянного тока выбраны таким образом, что транзистор остается в активной области в течение всего входного цикла переменного тока. Следовательно, необходимо смещение постоянного тока.

На рисунке ниже показан транзисторный усилитель с постоянным смещением на входной и выходной цепях.

Чтобы транзистор работал в качестве точного усилителя, рабочая точка должна быть стабилизирована. Давайте посмотрим на факторы, которые влияют 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 это влияет на значения I _CE , β, V _BE .

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

Таким образом, основная проблема, которая влияет на рабочую точку, это температура. Следовательно, рабочая точка должна быть независимой от температуры, чтобы достичь стабильности. Для этого вводятся схемы смещения.

стабилизация

Процесс создания рабочей точки, независимой от изменений температуры или изменений параметров транзистора, известен как стабилизация .

Как только стабилизация достигнута, значения I _C и V _CE становятся независимыми от колебаний температуры или замены транзистора. Хорошая схема смещения помогает в стабилизации рабочей точки.

Необходимость стабилизации

Стабилизация рабочей точки должна быть достигнута по следующим причинам.

• Температурная зависимость I _C
• Индивидуальные вариации
• Тепловой побег

Давайте разберемся в этих понятиях подробнее.

Температурная зависимость I _C

В качестве выражения для коллектора тока I _C

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

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

На ток утечки коллектора I _CBO сильно влияют перепады температуры. Чтобы выйти из этого, условия смещения устанавливаются так, чтобы нулевой ток коллектора сигнала I _C = 1 мА. Следовательно, рабочую точку необходимо стабилизировать, т. Е. Необходимо поддерживать постоянную 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.

Тепловой побег

В качестве выражения для коллектора тока I _C

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

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

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

Саморазрушение такого нестабилизированного транзистора известно как тепловое убегание .

Чтобы избежать теплового разгона и разрушения транзистора, необходимо стабилизировать рабочую точку, т. Е. _{Поддерживать} постоянную I _C.

Коэффициент стабильности

Понятно, что I _C следует поддерживать постоянным, несмотря на изменения I _CBO или I _CO . Степень, в которой схема смещения является успешной в поддержании этого, измеряется фактором стабильности . Обозначается S.

По определению скорость изменения тока I _C коллектора относительно тока I _CO утечки коллектора при постоянных β и I _B называется коэффициентом стабильности .

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

Следовательно, мы можем понять, что любое изменение тока утечки на коллекторе в значительной степени меняет ток на коллекторе. Коэффициент устойчивости должен быть как можно ниже, чтобы ток коллектора не пострадал. S = 1 — идеальное значение.

Общее выражение коэффициента устойчивости для конфигурации CE можно получить следующим образом.

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

Различая приведенное выше выражение по отношению к I _C , получим

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

Или же

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

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

Или же

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

Следовательно, коэффициент устойчивости S зависит от β, I _B и I _C.

Методы смещения транзистора

Смещение в транзисторных цепях осуществляется с помощью двух источников постоянного тока V _BB и V _CC . Экономично сводить источник постоянного тока к одному источнику вместо двух, что также упрощает схему.

Обычно используемые методы смещения транзистора

• Метод базового резистора
• Коллектор на базовый уклон
• Смещение с резистором обратной связи коллектора
• Смещение делителя напряжения

Все эти методы имеют один и тот же базовый принцип получения требуемых значений 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. Требуемый нулевой базовый ток сигнала обеспечивается V _CC, который протекает через R _B. Основание эмиттерного соединения смещено вперед, так как база положительна по отношению к эмиттеру.

Требуемое значение нулевого базового тока сигнала и, следовательно, тока коллектора (как I _C = βI _B ) может быть выполнено путем выбора правильного значения базового резистора RB. Следовательно, значение R _B должно быть известно. На рисунке ниже показано, как выглядит метод смещения схемы с базовым резистором.

Пусть I _C будет требуемым нулевым током коллектора 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 мала по сравнению с V _CC , им можно пренебречь с небольшой ошибкой. Затем,

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

Мы знаем, что V _CC является фиксированной известной величиной, и I _B выбирается при некотором подходящем значении. Поскольку R _B может быть найден напрямую, этот метод называется методом фиксированного смещения .

Фактор стабильности

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

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

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

Подставляя вышеуказанное значение в предыдущее уравнение,

Коэффициент устойчивости, $S = \ beta + 1$

Таким образом, коэффициент устойчивости при фиксированном смещении равен (β + 1), что означает, что I _C изменяется (β + 1) в разы по сравнению с любым изменением I _CO .

преимущества

• Схема проста.
• Требуется только один резистор R _E.
• Условия смещения устанавливаются легко.
• Эффект нагрузки отсутствует, так как резистор отсутствует в соединении база-эмиттер.

Недостатки

• Стабилизация плохая, поскольку выделение тепла невозможно остановить.

• Коэффициент устойчивости очень высок. Так что есть большие шансы на тепловое убегание.

Стабилизация плохая, поскольку выделение тепла невозможно остановить.

Коэффициент устойчивости очень высок. Так что есть большие шансы на тепловое убегание.

Следовательно, этот метод используется редко.

Коллектор на базовый уклон

Схема смещения между коллектором и базой такая же, как и схема смещения базы, за исключением того, что резистор R _B базы 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 базовый ток I _B. Это действие несколько компенсирует первоначальное увеличение.

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

Падение напряжения на R _L будет

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

С 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 практически 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 с фиксированным смещением. Таким образом, наблюдается улучшение стабильности.

Эта схема обеспечивает отрицательную обратную связь, которая уменьшает усиление усилителя. Таким образом, повышенная устойчивость коллектора к цепи смещения базы достигается за счет усиления напряжения переменного тока.

Смещение с резистором обратной связи коллектора

В этом способе базовый резистор R _B имеет один конец, соединенный с базой, а другой с коллектором, как следует из его названия. В этой схеме нулевой базовый ток сигнала определяется V _CB, но не V _CC .

Ясно, что V _CB смещает прямое соединение база-эмиттер, и, следовательно, ток I _B базы протекает через R _B. Это заставляет ток коллектора нулевого сигнала течь в цепи. На рисунке ниже показано смещение цепи резистора обратной связи коллектора.

Требуемое значение R _B, необходимое для выдачи нулевого тока сигнала I _C, может быть определено следующим образом.

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

Или же

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

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

Так как $I_C = \ beta I_B$

С другой стороны,

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

Или же

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

поскольку

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

куда

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

Математически,

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

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

Значения Q-точки для цепи 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, так как для нее нужен только один резистор.
• Эта схема обеспечивает некоторую стабилизацию для меньших изменений.

Недостатки

• Схема не обеспечивает хорошую стабилизацию.
• Схема обеспечивает отрицательную обратную связь.

Метод смещения делителя напряжения

Среди всех методов обеспечения смещения и стабилизации наиболее предпочтительным является метод смещения делителя напряжения . Здесь используются два резистора R ₁ и R ₂ , которые подключены к V _CC и обеспечивают смещение. Резистор R _E, используемый в эмиттере, обеспечивает стабилизацию.

Название делителя напряжения происходит от делителя напряжения, образованного R ₁ и R ₂ . Падение напряжения на прямой R ₂ смещает 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, поэтому можно с достаточной точностью предположить, что ток, протекающий через R ₂ , также равен I ₁ .

Теперь давайте попробуем вывести выражения для тока коллектора и напряжения коллектора.

Ток коллектора, I _ц

Из схемы видно, что

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

Следовательно, напряжение на сопротивлении R ₂ составляет

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

Применяя закон напряжения Кирхгофа к базовой цепи,

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

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

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

Так как I _E ≈ I _C ,

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

Из вышеприведенного выражения видно, что I _C не зависит от β. V _BE очень мала, и V _C вообще не влияет на I _BE . Таким образом, I _C в этой схеме практически не зависит от параметров транзистора и, следовательно, достигается хорошая стабилизация.

Напряжение коллектора-эмиттера, V _CE

Применяя закон напряжения Кирхгофа на стороне коллектора,

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

Так как я _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, тогда ток коллектора I _C уменьшается, что вызывает падение напряжения на R _E, чтобы увеличиваться. Поскольку падение напряжения на R ₂ составляет V ₂ , которое не зависит от I _C , значение V _BE уменьшается. Уменьшенное значение I _B стремится восстановить I _C к исходному значению.

Коэффициент стабильности

Уравнение для коэффициента устойчивости этой схемы получается как

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

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

куда

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

Если отношение R ₀ / R _E очень мало, тогда R0 / RE можно пренебречь по сравнению с 1, и коэффициент стабильности становится

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

Это наименьшее возможное значение S и приводит к максимально возможной термостабильности.

Компенсация смещения

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, она уменьшает усиление усилителя.

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

Диодная компенсация нестабильности

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

Существует два типа методов диодной компенсации. Они —

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

Давайте разберемся в этих двух методах компенсации в деталях.

Диодная компенсация нестабильности из-за вариации V _BE

В кремниевом транзисторе изменения значения V _BE приводят к изменениям I _C. Диод может быть использован в цепи эмиттера для компенсации изменений в V _BE или I _CO . Поскольку используемый 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 показан самоконтроль со стабилизацией и компенсацией.

Диод D смещен в прямом направлении источником V _DD и резистором R _D. Изменение V _BE с температурой такое же, как изменение V _D с температурой, поэтому величина (V _BE — V _D ) остается постоянной. Таким образом, ток I _C остается постоянным, несмотря на изменение V _BE .

Диодная компенсация нестабильности из-за изменения I _CO

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 транзисторного коллектора I _CO .

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

Диод D смещен в обратном направлении V _BE, и ток через него является током обратного насыщения I _O.

Теперь базовый ток

$$I_B = I - I_O$$

Подставляя вышеуказанное значение в выражение для тока коллектора.

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

Если β ≫ 1,

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

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

Другие компенсации

Существуют и другие методы компенсации, которые относятся к использованию чувствительных к температуре устройств, таких как диоды, транзисторы, термисторы, сенсоры и т. Д., Для компенсации изменений токов.

В этом методе есть два популярных типа схем, один с использованием термистора, а другой с использованием сенсора. Давайте посмотрим на них.

Компенсация термистора

Термистор является чувствительным к температуре устройством. Имеет отрицательный температурный коэффициент. Сопротивление термистора увеличивается при понижении температуры и уменьшается при повышении температуры. На приведенном ниже рисунке показан усилитель смещения 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. По мере повышения температуры сопротивление R _T термистора уменьшается, что увеличивает ток через него и резистор R _E. Теперь напряжение, развиваемое через R _E, увеличивается, что приводит к обратному смещению соединения эмиттера. Это обратное смещение настолько велико, что влияние резисторов R ₁ и R _2, обеспечивающих прямое смещение, также уменьшается. Это действие уменьшает рост тока коллектора.

Таким образом, температурная чувствительность термистора компенсирует увеличение тока коллектора, возникающее из-за температуры.

Компенсация сенсора

Сенсор — это сильно легированный полупроводник с положительным температурным коэффициентом. Сопротивление сенсора увеличивается с увеличением температуры и уменьшается с уменьшением температуры. На рисунке ниже показан усилитель смещения с самоконтролем.

На приведенном выше рисунке датчик может быть расположен параллельно с R ₁ или параллельно с R _E. По мере увеличения 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 излучателя уменьшается. В результате этого I _C уменьшается.

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

Термостойкость

Транзистор является температурно-зависимым устройством. Когда транзистор работает, коллекторное соединение получает большой поток электронов и, следовательно, выделяет много тепла. Это тепло, если оно увеличивается дальше допустимого предела, повреждает соединение и, следовательно, транзистор.

Чтобы защитить себя от повреждений, транзистор отводит тепло от места соединения с корпусом транзистора и оттуда на окружающий его открытый воздух.

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

И, температура коллектор-база — перехода транзистора Т = _J ^° С

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 — это коэффициент пропорциональности, и он называется термическим сопротивлением .

Тепловое сопротивление — это сопротивление тепловому потоку от соединения к окружающему воздуху. Обозначается H.

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

Единица Н составляет ^o С / ватт.

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

Радиатор

Транзистор, который обрабатывает большие мощности, рассеивает больше тепла во время работы. Это тепло, если оно не рассеивается должным образом, может повредить транзистор. Следовательно, силовые транзисторы, как правило, устанавливаются на больших металлических корпусах, чтобы обеспечить большую площадь для получения тепла, выделяемого во время его работы.

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

Радиатор выбирается после рассмотрения всех этих факторов. На рисунке показан силовой транзистор с радиатором.

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

Тепловой побег

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

Радиатор не единственное соображение; другие факторы, такие как рабочая точка, температура окружающей среды и тип используемого транзистора, также могут вызывать тепловое отклонение.

Основной усилитель

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

Электронный сигнал содержит некоторую информацию, которую нельзя использовать, если она не имеет надлежащей силы. Процесс увеличения силы сигнала называется усилением . Почти все электронное оборудование должно включать в себя некоторые средства для усиления сигналов. Мы находим применение усилителей в медицинских приборах, научном оборудовании, автоматике, военных инструментах, устройствах связи и даже в бытовой технике.

Усиление в практических приложениях осуществляется с использованием многоступенчатых усилителей. Ряд одноступенчатых усилителей каскадно образуют многоступенчатый усилитель. Давайте посмотрим, как построен одноступенчатый усилитель, который является основным для многоступенчатого усилителя.

Одноступенчатый транзисторный усилитель

Когда для усиления слабого сигнала используется только один транзистор со связанной схемой, схема называется одноступенчатым усилителем .

Анализ работы схемы одноступенчатого усилителя позволяет нам легко понять формирование и работу схем многоступенчатого усилителя. Одноступенчатый транзисторный усилитель имеет один транзистор, схему смещения и другие вспомогательные компоненты. Следующая схема показывает, как выглядит одноступенчатый транзисторный усилитель.

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

Следовательно, небольшой вход на базе усиливается как сигнал большей величины 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 известные 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 связывает входной сигнал с базой транзистора. Входной конденсатор C _in допускает сигнал переменного тока, но изолирует источник сигнала от R ₂ . Если этот конденсатор отсутствует, входной сигнал подается напрямую, что изменяет смещение на R ₂ .

Конденсатор связи C _C

Этот конденсатор присутствует в конце одной ступени и соединяет его с другой ступенью. Поскольку он соединяет две ступени, он называется конденсатором связи . Этот конденсатор блокирует постоянный ток одной ступени для входа в другую, но пропускает переменный ток. Следовательно это также называют блокирующим конденсатором .

Из-за наличия конденсатора связи C _C выходной сигнал через резистор R _L свободен от постоянного напряжения коллектора. Если этого нет, условия смещения следующей стадии будут радикально изменены из-за эффекта шунтирования R _C , так как он будет происходить параллельно с R ₂ следующей стадии.

Обходной конденсатор эмиттера C _E

Этот конденсатор используется параллельно эмиттерному резистору R _E. Усиленный сигнал переменного тока проходит через это. Если этого нет, этот сигнал будет проходить через R _E, что вызывает падение напряжения на R _E, которое обратится к входному сигналу, уменьшая выходное напряжение.

Нагрузочный резистор R _L

Сопротивление R _L, подключенное на выходе, называется нагрузочным резистором . Когда используется несколько ступеней, то R _L представляет входное сопротивление следующей ступени.

Различные цепные токи

Давайте пройдемся по различным цепным токам в полной цепи усилителя. Они уже упомянуты на рисунке выше.

Базовый ток

Когда в базовой цепи сигнал не подается, базовый ток I _B постоянного тока протекает из-за цепи смещения. Когда подается сигнал переменного тока, базовый ток переменного тока i _b также протекает. Поэтому при применении сигнала общий базовый ток i _B определяется как

$$i_B = I_B + i_b$$

Ток коллектора

Когда сигнал не подается, ток I _C коллектора постоянного тока протекает из-за цепи смещения. Когда подается сигнал переменного тока, ток i _c коллектора переменного тока также протекает. Следовательно, общий ток коллектора i _C определяется как

$$i_C = I_C + i_c$$

куда

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

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

Ток эмиттера

Когда сигнал не подается, течет ток эмиттера I _E постоянного тока. При применении сигнала общий ток эмиттера i _E определяется как

$$i_E = I_E + i_e$$

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.

Классификация усилителей

Схема усилителя — это схема, которая усиливает сигнал. Действие усилителя и важные соображения для практической схемы транзисторного усилителя также были подробно описаны в предыдущих главах.

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

На основании количества этапов

В зависимости от количества ступеней усиления, существуют одноступенчатые усилители и многоступенчатые усилители.

• Одноступенчатые усилители — это имеет только одну транзисторную схему, которая представляет собой одноступенчатое усиление.

• Многоступенчатые усилители — это имеет несколько транзисторных цепей, которые обеспечивают многоступенчатое усиление.

Одноступенчатые усилители — это имеет только одну транзисторную схему, которая представляет собой одноступенчатое усиление.

Многоступенчатые усилители — это имеет несколько транзисторных цепей, которые обеспечивают многоступенчатое усиление.

На основании его вывода

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

• Усилители напряжения — Схема усилителя, которая увеличивает уровень напряжения входного сигнала, называется усилителем напряжения.

• Усилители мощности — Схема усилителя, которая увеличивает уровень мощности входного сигнала, называется усилителем мощности.

Усилители напряжения — Схема усилителя, которая увеличивает уровень напряжения входного сигнала, называется усилителем напряжения.

Усилители мощности — Схема усилителя, которая увеличивает уровень мощности входного сигнала, называется усилителем мощности.

На основании входных сигналов

В зависимости от величины входного сигнала, они могут быть классифицированы как усилители малого сигнала и большого сигнала.

• Усилители малого сигнала — когда входной сигнал настолько слаб, что вызывает небольшие колебания тока коллектора по сравнению с его значением покоя, усилитель называется усилителем малого сигнала.

• Усилители большого сигнала — когда флуктуации тока коллектора велики, то есть выходят за пределы линейной части характеристик, усилитель называется усилителем большого сигнала.

Усилители малого сигнала — когда входной сигнал настолько слаб, что вызывает небольшие колебания тока коллектора по сравнению с его значением покоя, усилитель называется усилителем малого сигнала.

Усилители большого сигнала — когда флуктуации тока коллектора велики, то есть выходят за пределы линейной части характеристик, усилитель называется усилителем большого сигнала.

На основании частотного диапазона

В зависимости от диапазона частот используемых сигналов, существуют аудио и радиоусилители.

• Аудиоусилители — Схема усилителя, которая усиливает сигналы, лежащие в диапазоне звуковых частот, то есть в диапазоне частот от 20 Гц до 20 КГц, называется аудиоусилителем.

• Усилители мощности — Схема усилителя, которая усиливает сигналы, которые находятся в очень высоком диапазоне частот, называется усилителем мощности.

Аудиоусилители — Схема усилителя, которая усиливает сигналы, лежащие в диапазоне звуковых частот, то есть в диапазоне частот от 20 Гц до 20 КГц, называется аудиоусилителем.

Усилители мощности — Схема усилителя, которая усиливает сигналы, которые находятся в очень высоком диапазоне частот, называется усилителем мощности.

На основе условий смещения

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

• Усилитель класса A — Условия смещения в усилителе мощности класса A таковы, что ток коллектора протекает для всего применяемого сигнала переменного тока.

• Усилитель класса B — Условия смещения в усилителе мощности класса B таковы, что ток коллектора протекает в течение половины цикла входного переменного сигнала.

• Усилитель класса C — Условия смещения в усилителе мощности класса C таковы, что ток коллектора протекает менее чем на половину цикла входного переменного сигнала.

• Усилитель класса AB. Усилитель класса AB — это усилитель мощности класса AB, созданный путем объединения класса A и класса B, чтобы иметь все преимущества обоих классов и минимизировать проблемы, с которыми они сталкиваются.

Усилитель класса A — Условия смещения в усилителе мощности класса A таковы, что ток коллектора протекает для всего применяемого сигнала переменного тока.

Усилитель класса B — Условия смещения в усилителе мощности класса B таковы, что ток коллектора протекает в течение половины цикла входного переменного сигнала.

Усилитель класса C — Условия смещения в усилителе мощности класса C таковы, что ток коллектора протекает менее чем на половину цикла входного переменного сигнала.

Усилитель класса AB. Усилитель класса AB — это усилитель мощности класса AB, созданный путем объединения класса A и класса B, чтобы иметь все преимущества обоих классов и минимизировать проблемы, с которыми они сталкиваются.

На основе метода сцепления

В зависимости от способа соединения одного каскада с другим, есть усилитель с прямой связью, усилитель с прямой связью и трансформатор.

• Усилитель с RC-связью — Многоступенчатая схема усилителя, которая соединена со следующей ступенью с использованием комбинации резистора и конденсатора (RC), может называться RC-связанным усилителем.

• Усилитель с трансформаторной связью — Многоступенчатая схема усилителя, соединенная с следующей ступенью с помощью трансформатора, может называться усилителем с трансформаторной связью.

• Усилитель с прямой связью — Многоступенчатая схема усилителя, которая напрямую связана со следующей ступенью, может называться усилителем с прямой связью.

Усилитель с RC-связью — Многоступенчатая схема усилителя, которая соединена со следующей ступенью с использованием комбинации резистора и конденсатора (RC), может называться RC-связанным усилителем.

Усилитель с трансформаторной связью — Многоступенчатая схема усилителя, соединенная с следующей ступенью с помощью трансформатора, может называться усилителем с трансформаторной связью.

Усилитель с прямой связью — Многоступенчатая схема усилителя, которая напрямую связана со следующей ступенью, может называться усилителем с прямой связью.

На основе конфигурации транзистора

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

• Усилитель CE — Схема усилителя, которая сформирована с использованием комбинации транзисторов, настроенной CE, называется усилителем CE.

• Усилитель CB — Схема усилителя, которая сформирована с использованием комбинации транзисторов с CB-конфигурацией, называется CB-усилителем.

• Усилитель CC — Схема усилителя, которая сформирована с использованием транзисторной комбинации, сконфигурированной для CC, называется усилителем CC.

Усилитель CE — Схема усилителя, которая сформирована с использованием комбинации транзисторов, настроенной CE, называется усилителем CE.

Усилитель CB — Схема усилителя, которая сформирована с использованием комбинации транзисторов с CB-конфигурацией, называется CB-усилителем.

Усилитель CC — Схема усилителя, которая сформирована с использованием транзисторной комбинации, сконфигурированной для CC, называется усилителем CC.

На основании конфигураций

Любой транзисторный усилитель использует транзистор для усиления сигналов, который подключен в одной из трех конфигураций. Для усилителя лучше иметь высокий входной импеданс, чтобы избежать влияния нагрузки в многоступенчатых цепях и более низкого выходного импеданса, чтобы обеспечить максимальный выходной сигнал для нагрузки. Усиление напряжения и усиление мощности также должны быть высокими, чтобы обеспечить лучшую выходную мощность.

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

CB усилитель

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

строительство

Общая схема базового усилителя, использующая NPN-транзистор, показана ниже, входной сигнал подается на основание соединения эмиттера, а выходной сигнал берется из базового соединения коллектора.

Основное соединение эмиттера имеет прямое смещение V _EE, а основное соединение коллектора — обратное смещение 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 входные данные не применяются, создаются состояния покоя, а выходные данные отсутствуют. Поскольку V _be имеет отрицательное значение относительно земли, прямое смещение уменьшается для положительной половины входного сигнала. В результате этого базовый ток I _B также уменьшается.

На приведенном ниже рисунке показан CB-усилитель 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 составляет

$$V_C = I_C R_C$$

Этот V _C также уменьшается.

Когда I _C R _C уменьшается, V _CB увеличивается. Это потому что,

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

Таким образом, получается положительный полупериод производства.

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

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

Усилитель CE

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

строительство

Общая схема усилителя эмиттера с использованием NPN-транзистора является такой, как показано ниже, входной сигнал подается на основание эмиттера, а выходной сигнал берется из базового соединения коллектора.

Основное соединение эмиттера имеет прямое смещение V _EE, а основное соединение коллектора — обратное смещение 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 входные данные не применяются, создаются состояния покоя, а выходные данные отсутствуют. Когда прикладывается положительная половина сигнала, напряжение между базой и эмиттером V _be увеличивается, поскольку оно уже положительно по отношению к земле.

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

Следующая принципиальная схема показывает усилитель CE со схемой самосмещения.

Ток коллектора при протекании через R _C падения напряжения увеличивается.

$$V_C = I_C R_C$$

Как следствие этого, напряжение между коллектором и эмиттером уменьшается. Так как,

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

Таким образом, усиленное напряжение появляется через R _C.

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

Усилитель CE имеет высокий входной импеданс и более низкий выходной импеданс, чем усилитель CB. Усиление напряжения и усиление мощности также высоки в усилителе CE, и, следовательно, это в основном используется в усилителях аудио.

Усилитель CC

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

строительство

Схема усилителя с общим коллектором, использующая NPN-транзистор, как показано ниже, входной сигнал подается на соединение базового коллектора, а выходной сигнал принимается от соединения эмиттер-коллектор.

Основное соединение эмиттера имеет прямое смещение V _EE, а основное соединение коллектора — обратное смещение V _CC . Значения Q I _b и I _e регулируются R _b и R _e .

операция

Когда входные данные не применяются, создаются состояния покоя, а выходные данные отсутствуют. Когда применяется положительная половина сигнала, прямое смещение увеличивается, поскольку V _be является положительным по отношению к коллектору или заземлению. При этом базовый ток I _B и ток коллектора I _C увеличиваются.

Следующая принципиальная схема показывает усилитель CC с цепью самосмещения.

Следовательно, падение напряжения на R _e, т.е. на выходе, 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, усиление напряжения CC очень меньше, что ограничивает его применение только согласованием импедансов.

Сравнение усилителей CB CE CC

Давайте сравним характерные детали усилителей CB, CE и CC.

Характеристика	CE	CB	CC
Входное сопротивление	Низкий (от 1К до 2К)	Очень низкий (30-150 Ом)	Высокий (20-500 кОм)
Выходное сопротивление	Большой (≈ 50 К)	Высокий (≈ 500 К)	Низкий (50-1000 кОм)
Текущее усиление	B высокий	α <1	Высокий (1 + β)
Усиление напряжения	Высокий (≈ 1500)	Высокий (≈ 1500)	Меньше одного
Усиление мощности	Высокий (≈ 10000)	Высокий (≈ 7500)	Низкий (250-500)
Фаза между входом и выходом	обратная	так же	так же

Благодаря совместимости и характерным особенностям конфигурация с общим эмиттером в основном используется в схемах усилителей.

Многоступенчатый транзисторный усилитель

В практических применениях выход усилителя с одним состоянием обычно недостаточен, хотя это усилитель напряжения или мощности. Следовательно, они заменены многоступенчатыми транзисторными усилителями .

В многоступенчатых усилителях выход первого каскада соединен с входом следующего каскада с помощью соединительного устройства. Эти соединительные устройства обычно могут представлять собой конденсатор или трансформатор. Этот процесс соединения двух каскадов усилителя с использованием соединительного устройства можно назвать каскадным .

На следующем рисунке показан двухступенчатый усилитель, подключенный каскадом.

Общее усиление является произведением усиления напряжения отдельных ступеней.

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

Где A _V = общее усиление, A _V1 = усиление напряжения 1- ^й ступени и A _V2 = усиление напряжения 2- ^й ступени.

Если имеется n ступеней, произведение коэффициентов усиления напряжения этих n ступеней будет общим усилением схемы этого многоступенчатого усилителя.

Назначение сцепного устройства

Основными целями сцепного устройства являются

• Перевести переменный ток с выхода одной ступени на вход следующей ступени.

• Блокировать постоянный ток для перехода с выхода одного каскада на вход следующего каскада, что означает изоляцию условий постоянного тока.

Перевести переменный ток с выхода одной ступени на вход следующей ступени.

Блокировать постоянный ток для перехода с выхода одного каскада на вход следующего каскада, что означает изоляцию условий постоянного тока.

Типы сцепления

Соединение одного каскада усилителя с другим в каскаде с использованием соединительных устройств образует схему многоступенчатого усилителя . Существует четыре основных метода связи, использующих такие устройства связи, как резисторы, конденсаторы, трансформаторы и т. Д. Давайте разберемся с ними.

Сопротивление-емкостная связь

Это наиболее часто используемый метод связи, сформированный с использованием простой комбинации резистор-конденсатор . Конденсатор, который допускает переменный ток и блокирует постоянный ток, является основным элементом связи, используемым здесь.

Конденсатор связи пропускает переменный ток с выхода одной ступени на вход следующей ступени. При блокировании компонентов постоянного тока от напряжения смещения постоянного тока, чтобы повлиять на следующий этап. Давайте углубимся в детали этого метода связи в следующих главах.

Импедансное соединение

Сеть связи, которая использует индуктивность и емкость в качестве элементов связи, может называться сетью связи с импедансом.

В этом методе сопряжения по сопротивлению сопротивление соединительной катушки зависит от ее индуктивности и частоты сигнала, равной jwL . Этот метод не так популярен и редко используется.

Трансформаторная муфта

Способ соединения, в котором в качестве соединительного устройства используется трансформатор, можно назвать соединением трансформатора. В этом способе соединения конденсатор не используется, потому что сам трансформатор передает компонент переменного тока непосредственно в основание второй ступени.

Вторичная обмотка трансформатора обеспечивает базовый обратный путь и, следовательно, нет необходимости в базовом сопротивлении. Эта связь популярна своей эффективностью и согласованием импедансов, и поэтому она в основном используется.

Прямая связь

Если предыдущая ступень усилителя напрямую подключена к следующей ступени усилителя, это называется прямой связью . Условия смещения каскада отдельного усилителя разработаны таким образом, что каскады могут быть подключены напрямую без изоляции постоянного тока.

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

Роль конденсаторов в усилителях

Помимо цели соединения, существуют и другие цели, для которых в усилителях особенно мало конденсаторов. Чтобы понять это, дайте нам знать о роли конденсаторов в усилителях.

Входной конденсатор C _в

Входной конденсатор С, присутствующий на начальной стадии усилителя, связывает переменный сигнал с базой транзистора. Этот конденсатор C _в случае его отсутствия, источник сигнала будет параллелен резистору R _2, и напряжение смещения транзисторной базы будет изменено.

Следовательно, C _in позволяет переменному сигналу от источника поступать во входную цепь, не влияя на условия смещения.

Обходной конденсатор эмиттера C _e

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

В отсутствие этого конденсатора напряжение, развиваемое через R _E, будет передавать обратную связь на входную сторону, тем самым уменьшая выходное напряжение. Таким образом, в присутствии C _e усиленный переменный ток будет проходить через это.

Конденсатор связи C _C

Конденсатор C _C является конденсатором связи, который соединяет две ступени и предотвращает помехи постоянного тока между ступенями и контролирует смещение рабочей точки. Это также называется блокирующим конденсатором, потому что он не позволяет постоянному напряжению проходить через него.

В отсутствие этого конденсатора, R _C будет приходить параллельно с сопротивлением R ₁ сети смещения следующей ступени и, таким образом, изменять условия смещения следующей ступени.

Усилитель Рассмотрение

Для схемы усилителя общий коэффициент усиления усилителя является важным фактором. Чтобы добиться максимального усиления по напряжению, давайте найдем наиболее подходящую конфигурацию транзисторов для каскадирования.

Усилитель CC

• Коэффициент усиления по напряжению меньше единицы.
• Не подходит для промежуточных этапов.

CB усилитель

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

Усилитель CE

• Его усиление по напряжению больше единицы.
• Усиление напряжения дополнительно увеличивается путем каскадирования.

Характеристики усилителя CE таковы, что эта конфигурация очень подходит для каскадирования в схемах усилителя. Следовательно, большинство схем усилителей используют конфигурацию CE.

В последующих главах этого урока мы объясним типы усилителей связи.

RC усилитель связи

Сопротивление-емкостное соединение кратко называется RC-соединением. Это наиболее часто используемая техника связи в усилителях.

Конструкция двухступенчатого RC-сопряженного усилителя

Конструктивные детали двухэтапной схемы RC-транзисторного усилителя-усилителя следующие. Схема двухступенчатого усилителя имеет два транзистора, соединенных в конфигурации CE, и используется общий источник питания V _CC . Сеть делителей потенциала R ₁ и R ₂ и резистор R _e образуют сеть смещения и стабилизации. Обходной конденсатор эмиттера C _e предлагает путь с низким реактивным сопротивлением для сигнала.

Резистор R _L используется в качестве импеданса нагрузки. Входной конденсатор С, присутствующий на начальной ступени усилителя, связывает переменный сигнал с базой транзистора. Конденсатор C _C является конденсатором связи, который соединяет две ступени и предотвращает помехи постоянного тока между ступенями и контролирует смещение рабочей точки. На рисунке ниже показана принципиальная схема RC-усилителя.

Работа RC спаренного 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 следующую ступень. Это становится входом следующего каскада, усиленный выход которого снова появляется на нагрузке коллектора. Таким образом, сигнал усиливается поэтапно.

Важным моментом, который следует здесь отметить, является то, что общий выигрыш меньше, чем произведение выигрышей отдельных этапов. Это связано с тем, что, когда вторая ступень выполняется после первой ступени, эффективное сопротивление нагрузки первой ступени уменьшается из-за эффекта шунтирования входного сопротивления второй ступени. Следовательно, в многоступенчатом усилителе только коэффициент усиления последней ступени остается неизменным.

Поскольку мы рассматриваем здесь двухступенчатый усилитель, выходная фаза совпадает с входной. Потому что изменение фазы выполняется два раза с помощью двухступенчатой ​​схемы усилителя, сконфигурированной CE.

Частотный отклик RC-усилителя

Кривая частотной характеристики — это график, который показывает взаимосвязь между усилением напряжения и функцией частоты. АЧХ усилителя с RC-соединением показан на следующем графике.

Из вышеприведенного графика понятно, что частота уменьшается или уменьшается для частот ниже 50 Гц и для частот выше 20 кГц. тогда как усиление напряжения в диапазоне частот от 50 Гц до 20 КГц является постоянным.

Мы знаем это,

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

Это означает, что емкостное сопротивление обратно пропорционально частоте.

На низких частотах (то есть ниже 50 Гц)

Емкостное сопротивление обратно пропорционально частоте. На низких частотах реактивное сопротивление довольно высокое. Реактивное сопротивление входного конденсатора C _in и конденсатора C _C связи настолько велико, что допускается только малая часть входного сигнала. Реактивное сопротивление эмиттера на проходном конденсаторе C _E также очень высокое во время низких частот. Следовательно, он не может эффективно противодействовать сопротивлению излучателя. При всех этих факторах усиление напряжения снижается на низких частотах.

На высоких частотах (то есть выше 20 кГц)

Опять же, учитывая ту же точку, мы знаем, что емкостное реактивное сопротивление низкое на высоких частотах. Таким образом, конденсатор ведет себя как короткое замыкание на высоких частотах. В результате усиливается эффект нагрузки следующей ступени, что снижает коэффициент усиления по напряжению. Наряду с этим при уменьшении емкости эмиттерного диода увеличивается базовый ток транзистора, вследствие чего уменьшается коэффициент усиления по току (β). Следовательно, усиление напряжения падает на высоких частотах.

На средних частотах (т.е. от 50 Гц до 20 кГц)

Усиление напряжения конденсаторов поддерживается постоянным в этом диапазоне частот, как показано на рисунке. Если частота увеличивается, реактивное сопротивление конденсатора C _C уменьшается, что приводит к увеличению коэффициента усиления. Но этот реактив с более низкой емкостью увеличивает нагрузочный эффект следующей ступени, благодаря которой происходит снижение коэффициента усиления.

Благодаря этим двум факторам усиление поддерживается постоянным.

Преимущества RC спаренного усилителя

Ниже приведены преимущества RC усилителя.

• Частотная характеристика усилителя RC обеспечивает постоянное усиление в широком частотном диапазоне, поэтому наиболее подходит для аудио приложений.

• Схема проста и имеет более низкую стоимость, потому что она использует резисторы и конденсаторы, которые являются дешевыми.

• Это становится более компактным с технологией модернизации.

Частотная характеристика усилителя RC обеспечивает постоянное усиление в широком частотном диапазоне, поэтому наиболее подходит для аудио приложений.

Схема проста и имеет более низкую стоимость, потому что она использует резисторы и конденсаторы, которые являются дешевыми.

Это становится более компактным с технологией модернизации.

Недостатки RC спаренного усилителя

Ниже приведены недостатки RC усилителя.

• Напряжение и усиление мощности низкие из-за эффективного сопротивления нагрузки.

• Они становятся шумными с возрастом.

• Из-за плохого согласования импедансов передача энергии будет низкой.

Напряжение и усиление мощности низкие из-за эффективного сопротивления нагрузки.

Они становятся шумными с возрастом.

Из-за плохого согласования импедансов передача энергии будет низкой.

Применение RC спаренного усилителя

Ниже приведены применения RC-усилителя.

• Они имеют отличную точность воспроизведения звука в широком диапазоне частот.

• Широко используется в качестве усилителей напряжения

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

Они имеют отличную точность воспроизведения звука в широком диапазоне частот.

Широко используется в качестве усилителей напряжения

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

Усилитель с трансформаторной связью

Мы заметили, что основным недостатком RC-связанного усилителя является то, что эффективное сопротивление нагрузки уменьшается. Это потому, что входной импеданс усилителя низкий, а его выходной импеданс высокий.

Когда они соединены для создания многоступенчатого усилителя, высокий выходной импеданс одного каскада идет параллельно с низким входным сопротивлением следующего каскада. Следовательно, эффективное сопротивление нагрузки уменьшается. Эту проблему можно решить с помощью усилителя с трансформаторной связью .

В трансформаторном усилителе каскады усилителя соединяются с помощью трансформатора. Давайте рассмотрим конструкционные и эксплуатационные детали усилителя с трансформаторной связью.

Строительство трансформаторного усилителя

Схема усилителя, в которой предыдущая ступень подключена к следующей ступени с использованием трансформатора связи, называется усилителем с трансформаторной связью.

Трансформатор связи T ₁ используется для подачи выхода 1- ^й ступени на вход 2- ^й ступени. Нагрузка коллектора заменяется первичной обмоткой трансформатора. Вторичная обмотка подключена между делителем потенциала и основанием 2- ^й ступени, который обеспечивает вход для 2- ^й ступени. Вместо конденсатора связи, как в усилителе с RC-соединением, трансформатор используется для соединения любых двух каскадов в цепи усилителя с трансформатором.

На рисунке ниже показана принципиальная схема усилителя с трансформаторной связью.

Сеть R ₁ и R ₂ делителя потенциала и резистор R _e вместе образуют сеть смещения и стабилизации. Обходной конденсатор эмиттера C _e предлагает путь с низким реактивным сопротивлением для сигнала. Резистор R _L используется в качестве импеданса нагрузки. Входной конденсатор С, присутствующий на начальной ступени усилителя, связывает переменный сигнал с базой транзистора. Конденсатор C _C является конденсатором связи, который соединяет две ступени и предотвращает помехи постоянного тока между ступенями и контролирует смещение рабочей точки.

Работа трансформаторного усилителя

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 быть отражено как сопротивление высокой нагрузки по сравнению с предыдущей ступенью. Следовательно, напряжение на первичной обмотке передается в соответствии с отношением 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. Усиление усилителя является постоянным только для небольшого диапазона частот. Выходное напряжение равно току коллектора, умноженному на реактивное сопротивление первичной обмотки.

На низких частотах реактивное сопротивление первичного начинает падать, что приводит к уменьшению усиления. На высоких частотах емкость между витками обмоток действует как перепускной конденсатор для уменьшения выходного напряжения и, следовательно, усиления.

Таким образом, усиление аудиосигналов не будет пропорциональным, и также будут вводиться некоторые искажения, которые называются частотными искажениями .

Преимущества усилителя с трансформаторной связью

Ниже приведены преимущества усилителя с трансформаторной связью:

• Обеспечивается превосходное согласование импеданса.
• Полученная прибыль выше.
• Не будет потерь мощности в коллекторе и базовых резисторах.
• Эффективен в эксплуатации.

Недостатки усилителя с трансформаторной связью

Ниже перечислены недостатки усилителя с трансформаторной связью.

• Хотя усиление велико, оно значительно меняется с частотой. Отсюда плохая частотная характеристика.

• Частота искажений выше.

• Трансформаторы, как правило, издают гул.

• Трансформаторы громоздки и дороги.

Хотя усиление велико, оно значительно меняется с частотой. Отсюда плохая частотная характеристика.

Частота искажений выше.

Трансформаторы, как правило, издают гул.

Трансформаторы громоздки и дороги.

Приложения

Ниже приведены применения усилителя с трансформаторной связью:

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

Усилитель с прямой связью

Другой тип усилителя связи — это усилитель с прямой связью, который особенно используется для усиления более низких частот, таких как усиливающий фотоэлектрический ток или ток термопары или около того.

Усилитель с прямой связью

Поскольку никакие устройства связи не используются, соединение каскадов усилителя выполняется напрямую и, следовательно, называется усилителем с прямой связью .

строительство

На рисунке ниже показан трехступенчатый транзисторный усилитель с прямой связью. Выход транзистора первой ступени T ₁ соединен со входом транзистора второй ступени T ₂ .

Транзистор на первой ступени будет транзистором NPN, а транзистор на следующей ступени будет транзистором PNP и так далее. Это потому, что изменения в одном транзисторе имеют тенденцию отменять изменения в другом. Повышение тока коллектора и изменение β одного транзистора отменяется уменьшением другого.

операция

При подаче входного сигнала на базу транзистора T ₁ он усиливается вследствие действия транзистора, а усиленный выход появляется на резисторе R _c коллектора транзистора T ₁ . Этот выход подается на базу транзистора T _2, который дополнительно усиливает сигнал. Таким образом, сигнал усиливается в схеме усилителя с прямой связью.

преимущества

Преимущества усилителя с прямой связью заключаются в следующем.

• Схема проста из-за минимального использования резисторов.

• Схема имеет низкую стоимость из-за отсутствия дорогих соединительных устройств.

Схема проста из-за минимального использования резисторов.

Схема имеет низкую стоимость из-за отсутствия дорогих соединительных устройств.

Недостатки

Недостатки усилителя с прямой связью заключаются в следующем.

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

Приложения

Применение усилителя с прямой связью заключается в следующем.

• Низкочастотные усиления.
• Усиление слабого тока.

сравнениях

Попробуем сравнить характеристики различных типов методов связи, которые обсуждались до сих пор.

S.No	Особенно	RC муфта	Трансформаторная муфта	Прямая связь
1	Частотный отклик	Отлично в звуковом диапазоне частот	Бедные	Лучший
2	Стоимость	Меньше	Больше	Наименее
3	Пространство и вес	Меньше	Больше	Наименее
4	Сопротивление импеданса	Нехорошо	Отлично	Хорошо
5	использование	Для усиления напряжения	Для усиления мощности	Для усиления крайне низких частот

Усилители мощности

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

Усилитель мощности

После преобразования аудиосигнала в электрический сигнал выполняется несколько усилений 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 действие которого контролируется входным сигналом.

Мощность постоянного тока распределяется в соответствии с соотношением,

Потребляемая мощность постоянного тока = выходная мощность переменного тока + потери

Силовой транзистор

Для такого усиления мощности обычный транзистор не подойдет. Транзистор, который изготавливается для усиления мощности, называется силовым транзистором .

Силовой транзистор отличается от других транзисторов следующими факторами.

• Он больше по размеру, чтобы справляться с большими силами.

• Область коллектора транзистора сделана большой, и радиатор расположен на стыке коллектор-основание, чтобы минимизировать генерируемое тепло.

• Области эмиттера и базы силового транзистора сильно легированы.

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

Он больше по размеру, чтобы справляться с большими силами.

Область коллектора транзистора сделана большой, и радиатор расположен на стыке коллектор-основание, чтобы минимизировать генерируемое тепло.

Области эмиттера и базы силового транзистора сильно легированы.

Из-за низкого входного сопротивления требуется низкая входная мощность.

Следовательно, существует большое различие в усилении напряжения и усилении мощности. Итак, давайте теперь попробуем разобраться в деталях, чтобы понять разницу между усилителем напряжения и усилителем мощности.

Разница между напряжением и усилителями мощности

Попробуем провести различие между напряжением и усилителем мощности.

Усилитель напряжения

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

Коэффициент усиления усилителя определяется

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

Характеристики усилителя напряжения следующие:

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

• Сопротивление входного резистора R _in должно быть низким по сравнению с нагрузкой коллектора R _C.

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

• Усилители напряжения используются для малых сигнальных напряжений.

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

Сопротивление входного резистора R _in должно быть низким по сравнению с нагрузкой коллектора R _C.

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

Усилители напряжения используются для малых сигнальных напряжений.

Усилитель мощности

Функция усилителя мощности заключается в повышении уровня мощности входного сигнала. Он необходим для подачи большого количества энергии и должен выдерживать большой ток.

Характеристики усилителя мощности следующие:

• База транзистора выполнена утолщенной, чтобы выдерживать большие токи. Значение β является (β> 100) высоким.

• Размер транзистора сделан больше, чтобы рассеивать больше тепла, которое вырабатывается во время работы транзистора.

• Трансформаторная муфта используется для согласования импедансов.

• Сопротивление коллектора сделано низким.

База транзистора выполнена утолщенной, чтобы выдерживать большие токи. Значение β является (β> 100) высоким.

Размер транзистора сделан больше, чтобы рассеивать больше тепла, которое вырабатывается во время работы транзистора.

Трансформаторная муфта используется для согласования импедансов.

Сопротивление коллектора сделано низким.

Сравнение между усилителями 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	Высокий (4-10 кОм)	Низкий (от 5 до 20 Ом)
3	Связь	Обычно RC связь	Неизменно трансформаторная муфта
4	Входное напряжение	Низкий (несколько мВ)	Высокий (2-4 В)
5	Ток коллектора	Низкий (≈ 1 мА)	Высокий (> 100 мА)
6	Выходная мощность	Низкий	Высоко
7	Выходное сопротивление	Высокий (≈ 12 кОм)	Низкий (200 Ом)

Классификация усилителей мощности

Усилители мощности усиливают уровень мощности сигнала. Это усиление выполняется на последнем этапе в аудио приложениях. Приложения, связанные с радиочастотами, используют усилители мощности радиосигналов. Но рабочая точка транзистора играет очень важную роль в определении эффективности усилителя. Основная классификация осуществляется на основе этого режима работы.

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

Классификация на основе частот

Усилители мощности делятся на две категории в зависимости от частоты, с которой они работают. Они заключаются в следующем.

• Усилители мощности звука — Усилители мощности звука повышают уровень мощности сигналов в диапазоне звуковых частот (от 20 Гц до 20 КГц). Они также известны как усилители мощности малого сигнала .

• Усилители мощности радиоприемника — Усилители мощности радиоприемника или настроенные усилители мощности повышают уровень мощности сигналов в диапазоне радиочастот (от 3 кГц до 300 ГГц). Они также известны как усилители мощности большого сигнала .

Усилители мощности звука — Усилители мощности звука повышают уровень мощности сигналов в диапазоне звуковых частот (от 20 Гц до 20 КГц). Они также известны как усилители мощности малого сигнала .

Усилители мощности радиоприемника — Усилители мощности радиоприемника или настроенные усилители мощности повышают уровень мощности сигналов в диапазоне радиочастот (от 3 кГц до 300 ГГц). Они также известны как усилители мощности большого сигнала .

Классификация на основе режима работы

На основе режима работы, то есть части цикла ввода, в течение которого протекает ток коллектора, усилители мощности могут быть классифицированы следующим образом.

• Усилитель мощности класса A — когда ток коллектора протекает постоянно во время полного цикла сигнала, усилитель мощности называется усилителем мощности класса А.

• Усилитель мощности класса B — когда ток коллектора протекает только во время положительного полупериода входного сигнала, усилитель мощности называется усилителем мощности класса B.

• Усилитель мощности класса C — когда ток коллектора протекает менее половины цикла входного сигнала, усилитель мощности называется усилителем мощности класса C.

Усилитель мощности класса A — когда ток коллектора протекает постоянно во время полного цикла сигнала, усилитель мощности называется усилителем мощности класса А.

Усилитель мощности класса B — когда ток коллектора протекает только во время положительного полупериода входного сигнала, усилитель мощности называется усилителем мощности класса B.

Усилитель мощности класса C — когда ток коллектора протекает менее половины цикла входного сигнала, усилитель мощности называется усилителем мощности класса C.

Там формируется другой усилитель, называемый усилителем класса AB, если мы объединяем усилители класса A и класса B, чтобы использовать преимущества обоих.

Прежде чем углубляться в детали этих усилителей, давайте взглянем на важные термины, которые необходимо учитывать для определения эффективности усилителя.

Условия, касающиеся производительности

Основной целью усилителя мощности является получение максимальной выходной мощности. Для достижения этого важными факторами, которые необходимо учитывать, являются эффективность коллектора, способность рассеивания мощности и искажения. Давайте рассмотрим их подробно.

Эффективность коллектора

Это объясняет, насколько хорошо усилитель преобразует мощность постоянного тока в мощность переменного тока. Когда источник постоянного тока подается от батареи, но не подается входной сигнал переменного тока, выход коллектора при таком условии рассматривается как эффективность коллектора .

Эффективность коллектора определяется как

 eta= fracсредняяпеременнаямощностьвыходнаямощностьсредняяпостояннаявеличинамощностьвходнаямощность::ктранзистор $$\ eta = \ frac {средняя \: переменная \: мощность \: выходная мощность} {средняя \: постоянная величина \: мощность \: входная мощность:: к \: транзистор}$$

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

Основной целью усилителя мощности является получение максимальной эффективности коллектора. Следовательно, чем выше значение эффективности коллектора, тем эффективнее будет усилитель.

Мощность рассеивания мощности

Каждый транзистор нагревается во время работы. Поскольку силовой транзистор выдерживает большие токи, он нагревается сильнее. Это тепло увеличивает температуру транзистора, что изменяет рабочую точку транзистора.

Таким образом, для поддержания стабильности рабочей точки температура транзистора должна поддерживаться в допустимых пределах. Для этого выделяемое тепло должно рассеиваться. Такая емкость называется способностью рассеивания мощности.

Способность рассеивать мощность может быть определена как способность силового транзистора рассеивать тепло, выделяемое в нем. Металлические корпуса, называемые теплоотводами, используются для рассеивания тепла, выделяемого в силовых транзисторах.

Искажение

Транзистор — это нелинейное устройство. По сравнению с входом, есть несколько изменений в выходе. В усилителях напряжения эта проблема не является преобладающей, так как используются небольшие токи. Но в усилителях мощности, когда используются большие токи, проблема искажения, безусловно, возникает.

Искажение определяется как изменение формы выходной волны от формы входной волны усилителя. Усилитель, который имеет меньшие искажения, производит лучшую выходную мощность и, следовательно, считается эффективным.

Усилители мощности класса A

Мы уже сталкивались с деталями смещения транзистора, что очень важно для работы транзистора в качестве усилителя. Следовательно, чтобы добиться точного усиления, смещение транзистора должно быть сделано так, чтобы усилитель работал в линейной области.

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

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

Рабочая точка этого усилителя присутствует в линейной области. Он выбран таким образом, что ток течет в течение всего входного цикла переменного тока. На приведенном ниже рисунке поясняется выбор рабочей точки.

Выходные характеристики с рабочей точкой Q показаны на рисунке выше. Здесь (I _c ) _Q и (V _ce ) _{Q не} представляют ток коллектора сигнала и напряжение между коллектором и эмиттером соответственно. Когда сигнал подается, 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, получаемая от аккумуляторной батареи V _cc , определяется выражением

$$P_ {in} = напряжение \ времена тока = V_ {CC} (I_C) _Q$$

Эта сила используется в следующих двух частях —

• Мощность, рассеиваемая в нагрузке коллектора, поскольку тепло дается

$$P_ {RC} = (текущий) ^ 2 \ раза сопротивление = (I_C) ^ 2_Q R_C$$

• Мощность, передаваемая транзистору, определяется как

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

При подаче сигнала мощность, передаваемая транзистору, используется в следующих двух частях:

• Мощность переменного тока развивается через нагрузочные резисторы RC, которые составляют 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 — среднеквадратичное значение выходного тока переменного 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

Мощность переменного тока развивается через нагрузочные резисторы RC, которые составляют 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 — среднеквадратичное значение выходного тока переменного 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 представили весь поток энергии на следующей диаграмме.

Этот усилитель мощности класса A может усиливать малые сигналы с наименьшим искажением, и выходной сигнал будет точной копией входного сигнала с повышенной силой.

Давайте теперь попробуем нарисовать некоторые выражения для представления эффективности.

Общая эффективность

Общая эффективность схемы усилителя определяется

$$ (\ eta) _ {в целом} = \ frac {ac \: power \: доставлено \: в \: \: нагрузка} {общая \: мощность \: доставлено \: by \: dc \: supply} $ $

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

Эффективность коллектора

КПД коллектора транзистора определяется как

( eta)collector= fracсреднееacpoweroutputсреднееdcpowerinputtotransistor $$(\ eta) _ {collector} = \ frac {среднее \: ac \: power \: output} {среднее \: dc \: power \: input \: to \: transistor}$$

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

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

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

Преимущества усилителей класса A

Преимущества усилителя мощности класса А следующие:

• Ток течет для полного входного цикла
• Может усиливать небольшие сигналы
• Выход совпадает с вводом
• Никаких искажений нет

Недостатки усилителей класса А

Преимущества усилителя мощности класса А следующие:

• Низкая выходная мощность
• Низкая эффективность коллектора

Усилитель мощности класса А с трансформаторной связью

Усилитель мощности класса A, как обсуждалось в предыдущей главе, является схемой, в которой выходной ток протекает в течение всего цикла входного питания переменного тока. Мы также узнали о его недостатках, таких как низкая выходная мощность и эффективность. Чтобы минимизировать эти эффекты, был представлен усилитель мощности класса А с трансформаторной связью.

Конструкцию усилителя мощности класса A можно понять с помощью рисунка ниже. Это похоже на нормальную схему усилителя, но связано с трансформатором в коллекторе нагрузки.

Здесь R ₁ и R ₂ обеспечивают потенциальное расположение делителя. Резистор Re обеспечивает стабилизацию, C _e — байпасный конденсатор, а R _{e —} для предотвращения переменного напряжения. Используемый здесь трансформатор является понижающим трансформатором.

Первичная обмотка высокого импеданса трансформатора подключена к цепи коллектора с высоким импедансом. Второстепенное устройство с низким импедансом подключено к нагрузке (обычно громкоговоритель).

Трансформер Действие

Трансформатор, используемый в цепи коллектора, предназначен для согласования импедансов. R _L — нагрузка, подключенная во вторичной обмотке трансформатора. R _L ‘- отраженная нагрузка в первичной обмотке трансформатора.

Число витков в первичной обмотке равно n _1, а при вторичной обмотке n ₂ . Пусть V ₁ и V ₂ будут первичными и вторичными напряжениями, а I ₁ и I ₂ будут первичными и вторичными токами соответственно. На приведенном ниже рисунке четко показан трансформатор.

Мы знаем это

 fracV1V2= fracn1n2и fracI1I2= fracn1n2 $$\ frac {V_1} {V_2} = \ frac {n_1} {n_2} \: и \: \ frac {I_1} {I_2} = \ frac {n_1} {n_2}$$

Или же

V1= fracn1n2V2иI1= fracn1n2I2 $$V_1 = \ frac {n_1} {n_2} V_2 \: и \: I_1 = \ frac {n_1} {n_2} I_2$$

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

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

Следовательно,

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

куда

n= fracчислоизповоротовввпервичноечислоизповоротовввторичное= fracn1n2 $$n = \ frac {число \: из \: поворотов \: в \: в \: первичное} {число \: из \: поворотов \: в \: вторичное} = \ frac {n_1} {n_2}$$

Усилитель мощности может быть согласован, если принять правильное соотношение оборотов в понижающем трансформаторе.

Схема работы

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

Рабочая точка, очевидно, изменяется при подаче сигнала. Напряжение на коллекторе изменяется в противофазе с током коллектора. Изменение напряжения коллектора появляется через первичную обмотку трансформатора.

Анализ цепей

Потеря мощности в первичной обмотке считается незначительной, так как ее сопротивление очень мало.

Входная мощность при условии постоянного тока будет

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

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

следовательно

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

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

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,

Эффективность 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 А составляет почти 30%, тогда как он был повышен до 50% благодаря использованию усилителя мощности класса А с трансформаторной связью.

преимущества

Преимущества усилителя мощности класса А в трансформаторе заключаются в следующем.

• Нет потери мощности сигнала в резисторе базы или коллектора.
• Превосходное согласование импеданса достигается.
• Прибыль высока.
• Обеспечена изоляция постоянного тока.

Недостатки

Недостатки усилителя мощности класса А с трансформаторной связью заключаются в следующем.

• Низкочастотные сигналы сравнительно менее усилены.
• Слышен шум от трансформаторов.
• Трансформаторы громоздки и дороги.
• Плохая частотная характеристика.

Приложения

Применение усилителя мощности класса А с трансформаторной связью заключается в следующем.

• В этой схеме согласование импедансов является основным критерием.

• Они используются в качестве усилителей драйвера и иногда в качестве выходных усилителей.

В этой схеме согласование импедансов является основным критерием.

Они используются в качестве усилителей драйвера и иногда в качестве выходных усилителей.

Двухтактный усилитель мощности класса A

До сих пор мы видели два типа усилителей мощности класса А. Основными проблемами, которые следует решать, являются низкая выходная мощность и эффективность. Можно получить более высокую выходную мощность и эффективность, чем у усилителя класса A, используя комбинационную пару транзисторов, называемую двухтактной конфигурацией.

В этой схеме мы используем два дополнительных транзистора на выходном каскаде, причем один транзистор имеет тип NPN или N-канал, а другой транзистор — тип PNP или P-канал (комплемент), подключенный для их работы как PUSH транзистор. ВКЛЮЧИТЬ и ВЫКЛЮЧИТЬ другой транзистор одновременно. Эта двухтактная конфигурация может быть выполнена в усилителях класса A, класса B, класса C или класса AB.

Конструкция усилителя мощности Push-Pull класса A

Конструкция схемы усилителя мощности класса A в двухтактной конфигурации показана на рисунке ниже. Такое расположение главным образом уменьшает гармонические искажения, вносимые нелинейностью передаточных характеристик одного транзисторного усилителя.

В двухтактном устройстве два одинаковых транзистора T ₁ и T ₂ имеют замыкающие выводы эмиттера. Входной сигнал подается на транзисторы через трансформатор T _r1, который подает сигналы противоположной полярности на обе базы транзисторов. Коллекторы обоих транзисторов подключены к первичной обмотке выходного трансформатора T _r2 . Оба трансформатора отцентрированы. Питание V _CC подается на коллекторы обоих транзисторов через первичную обмотку выходного трансформатора.

Резисторы R ₁ и R ₂ обеспечивают смещающее устройство. Нагрузка обычно представляет собой громкоговоритель, который подключен через вторичную обмотку выходного трансформатора. Коэффициент витков выходного трансформатора выбирается таким образом, чтобы нагрузка хорошо согласовывалась с выходным сопротивлением транзистора. Таким образом, максимальная мощность подается на нагрузку усилителем.

Схема работы

Выходной сигнал собирается с выходного трансформатора T _r2 . Первичная обмотка этого трансформатора T _r2 практически не имеет постоянного тока через него. Транзисторы T ₁ и T ₂ имеют свои коллекторы, подключенные 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 является более положительной, в то время как база транзистора T ₂ является менее положительной. Следовательно, ток коллектора i _c1 транзистора T ₁ увеличивается, тогда как ток коллектора i _c2 транзистора T ₂ уменьшается. Эти токи протекают в противоположных направлениях в двух половинах первичной обмотки выходного трансформатора. Кроме того, поток, создаваемый этими токами, также будет в противоположных направлениях.

Следовательно, напряжение на нагрузке будет индуцированным напряжением, величина которого будет пропорциональна разности 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

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

As $i_ {c2}> i_ {c1}$

Полярность напряжения, индуцированного на нагрузке, будет изменена.

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

Для лучшего понимания рассмотрим приведенный ниже рисунок.

В результате всей операции возникает напряжение переменного тока, индуцированное во вторичной обмотке выходного трансформатора, и, следовательно, мощность переменного тока подается на эту нагрузку.

Понятно, что в течение любого данного полупериода входного сигнала один транзистор приводится (или проталкивается) глубоко в проводимость, тогда как другой является непроводящим (вытянутым). Отсюда и название двухтактный усилитель . Гармоническое искажение в двухтактном усилителе сводится к минимуму, поэтому все четные гармоники исключаются.

преимущества

Преимущества двухтактного усилителя класса A заключаются в следующем

• Высокая мощность переменного тока получается.

• На выходе нет четных гармоник.

• Эффект пульсации напряжения уравновешен. Они присутствуют в источнике питания из-за неадекватной фильтрации.

Высокая мощность переменного тока получается.

На выходе нет четных гармоник.

Эффект пульсации напряжения уравновешен. Они присутствуют в источнике питания из-за неадекватной фильтрации.

Недостатки

Недостатки двухтактного усилителя класса А заключаются в следующем

• Транзисторы должны быть одинаковыми, чтобы обеспечить одинаковое усиление.
• Отвод от центра требуется для трансформаторов.
• Трансформаторы громоздки и дороги.

Усилитель мощности класса B

Когда ток коллектора протекает только во время положительного полупериода входного сигнала, усилитель мощности известен как усилитель мощности класса B.

Операция класса B

Смещение транзистора в режиме класса B происходит таким образом, что при нулевом условии сигнала ток коллектора не будет. Рабочая точка выбирается так, чтобы она находилась при отключенном напряжении коллектора. Таким образом, при подаче сигнала на выходе усиливается только положительный полупериод .

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

Когда сигнал подается, цепь смещена в прямом направлении для положительного полупериода входа, и, следовательно, ток коллектора течет. Но во время отрицательного полупериода на входе цепь смещается в обратном направлении, и ток коллектора будет отсутствовать. Следовательно, только положительный полупериод усиливается на выходе.

Поскольку отрицательный полупериод полностью отсутствует, искажение сигнала будет высоким. Также, когда приложенный сигнал увеличивается, рассеиваемая мощность будет больше. Но по сравнению с усилителем мощности класса А выходная эффективность увеличивается.

Ну, чтобы минимизировать недостатки и добиться низкого искажения, высокой эффективности и высокой выходной мощности, в этом усилителе класса B используется двухтактная конфигурация.

Двухтактный усилитель класса B

Хотя эффективность усилителя мощности класса B выше, чем класса A, поскольку используется только один полупериод входа, искажение является высоким. Кроме того, потребляемая мощность используется не полностью. 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 , основания которых подключены к вторичной обмотке входного трансформатора с центральным ответвлением T _r1 . Излучатели закорочены, а на коллекторы _{подается} питание V _CC через первичную _{обмотку} выходного трансформатора T _r2 .

Схема расположения двухтактных усилителей класса B такая же, как и у двухтактных усилителей класса A, за исключением того, что транзисторы смещены при отключении вместо использования смещающих резисторов. На рисунке ниже представлена ​​подробная информация о конструкции двухтактного усилителя мощности класса B.

Схема работы двухтактного усилителя класса B подробно описана ниже.

операция

Схема двухтактного усилителя класса B, показанная на рисунке выше, очищает, что оба трансформатора имеют центральное отвод. Когда на вход не подается сигнал, транзисторы T ₁ и T ₂ находятся в отключенном состоянии и, следовательно, ток коллектора не протекает. Поскольку ток не подается из V _CC , мощность не теряется.

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

В течение следующего полупериода транзистор T ₁ переходит в состояние отключения, а транзистор T ₂ переходит в проводимость для обеспечения выхода. Следовательно, для обоих циклов каждый транзистор проводит попеременно. Выходной трансформатор T _r3 служит для соединения двух токов, создавая практически неискаженную форму выходного сигнала.

Энергоэффективность двухтактного усилителя класса B

Ток в каждом транзисторе является средним значением половины синусоиды.

Для половины синусоидальной петли I _dc определяется как

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

Следовательно,

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

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

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

Среднеквадратичное 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

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

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

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

Эффективность коллектора будет такой же.

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

Дополнительный симметричный двухтактный усилитель класса B

Двухтактный усилитель, который только что обсуждался, повышает эффективность, но использование трансформаторов с центральным отводом делает схему громоздкой, тяжелой и дорогой. Для упрощения схемы и повышения эффективности используемые транзисторы могут быть дополнены, как показано на следующей схеме.

Вышеупомянутая схема использует NPN-транзистор и PNP-транзистор, 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 транзистор NPN отключается, а транзистор PNP проводит.

Таким образом, NPN-транзистор усиливается во время положительного полупериода входа, в то время как PNP-транзистор усиливается во время отрицательного полупериода входа. Поскольку оба транзистора дополняют друг друга, но действуют симметрично, будучи подключенными в двухтактной конфигурации класса B, эта схема называется двухтактным усилителем с дополнительной симметрией .

преимущества

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

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

• Равные и противоположные напряжения входного сигнала не требуются.

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

Равные и противоположные напряжения входного сигнала не требуются.

Недостатки

Недостатки Дополнительной симметрии двухтактного усилителя класса B заключаются в следующем.

• Трудно получить пару транзисторов (NPN и PNP), которые имеют сходные характеристики.

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

Трудно получить пару транзисторов (NPN и PNP), которые имеют сходные характеристики.

Нам нужны как положительные, так и отрицательные напряжения питания.

Усилители мощности класса AB и класса C

Рассмотренный выше усилитель класса A и класса B имеет несколько ограничений. Давайте теперь попробуем объединить эти два, чтобы получить новую схему, которая имела бы все преимущества как усилителей класса A, так и класса B без их неэффективности. Перед этим давайте также рассмотрим еще одну важную проблему, называемую перекрёстным искажением , с которым сталкивается выход класса B.

Перекрёстное искажение

В двухтактной конфигурации два идентичных транзистора входят в проводимость, один за другим, и получаемый выходной сигнал будет комбинацией обоих.

Когда сигнал изменяется или переходит от одного транзистора к другому в точке нулевого напряжения, он вызывает искажения формы выходной волны. Для транзистора, чтобы провести, соединение эмиттера базы должно пересечь 0.7v, напряжение отключения. Время, необходимое транзистору для включения из состояния ВЫКЛ или для выключения из состояния ВКЛ, называется переходным периодом .

В точке нулевого напряжения переходный период переключения транзисторов с одного на другой оказывает свое влияние, что приводит к случаям, когда оба транзистора отключаются одновременно. Такие экземпляры можно назвать Плоским пятном или Мертвой зоной на форме выходной волны.

На приведенном выше рисунке четко показано перекрестное искажение, характерное для выходного сигнала. Это главный недостаток. Этот эффект перекрестного искажения также уменьшает общее пиковое значение выходного сигнала, что, в свою очередь, уменьшает максимальную выходную мощность. Это может быть более ясно понято через нелинейную характеристику формы волны, как показано ниже.

Понятно, что это перекрестное искажение менее выражено для больших входных сигналов, поскольку оно вызывает серьезные помехи для малых входных сигналов. Это перекрёстное искажение может быть устранено, если проводимость усилителя составляет более половины полупериода, так что оба транзистора не будут отключены одновременно.

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

Усилитель мощности класса AB

Как следует из названия, класс AB является комбинацией усилителей класса A и класса B. Поскольку у класса A есть проблема низкой эффективности, а у класса B — проблема искажения, этот класс AB появился, чтобы устранить эти две проблемы, используя преимущества обоих классов.

Перекрестное искажение — это проблема, которая возникает, когда оба транзистора выключены в один и тот же момент в течение переходного периода. Чтобы устранить это, условие должно быть выбрано для более чем половины цикла. Следовательно, другой транзистор попадает в проводимость до того, как рабочий транзистор переключается в отключенное состояние. Это достигается только при использовании конфигурации класса AB, как показано на следующей принципиальной схеме.

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

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

Небольшое напряжение смещения, заданное с использованием диодов D ₁ и D ₂ , как показано на рисунке выше, помогает рабочей точке быть выше точки среза. Следовательно, выходная форма волны класса AB получается, как показано на рисунке выше. Перекрестное искажение, создаваемое классом B, преодолевается этим классом AB, а также 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, с эффективностью, достигающей от 50% до 60%. Усилители классов A, B и AB называются линейными усилителями, поскольку амплитуда и фаза выходного сигнала линейно связаны с амплитудой и фазой входного сигнала.

Усилитель мощности класса C

Когда ток коллектора протекает менее половины цикла входного сигнала, усилитель мощности известен как усилитель мощности класса C.

Эффективность усилителя класса C высока, а линейность низкая. Угол проводимости для класса С составляет менее 180 ^o . Обычно оно составляет около 90 ^o , что означает, что транзистор остается бездействующим в течение более половины входного сигнала. Таким образом, выходной ток будет подаваться в течение меньшего времени по сравнению с приложением входного сигнала.

На следующем рисунке показана 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 синусоидальную волну определенной частоты с помощью LC-цепей в его цепи коллектора.

Настроенные усилители

Обсуждаемые нами типы усилителей не могут эффективно работать на радиочастотах, даже если они хороши на звуковых частотах. Кроме того, усиление этих усилителей таково, что оно 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 при отклонении других частот.

Таким образом, возникает необходимость в схеме, которая может выбирать, а также усиливать. Таким образом, схема усилителя вместе с выбором, например, настроенная схема, создает настроенный усилитель .

Что такое настроенный усилитель?

Настроенные усилители — это усилители, которые используются для настройки . Тюнинг означает выбор. Среди набора доступных частот, если возникает необходимость выбрать конкретную частоту, при отклонении всех других частот такой процесс называется « Выбор» . Этот выбор осуществляется с помощью схемы, называемой настроенной схемой .

Когда в цепи усилителя нагрузка заменяется настроенной схемой, такой усилитель можно назвать настроенной схемой усилителя . Основная настроенная схема усилителя выглядит так, как показано ниже.

Цепь тюнера — это не что иное, как цепь LC, которая также называется резонансной или емкостной цепью . Он выбирает частоту. Настроенная схема способна усиливать сигнал в узкой полосе частот, центрированных на резонансной частоте.

Когда реактивное сопротивление индуктора уравновешивает реактивное сопротивление конденсатора в настроенной цепи на некоторой частоте, такую ​​частоту можно назвать резонансной частотой . Обозначается через f _r .

Формула для резонанса

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

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

Типы настроенных цепей

Конфигурируемая цепь может быть последовательно настроенной (последовательная резонансная схема) или параллельно настроенной (параллельная резонансная схема) в зависимости от типа ее подключения к главной цепи.

Серия настроенная цепь

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

На резонансной частоте последовательный резонансный контур имеет низкий импеданс, который пропускает через него большой ток. Последовательный резонансный контур предлагает все более высокий импеданс частотам, далеким от резонансной частоты.

Параллельно настроенная цепь

Индуктор и конденсатор, соединенные параллельно, образуют параллельно 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 предлагает все более низкий импеданс частотам, далеким от резонансной частоты.

Характеристики параллельно настроенной цепи

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

полное сопротивление

Отношение напряжения питания к току линии является сопротивлением настроенной цепи. Импеданс, предлагаемый цепью LC, дается

 fracПитаниенапряжениеЛинейноеуравнение= fracVI $$\ frac {Питание \: напряжение} {Линейное уравнение} = \ frac {V} {I}$$

При резонансе ток в линии увеличивается, а импеданс уменьшается.

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

Полное сопротивление цепи уменьшается для значений выше и ниже резонансной частоты f _r . Следовательно, возможен выбор определенной частоты и отклонение других частот.

Чтобы получить уравнение для полного сопротивления цепи, рассмотрим

Ток в линии $I = I_L cos \ phi$

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

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

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

Так как $Z_L ^ 2 = \ frac {L} {C}$

Следовательно, сопротивление цепи Z _r получается как

$$Z_R = \ frac {L} {CR}$$

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

Ток цепи

При параллельном резонансе ток I цепи или линии определяется приложенным напряжением, деленным на полное сопротивление цепи Z _r, т.е.

Ток в линии $I = \ frac {V} {Z_r}$

Где $Z_r = \ frac {L} {CR}$

Поскольку Z _r очень велико, то линейный ток у меня будет очень маленьким.

Фактор качества

Для параллельного резонансного контура резкость резонансной кривой определяет селективность. Чем меньше сопротивление катушки, тем острее будет резонансная кривая. Следовательно, индуктивное сопротивление и сопротивление катушки определяют качество настроенной цепи.

Отношение индуктивного сопротивления катушки при резонансе к ее сопротивлению известно как добротность . Обозначается Q.

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

Чем выше значение Q, тем острее резонансная кривая и тем лучше будет селективность.

Преимущества настроенных усилителей

Ниже приведены преимущества настроенных усилителей.

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

• Селективность и усиление желаемой частоты высоки, обеспечивая более высокий импеданс на резонансной частоте.

• Подойдет коллектор VCC меньшего размера из-за небольшого сопротивления в параллельно настроенной цепи.

Использование реактивных компонентов, таких как L и C, минимизирует потери мощности, что делает настроенные усилители эффективными.

Селективность и усиление желаемой частоты высоки, обеспечивая более высокий импеданс на резонансной частоте.

Подойдет коллектор VCC меньшего размера из-за небольшого сопротивления в параллельно настроенной цепи.

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

Частотная характеристика настроенного усилителя

Чтобы усилитель работал эффективно, его коэффициент усиления должен быть высоким. Это усиление напряжения зависит от β, входного сопротивления и нагрузки на коллектор. Нагрузка коллектора в настроенном усилителе является настроенной цепью.

Коэффициент усиления такого усилителя определяется выражением

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

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

Значение Z _C зависит от частоты настроенного усилителя. Поскольку Z _C является максимальным на резонансной частоте, усиление усилителя является максимальным на этой резонансной частоте.

Пропускная способность

Диапазон частот, в котором усиление напряжения настроенного усилителя падает до 70,7% от максимального усиления, называется его полосой пропускания .

Диапазон частот между f ₁ и f ₂ называется шириной полосы настроенного усилителя. Полоса пропускания настроенного усилителя зависит от добротности схемы LC, т. Е. От резкости частотной характеристики. Значение Q и ширина полосы обратно пропорциональны.

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

Связь между Q и пропускной способностью

Коэффициент качества Q полосы пропускания определяется как отношение резонансной частоты к ширине полосы, т.е.

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

В общем, практическая схема имеет значение Q больше 10.

При этом условии резонансная частота при параллельном резонансе определяется как

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

Типы настроенных усилителей

Существует два основных типа настроенных усилителей. Они —

• Одиночный настроенный усилитель
• Усилитель с двойной настройкой

Одиночный 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 схемы в его нагрузке коллектора, образует одну настроенную схему усилителя. Значения емкости и индуктивности настроенного контура выбираются таким образом, чтобы его резонансная частота была равна частоте, подлежащей усилению.

Следующая принципиальная схема показывает одну настроенную схему усилителя.

Выход может быть получен от конденсатора связи C _C, как показано выше, или от вторичной обмотки, расположенной на L.

операция

Высокочастотный сигнал, который должен быть усилен, подается на вход усилителя. Резонансная частота параллельно настроенной схемы сделана равной частоте сигнала, подаваемого путем изменения значения емкости конденсатора С, в настроенной схеме.

На этом этапе настроенная схема обеспечивает высокий импеданс для частоты сигнала, что помогает обеспечить высокий выходной сигнал по настроенной схеме. Поскольку высокий импеданс предлагается только для настроенной частоты, все остальные частоты, которые получают более низкий импеданс, отклоняются настроенной цепью. Следовательно, настроенный усилитель выбирает и усиливает требуемый частотный сигнал.

Частотный отклик

Параллельный резонанс возникает на резонансной частоте f _r, когда цепь имеет высокое значение Q. Резонансная частота f _r определяется как

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

На следующем графике показана частотная характеристика одиночной настроенной схемы усилителя.

На резонансной частоте _fr сопротивление параллельно настроенной цепи очень высокое и является чисто резистивным. Поэтому 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 ее. Чем выше Q, тем уже будет кривая.

Дважды настроенный усилитель

Схема усилителя с секцией двойного тюнера, находящаяся на коллекторе схемы усилителя, называется схемой усилителя с двойным тюнером.

строительство

Конструкция усилителя с двойной настройкой понятна, если взглянуть на следующий рисунок. Эта схема состоит из двух настроенных цепей L ₁ C ₁ и L ₂ C ₂ в секции коллектора усилителя. Сигнал на выходе настроенной схемы L ₁ C ₁ связан с другой настроенной схемой L ₂ C ₂ методом взаимной связи. Остальные детали схемы такие же, как в схеме с одним настроенным усилителем, как показано на следующей схеме.

операция

Высокочастотный сигнал, который должен быть усилен, подается на вход усилителя. Схема настройки L ₁ C ₁ настроена на частоту входного сигнала. При этом условии настроенная схема обеспечивает высокое реактивное сопротивление к частоте сигнала. Следовательно, большой выход появляется на выходе настроенной схемы L ₁ C _1, которая затем соединяется с другой настроенной схемой L ₂ C ₂ посредством взаимной индукции. Эти двойные настроенные схемы экстенсивно используются для соединения различных цепей радио и телевизионных приемников.

Частотная характеристика двухпозиционного усилителя

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

Чтобы иметь представление о свойстве взаимной индуктивности, давайте пройдемся по основному принципу.

Взаимная индуктивность

Поскольку токонесущая катушка создает вокруг себя некоторое магнитное поле, если рядом с этой катушкой находится другая катушка, такая, что она находится в области магнитного потока первичной обмотки, то переменный магнитный поток вызывает ЭДС во второй катушке. Если эта первая катушка называется первичной , то вторую можно назвать вторичной .

Когда ЭДС индуцируется во вторичной катушке из-за переменного магнитного поля первичной катушки, то такое явление называется взаимной индуктивностью .

Рисунок ниже дает представление об этом.

Ток i _s на рисунке показывает ток источника, в то время как i _ind указывает наведенный ток. Поток представляет собой магнитный поток, созданный вокруг катушки. Это распространяется и на вторичную катушку.

С приложением напряжения течет ток и создается поток. Когда ток изменяется, поток изменяется, производя i _ind во вторичной катушке, из-за свойства взаимной индуктивности.

Связь

Под понятием взаимной индуктивности связь будет выглядеть так, как показано на рисунке ниже.

Когда катушки разнесены, флюсовые связи первичной катушки L ₁ не будут связывать вторичную катушку L ₂ . Говорят, что в этом состоянии катушки имеют слабую связь . Сопротивление, отраженное от вторичной катушки в этом состоянии, мало, и резонансная кривая будет резкой, а цепь Q будет высокой, как показано на рисунке ниже.

Напротив, когда первичная и вторичная катушки сближены, они имеют плотную связь . При таких условиях отраженное сопротивление будет большим, а цепь Q ниже. Получены два положения максимумов усиления, одно выше, а другое ниже резонансной частоты.

Пропускная способность двухполосной цепи

На приведенном выше рисунке четко указано, что полоса пропускания увеличивается со степенью связи. Определяющим фактором в цепи с двойной настройкой является не Q, а связь.

Мы поняли, что для данной частоты, чем теснее связь, тем больше будет пропускная способность.

Уравнение для полосы пропускания дается как

$$BW_ {dt} = k f_r$$

Где BW _dt = полоса пропускания для дважды настроенной цепи, K = коэффициент связи и f _r = резонансная частота.

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

Усилители Обратная связь

Схема усилителя просто увеличивает уровень сигнала. Но при усилении он просто увеличивает силу своего входного сигнала, содержит ли он информацию или некоторый шум вместе с информацией. Этот шум или некоторые помехи вносятся в усилители из-за их сильной тенденции к появлению гула из-за внезапных изменений температуры или паразитных электрических и магнитных полей. Поэтому каждый усилитель с высоким усилением имеет тенденцию выдавать шум вместе с сигналом на его выходе, что очень нежелательно.

Уровень шума в схемах усилителя может быть значительно уменьшен путем использования отрицательной обратной связи, осуществляемой путем введения части выходного сигнала в противофазе с входным сигналом.

Принцип обратной связи усилителя

Усилитель обратной связи обычно состоит из двух частей. Это усилитель и цепь обратной связи . Схема обратной связи обычно состоит из резисторов. Концепция усилителя обратной связи может быть понята из следующего рисунка.

Из приведенного выше рисунка коэффициент усиления усилителя представлен как А. Коэффициент усиления усилителя представляет собой отношение выходного напряжения V _o к входному напряжению V _i . сеть обратной связи извлекает напряжение V _f = β V _o из выхода V _o усилителя.

Это напряжение складывается для положительной обратной связи и вычитается для отрицательной обратной связи из напряжения сигнала V _s . Сейчас,

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

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

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

Давайте 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.

Af= fracВыходнапряжениеВходсигналнапряжение= fracVoVs $$A_f = \ frac {Выход \: напряжение} {Вход \: сигнал \: напряжение} = \ frac {V_o} {V_s}$$

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

Уравнение усиления усилителя обратной связи с отрицательной обратной связью задается

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

Уравнение усиления усилителя обратной связи с положительной обратной связью задается

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

Это стандартные уравнения для расчета усиления усилителей обратной связи.

Типы отзывов

Процесс ввода части выходной энергии некоторого устройства обратно на вход известен как Обратная связь . Было обнаружено, что обратная связь очень полезна для снижения шума и обеспечения стабильной работы усилителя.

В зависимости от того, помогает ли сигнал обратной связи входному сигналу или противостоит ему, используются два типа обратной связи.

Положительный отзыв

Обратная связь, в которой энергия обратной связи, т. Е. Напряжение или ток находится в фазе с входным сигналом и, таким образом, помогает ей, называется положительной обратной связью .

Как входной сигнал, так и сигнал обратной связи вводят сдвиг фазы на 180 ^o, таким образом создавая результирующий сдвиг фазы на 360 ^o вокруг контура, чтобы, наконец, быть в фазе с входным сигналом.

Хотя положительная обратная связь увеличивает коэффициент усиления усилителя, она имеет такие недостатки, как

• Увеличение искажения
• нестабильность

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

Негативный отзыв

Обратная связь, в которой энергия обратной связи, т. Е. Напряжение или ток не совпадает по фазе с входом и, следовательно, противостоит ей, называется отрицательной обратной связью .

При отрицательной обратной связи усилитель вводит фазовый сдвиг в цепь на 180 ^o, в то время как сеть обратной связи спроектирована таким образом, что он не вызывает сдвига фазы или нулевого сдвига фазы. Таким образом, результирующее напряжение обратной связи V _f не совпадает по фазе с входным сигналом V _in .

Хотя усиление усилителя отрицательной обратной связи уменьшено , существует много преимуществ отрицательной обратной связи, таких как

• Стабильность усиления улучшена
• Уменьшение искажений
• Снижение шума
• Увеличение входного сопротивления
• Снижение выходного сопротивления
• Увеличение ассортимента равномерного применения

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

Усилители с отрицательной обратной связью

Отрицательная обратная связь в усилителе — это метод подачи части усиленного выхода на вход, но в противоположной фазе. Сопротивление фазы происходит, поскольку усилитель обеспечивает сдвиг фазы на 180 ^o, а сеть обратной связи — нет.

В то время как выходная энергия подается на вход, для энергии напряжения, которая принимается в качестве обратной связи, выход берется в шунтирующем соединении, а для текущей энергии, которая принимается в качестве обратной связи, выход берется в последовательном соединении.

Существует два основных типа цепей отрицательной обратной связи. Они —

• Отрицательная обратная связь по напряжению
• Отрицательный ток обратной связи

Отрицательная обратная связь по напряжению

В этом методе обратная связь по напряжению на входе усилителя пропорциональна выходному напряжению. Это далее классифицируется на два типа —

• Обратная связь по напряжению
• Напряжение-шунт обратная связь

Отрицательный ток обратной связи

В этом методе обратная связь по напряжению на входе усилителя пропорциональна выходному току. Это далее классифицируется на два типа.

• Отзывы о текущих сериях
• Текущий шунт обратная связь

Давайте кратко представим их все.

Напряжение серии обратной связи

В цепи обратной связи по напряжению часть выходного напряжения подается последовательно с входным напряжением через цепь обратной связи. Это также известно как последовательная обратная связь с шунтирующим управлением , то есть параллельная последовательная цепь.

На следующем рисунке показана блок-схема обратной связи по последовательному напряжению, из которой видно, что цепь обратной связи размещена в шунте с выходом, но последовательно с входом.

Поскольку цепь обратной связи соединена шунтирует с выходом, выходной импеданс уменьшается, и из-за последовательного соединения с входом входной импеданс увеличивается.

Напряжение-Шунт Обратная связь

В цепи обратной связи по шунту напряжения часть выходного напряжения подается параллельно с входным напряжением через сеть обратной связи. Это также известно как управляемая шунтом обратная связь с шунтом, то есть параллельно-параллельный прототип.

На рисунке ниже показана блок-схема шунтирующей обратной связи по напряжению, из которой видно, что цепь обратной связи размещена в шунтовом как с выходом, так и со входом.

Поскольку цепь обратной связи соединена в шунте с выходом и входом, как выходной импеданс, так и входной импеданс уменьшаются.

Текущая серия обратной связи

В цепи обратной связи по току часть выходного напряжения подается последовательно с входным напряжением через цепь обратной связи. Это также называется последовательной обратной связью, то есть последовательной цепью.

На следующем рисунке показана блок-схема обратной связи по току, из которой видно, что цепь обратной связи размещается последовательно с выходом, а также со входом.

Поскольку цепь обратной связи последовательно соединена с выходом и входом, и выходное сопротивление, и входное сопротивление увеличиваются.

Current-Shunt Обратная связь

В цепи обратной связи токового шунта часть выходного напряжения подается последовательно с входным напряжением через цепь обратной связи. Это также известно как последовательная шунтируемая обратная связь, то есть последовательно-параллельная схема.

На рисунке ниже показана блок-схема токовой обратной связи, по которой видно, что цепь обратной связи расположена последовательно с выходом, но параллельно с входом.

Поскольку цепь обратной связи соединена последовательно с выходом, выходной импеданс увеличивается, и из-за параллельного соединения с входом входной импеданс уменьшается.

Давайте теперь сведем в таблицу характеристики усилителя, на которые влияют различные типы отрицательных обратных связей.

Характеристики	Типы отзывов
	Напряжение серии	Напряжение-шунт	Ток-Series	Ток-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
Гармоническое искажение	Уменьшает	Уменьшает	Уменьшает	Уменьшает
Шум	Уменьшает	Уменьшает	Уменьшает	Уменьшает

Emitter Follower и усилитель Дарлингтона

Эмиттер-повторитель и усилитель Дарлингтона являются наиболее распространенными примерами усилителей обратной связи. Это наиболее часто используемые с рядом приложений.

Emitter Follower

Схема следящего излучателя занимает видное место в усилителях обратной связи. Эмиттер-повторитель имеет случай отрицательной обратной связи по току. Это в основном используется в качестве усилителя последней ступени в цепях генератора сигналов.

Важными особенностями Emitter Follower являются —

• Имеет высокий входной импеданс
• Имеет низкий выходной импеданс
• Это идеальная схема для согласования импеданса

Все эти идеальные функции позволяют применять их в цепи следящего излучателя. Это схема усилителя тока без усиления по напряжению.

строительство

Конструктивные детали схемы повторителя излучателя 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, выход берется с клеммы эмиттера вместо клеммы коллектора.

Смещение обеспечивается либо методом базового резистора, либо методом делителя потенциала. На следующем рисунке показана принципиальная схема следящего устройства.

операция

Напряжение входного сигнала, приложенное между базой и эмиттером, вырабатывает выходное напряжение V _o через 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 через R _L , пропорционально току эмиттера, эта схема повторителя эмиттера является цепью обратной связи по току. Следовательно,

$$\ beta = \ frac {V_f} {V_o} = 1$$

Также отмечено, что напряжение входного сигнала на транзисторе (= V _i ) равно разности V _s и V _o, т. Е.

$$V_i = V_s - V_o$$

Следовательно, обратная связь отрицательна.

Характеристики

Основные характеристики следящего излучателя следующие:

• Нет усиления по напряжению. На самом деле коэффициент усиления по напряжению составляет почти 1.
• Относительно высокий коэффициент усиления по току и мощности.
• Высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс.
• Входные и выходные переменные напряжения находятся в фазе.

Усиление Напряжения Последователя Излучателя

Поскольку схема повторителя излучателя является выдающейся, давайте попробуем получить уравнение для коэффициента усиления по напряжению цепи следящего излучателя. Наша схема Emitter Follower выглядит следующим образом:

Если нарисована схема эквивалентного переменного тока вышеупомянутой схемы, она будет выглядеть так, как показано ниже, так как эмиттерный проходной конденсатор отсутствует.

Сопротивление переменного тока r _E цепи эмиттера определяется как

$$r_E = r'_E + R_E$$

куда

$$r'_E = \ frac {25 мВ} {I_E}$$

Чтобы найти коэффициент усиления по напряжению усилителя, приведенный выше рисунок можно заменить следующим рисунком.

Обратите внимание, что входное напряжение подается на переменное сопротивление цепи эмиттера, т. _Е. (R ‘ _E + R _E ). Предполагая, что эмиттерный диод является идеальным, выходное напряжение V _out будет

$$V_ {out} = i_e R_E$$

Входное напряжение V _в будет

$$V_ {in} = i_e (r'_e + R_E)$$

Следовательно, коэффициент усиления по напряжению эмиттера

$$A_V = \ frac {V_ {out}} {V_ {in}} = \ frac {i_e R_E} {i_e (r'_e + R_E)} = \ frac {R_E} {(r'_e + R_E)}$$

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 усиление напряжения повторителя эмиттера составляет от 0,8 до 0,999.

Усилитель Дарлингтона

Схема повторителя эмиттера, которая только что обсуждалась, не отвечает требованиям усиления тока цепи (A _i ) и входного сопротивления (Z _i ). Чтобы добиться некоторого увеличения общих значений усиления тока цепи и входного сопротивления, два транзистора подключаются, как показано на следующей принципиальной схеме, известной как конфигурация Дарлингтона .

Как показано на приведенном выше рисунке, эмиттер первого транзистора соединен с базой второго транзистора. Коллекторные клеммы обоих транзисторов соединены вместе.

Анализ смещения

Из-за этого типа соединения ток эмиттера первого транзистора также будет током базы второго транзистора. Следовательно, текущее усиление пары равно произведению отдельных текущих усилений, т. Е.

$$\ beta = \ beta _1 \ beta _2$$

Высокий коэффициент усиления по току обычно достигается с минимальным количеством компонентов.

Поскольку здесь используются два транзистора, следует рассмотреть два падения V _BE . Анализ смещения в остальном 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 напрямую связаны,

$$I_ {E1} = I_ {B2}$$

Сейчас

$$I_ {B2} = \ frac {I_ {E2}} {\ beta _2}$$

Следовательно

$$I_ {E1} = \ frac {I_ {E2}} {\ beta _2}$$

Что значит

$$I_ {E1} = I_ {E1} \ beta _2$$

У нас есть

$I_ {E1} = \ beta _1 I_ {B1}$ начиная с $I_ {E1} \ cong I_ {C1}$

Следовательно, как

$$I_ {E2} = I_ {E1} \ beta _2$$

Мы можем написать

$$I_ {E2} = \ beta _1 \ beta _2 I_ {B1}$$

Таким образом, текущее усиление может быть дано как

$$\ beta = \ frac {I_ {E2}} {I_ {B1}} = \ frac {\ beta _1 \ beta _2 I_ {B1}} {I_ {B1}} = \ beta _1 \ beta_2$$

Входной импеданс усилителя дорогой тонны

$Z_ {in} = \ beta_1 \ beta_2 R_E .....$ пренебрегая r ‘ _e

На практике эти два транзистора размещаются в одном корпусе транзистора, а три клеммы выводятся из корпуса, как показано на следующем рисунке.

Это трехконтактное устройство можно назвать транзистором Дарлингтона . Дорогой тон-транзистор 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 Дарлингтона в основном такие же, как и у повторителя излучателя, две схемы используются для аналогичных применений.

До сих пор мы обсуждали усилители на основе положительных отзывов. Отрицательная обратная связь в транзисторных цепях полезна при работе генераторов. Тема осцилляторов полностью освещена в руководстве по осцилляторам.

Шум в усилителе

Усилитель, в то время как усиление только увеличивает силу его входного сигнала, содержит ли он информацию или некоторый шум вместе с информацией. Этот шум или некоторые помехи вносятся в усилители из-за их сильной тенденции к появлению гула из-за внезапных изменений температуры или паразитных электрических и магнитных полей.

Производительность усилителя в основном зависит от этого шума. Шум — это нежелательный сигнал, который создает помехи для содержимого требуемого сигнала в системе. Это может быть дополнительный сигнал, который вырабатывается в системе, или это может быть какое-то возмущение, сопровождаемое требуемой информацией о входном сигнале. Однако это нежелательно и должно быть удалено.

Хорошая система — это система, в которой шум, генерируемый самим усилителем, является небольшим по сравнению с шумом от входящего источника.

Шум

Шум — это нежелательный сигнал, который мешает исходному сигналу сообщения и искажает параметры сигнала сообщения. Это изменение в процессе коммуникации, заставляет сообщение изменяться после достижения. 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 шаблона и не имеет постоянной частоты или амплитуды. Это совершенно случайно и непредсказуемо. Обычно принимаются меры по его снижению, хотя это не может быть полностью устранено.

Наиболее распространенные примеры шума —

• «Hiss» звук в радиоприемниках
• «Гудение» звучит на фоне телефонных разговоров
• «Мерцание» в телевизионных приемниках и т. Д.

Эффекты шума

Шум является неудобной функцией, которая влияет на производительность системы. Эффекты шума включают в себя —

• Шум ограничивает рабочий диапазон систем. Шум косвенно накладывает ограничение на самый слабый сигнал, который может усиливаться усилителем. Генератор в цепи смесителя может ограничивать свою частоту из-за шума. Работа системы зависит от работы ее цепей. Шум ограничивает наименьший сигнал, который приемник способен обрабатывать.

• Шум влияет на чувствительность приемников. Чувствительность — это минимальное количество входного сигнала, необходимое для получения заданного качества на выходе. Шум влияет на чувствительность приемной системы, что в конечном итоге влияет на выход.

Шум ограничивает рабочий диапазон систем. Шум косвенно накладывает ограничение на самый слабый сигнал, который может усиливаться усилителем. Генератор в цепи смесителя может ограничивать свою частоту из-за шума. Работа системы зависит от работы ее цепей. Шум ограничивает наименьший сигнал, который приемник способен обрабатывать.

Шум влияет на чувствительность приемников. Чувствительность — это минимальное количество входного сигнала, необходимое для получения заданного качества на выходе. Шум влияет на чувствительность приемной системы, что в конечном итоге влияет на выход.

Сигнал-шум

Когда сигнал получен и его необходимо усилить, сначала сигнал отфильтровывается, чтобы удалить любой нежелательный шум, если таковой имеется.

Отношение информационного сигнала, присутствующего в принятом сигнале, к присутствующему шуму называется отношением сигнал / шум . Это соотношение должно быть выше для системы, чтобы она генерировала чистый информационный сигнал, не подверженный нежелательному шуму.

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 отношение мощности сигнала к мощности шума . Чем выше значение SNR, тем выше будет качество полученного вывода.

Типы шума

Классификация шума производится в зависимости от типа источника, эффекта, который он показывает, или отношения, которое он имеет с приемником и т. Д.

Есть два основных способа получения шума. Один через некоторый внешний источник, в то время как другой создается внутренним источником внутри секции приемника.

Внешний источник

Этот шум создается внешними источниками, которые обычно могут возникать в среде или канале связи. Этот шум не может быть полностью устранен. Лучший способ — избежать влияния шума на сигнал.

Наиболее распространенные примеры этого типа шума:

• Атмосферный шум (из-за неровностей 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 при тепловом возбуждении (шум Джонсона или электрический шум)

• Шум выстрела (из-за случайного движения электронов и дырок

• Транзитный шум (во время перехода)

• Разные шумы — это другой тип шума, который включает мерцание, эффект сопротивления, шум, создаваемый микшером, и т. Д.

Шум при тепловом возбуждении (шум Джонсона или электрический шум)

Шум выстрела (из-за случайного движения электронов и дырок

Транзитный шум (во время перехода)

Разные шумы — это другой 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 влиять на усилитель, хотя и присутствует в секции передатчика или приемника. Усилители, которые усиливают слабые сигналы и, следовательно, усиливают шум на низком уровне, могут называться малошумящими усилителями.

Все обсуждаемые типы усилителей в той или иной степени подвержены шуму. Производительность усилителя определяет его эффективность для устранения нежелательных факторов.