Коэффициент усиления по току

K_Io=I_н/I_г=I_б/I_г*I_э/I_б*I_н/I_э =R_г / (R_г +R_вх) * (h_21э+1) *R_э/ (R_э+R_н) .

Максимальное усиление по току при R_г,R_б,R_н 0

K_{Io max} = h_21э+ I

Подытожим основные особенности эмиттерного повторителя:

1. Высокое входное сопротивление. Удобно применять в качестве входного каскада в многокаскадном усилителе при работе от высокоомного источника (согласование с источником).

2. Низкое выходное сопротивление. Удобно применять в качестве выходного каскада при работе на низкоомную нагрузку, в частности, кабель.

3. Большой динамический диапазон U_вх.max/U_{вх. min}.

4. Низкий уровень нелинейных искажений.

5. Коэффициент К_u<I.

6. Высокая стабильность параметров при изменении температуры и напряжения питания.

5. Прохождение импульсного сигнала через усилительный каскад с ёмкостной связью

Прохождение прямоугольного импульса напряжения можно проанализировать с помощью операторного метода (преобразования Лапласа).

Изображение по Лапласу выходного напряжения связано с изображением входного через передаточную функцию:

U_вых (p) =K_U(p)U_вх (p)

Реакция усилителя h(t) на единичный скачок напряжения 1(t) на входе называется переходной характеристикой усилителя. Единичный скачок — это функция вида:

еслиt< 0;

1(t) =

1, еслиt> 0.

Операторное изображение единичного скачка имеет вид:

1(t)1/р

Тогда изображение переходной характеристики можно найти как:

H(p) = 1/р* K_U (р)

Передаточную функцию K_U(p) определяем через известную зависимость от частоты комплексного коэффициента передачиK_U(j) путем заменыj=p.

Так для одиночного усилительного каскада с ёмкостной связью

K_U(j) =K_Uo/ (1 + 1/j_н)(1 +j_в)

K_U(p) = K_Uo/ (1+1/p_н)(1+p_в)

Отсюда изображение переходной характеристики

H(p) =K_U(p)/p=K_Uo_н/ (1+p_н)(1+p_в)

Оригинал переходной характеристики

h(t) =K_Uo_н*(ехр(-t/_н) — ехр(-t/_в))K_Uo(ехр(-t/_н) — ехр(-t/_в))

Здесь учтено, что обычно_н>>_в.

Переходная характеристика является композицией двух экспонент: “быстрой” с постоянной времени _в и “медленной” с постоянной_н.

Передний фронт выходного скачка затянут из-за недостаточного усиления в области верхних частот: чем ниже верхняя частота _в, тем больше постоянная времени_в= 1/_в. Плоская часть (“вершина”) не остаётся постоянной, происходит спад вершины из-за недостаточного усиления в области нижних частот: чем выше частота_н, тем быстрее происходит завал вершины, так как

_н= 1/_н

Прямоугольный импульс входного напряжения можно представить на выходе как суперпозицию двух переходных характеристик.

Длительность фронта t_ф =t_0.9 -t_0.1 2.2_в t_ф= 2.2/_в

Задержка фронта на уровне 0.5 амплитуды импульса

t_зд= 0.7_в = 0.7/_в

Спад вершины отсутствует только у УПТ (_н = 0).

7.Обратная связь в электронных усилителях

Коэффициент усиления по току

K_Io=I_н/I

г=I_б/I_г*I_э/I_б*I_н/I_э =R_г / (R_г +R_вх) * (h_21э+1) *R_э/ (R_э+R_н) .

Максимальное усиление по току при R_г,R_б,R_н 0

K_{Io max} = h_21э+ I

Подытожим основные особенности эмиттерного повторителя:

1. Высокое входное сопротивление. Удобно применять в качестве входного каскада в многокаскадном усилителе при работе от высокоомного источника (согласование с источником).

2. Низкое выходное сопротивление. Удобно применять в качестве выходного каскада при работе на низкоомную нагрузку, в частности, кабель.

3. Большой динамический диапазон U_вх.max/U_{вх. min}.

4. Низкий уровень нелинейных искажений.

5. Коэффициент К_u<I.

6. Высокая стабильность параметров при изменении температуры и напряжения питания.

5. Прохождение импульсного сигнала через усилительный каскад с ёмкостной связью

Прохождение прямоугольного импульса напряжения можно проанализировать с помощью операторного метода (преобразования Лапласа).

Изображение по Лапласу выходного напряжения связано с изображением входного через передаточную функцию:

U_вых (p) =K_U(p)U_вх (p)

Реакция усилителя h(t) на единичный скачок напряжения 1(t) на входе называется переходной характеристикой усилителя. Единичный скачок — это функция вида:

еслиt< 0;

1(t) =

1, еслиt> 0.

Операторное изображение единичного скачка имеет вид:

1(t)1/р

Тогда изображение переходной характеристики можно найти как:

H(p) = 1/р* K_U (р)

Передаточную функцию K_U(p) определяем через известную зависимость от частоты комплексного коэффициента передачиK_U(j) путем заменыj=p.

Так для одиночного усилительного каскада с ёмкостной связью

K_U(j) =K_Uo/ (1 + 1/j_н)(1 +j_в)

K_U(p) = K_Uo/ (1+1/p

н)(1+p_в)

Отсюда изображение переходной характеристики

H(p) =K_U(p)/p=K_Uo_н/ (1+p_н)(1+p_в)

Оригинал переходной характеристики

h(t) =K_Uo_н*(ехр(-t/_н) — ехр(-t/_в))K_Uo(ехр(-t/_н) — ехр(-t/_в))

Здесь учтено, что обычно_н>>_в.

Переходная характеристика является композицией двух экспонент: “быстрой” с постоянной времени_в и “медленной” с постоянной_н.

Передний фронт выходного скачка затянут из-за недостаточного усиления в области верхних частот: чем ниже верхняя частота _в, тем больше постоянная времени_в= 1/_в. Плоская часть (“вершина”) не остаётся постоянной, происходит спад вершины из-за недостаточного усиления в области нижних частот: чем выше частота_н, тем быстрее происходит завал вершины, так как

_н= 1/_н

Прямоугольный импульс входного напряжения можно представить на выходе как суперпозицию двух переходных характеристик.

Длительность фронта t_ф =t_0.9 -t_0.1 2.2_в t_ф= 2.2/_в

Задержка фронта на уровне 0.5 амплитуды импульса

t_зд= 0.7_в = 0.7/_в

Спад вершины отсутствует только у УПТ (_н = 0).

7.Обратная связь в электронных усилителях

Коэффициент усиления по току

K_Io=I_н/I_г=I_б/I_г*I_э/I_б*I_н/I_э =R_г / (R_г +R_вх) * (h_21э+1) *R_э/ (R_э+R_н) .

Максимальное усиление по току при R_г,R_б,R_н 0

K_{Io max} = h_21э+ I

Подытожим основные особенности эмиттерного повторителя:

1. Высокое входное сопротивление. Удобно применять в качестве входного каскада в многокаскадном усилителе при работе от высокоомного источника (согласование с источником).

2. Низкое выходное сопротивление. Удобно применять в качестве выходного каскада при работе на низкоомную нагрузку, в частности, кабель.

3. Большой динамический диапазон U_вх.max/U_{вх. min}.

4. Низкий уровень нелинейных искажений.

5. Коэффициент К_u<I.

6. Высокая стабильность параметров при изменении температуры и напряжения питания.

5. Прохождение импульсного сигнала через усилительный каскад с ёмкостной связью

Прохождение прямоугольного импульса напряжения можно проанализировать с помощью операторного метода (преобразования Лапласа).

Изображение по Лапласу выходного напряжения связано с изображением входного через передаточную функцию:

U_вых (p) =K_U(p)U_вх (p)

Реакция усилителя h(t) на единичный скачок напряжения 1(t) на входе называется переходной характеристикой усилителя. Единичный скачок — это функция вида:

еслиt< 0;

1(t) =

1, еслиt> 0.

Операторное изображение единичного скачка имеет вид:

1(t)1/р

Тогда изображение переходной характеристики можно найти как:

H(p) = 1/р* K_U (р)

Передаточную функцию K_U(p) определяем через известную зависимость от частоты комплексного коэффициента передачиK_U(j) путем заменыj=p.

Так для одиночного усилительного каскада с ёмкостной связью

K_U(j) =K_Uo/ (1 + 1/j_н)(1 +j_в)

K_U(p) = K_Uo/ (1+1/p_н)(1+p_в)

Отсюда изображение переходной характеристики

H(p) =K_U(p)/p=K_Uo_н/ (1+p_н)(1+p_в)

Оригинал переходной характеристики

h(t) =K_Uo_н*(ехр(-t/_н) — ехр(-t/_в))K_Uo(ехр(-t/_н) — ехр(-t/_в))

Здесь учтено, что обычно_н>>_в.

Переходная характеристика является композицией двух экспонент: “быстрой” с постоянной времени_в и “медленной” с постоянной_н.

Передний фронт выходного скачка затянут из-за недостаточного усиления в области верхних частот: чем ниже верхняя частота _в, тем больше постоянная времени_в= 1/_в. Плоская часть (“вершина”) не остаётся постоянной, происходит спад вершины из-за недостаточного усиления в области нижних частот: чем выше частота_н, тем быстрее происходит завал вершины, так как

_н= 1/_н

Прямоугольный импульс входного напряжения можно представить на выходе как суперпозицию двух переходных характеристик.

Длительность фронта t_ф =t_0.9 -t_0.1 2.2_в t_ф= 2.2/_в

Задержка фронта на уровне 0.5 амплитуды импульса

t_зд= 0.7_в = 0.7/_в

Спад вершины отсутствует только у УПТ (_н = 0).

1. Усилительные свойства транзистора

Физические основы микроэлектроники; Электроника; Флеров А.Н., 2015

Лекция 9, тезисы

Параметры транзисторов

Параметры транзисторов делятся на электрические и предельные эксплуатационные.

Электрические параметры:

1. Граничная частота, f_ГР;

2. Коэффициент передачи тока, K_I;

3. Обратные токи переходов при заданных обратных напряжениях, I_KO;

4. Емкости переходов, С_i-j;

и т.д.

Кроме общих электрических параметров в зависимости от назначения

транзистора указывается ряд специфических параметров, присущих данной категории транзисторов.

Предельные эксплуатационные параметры.

Предельные эксплуатационные параметры — это максимально допустимые значения напряжений, токов, мощности, температуры, при которых гарантируются работоспособность транзистора и значений его электрических параметров в пределах норм технических условий.

Например, к предельным эксплуатационным параметрам относятся:

1. Максимально допустимые обратные напряжения на переходах. U_{обр макс};

2. Максимально допустимая рассеиваемая мощность, P_{к макс};

3. Максимально допустимая температура корпуса, t^o_{макс корп};

4. Диапазон рабочих температур, t^o_мин, t^o_макс.

Режимы работы транзистора

В зависимости от полярности на­пряжений, приложенных к электродам транзистора, возможны четыре режима его работы:

— активный;

— отсечки;

— насыще­ния;

— инверсный.

Режимы насыщения и отсечки объединяют одним термином – ключевой режим.

Активный режим работы используется при усиле­нии малых сигналов, прямое напряжение подается на эмиттерный переход, а обрат­ное — на коллекторный.

В режиме отсечки оба перехода смеща­ются в обратном направлении. Ток тран­зистора в этом режиме мал, он практиче­ски заперт (транзистор заперт).

В режиме насыщения оба перехода смещаются в прямом направлении, через транзистор протекает максимальный ток, он полностью открыт (транзистор открыт).

В инверсном режиме (используется редко), эмиттерный переход смещен в обратном направле­нии, а коллекторный в прямом. Этот режим чаще всего используют в быстро­действующих ключевых схемах.

режим	полярность
активный	+	—	+	—
отсечки	—	+	+	—
насыщения	+	—	—	+
инверсный	—	+	—	+

Рис. 9.1 Полярности напряжений на электродах транзистора при различных режимах работы

Принцип действия транзисторов типа n-p-n такой же, только в область ба­зы вводятся из эмиттера не дырки, а электроны; полярность напряжений Е_к и Е_э будет противоположной случаю p-n-р; направления токов из­менится на противоположное, т.к. они обусловлены в данном случае не дыроч­ной, а электронной проводимостью.

Усилительные свойства транзистора рассмотрим на примере схемы включения транзистора с общей базой, рис .9.2

Рис.9.2

На вход транзистора, относительно перехода база-эмиттер, подаются два напряжения: постоянное напряжение смещения Е_Эи переменное напряжение подлежащее усилениюU_вх, причем

U_вх<< Е_Э (9.1)

Соотношение источников питания Е_Ки смещения Е_Э:

Е_Э< Е_К.(9.2)

В коллекторную цепь транзистора включа­ется сопротивление нагрузки R_H.

Т.к. выходное со­противление транзистора (транзистор, со стороны коллек­торного перехода является источником тока, его внутреннее сопротивление велико,1-10 МОм), то можно в цепь коллектора включать большие по номиналу сопротивления нагрузки, почти не влияя на величину коллекторного тока (R_H — единицы и десятки килоом).

Соответственно в цепи нагрузки может выделяться значительная мощность (переменной составляющей)

P_вых~=1/2I_к²R_н (9.3)

Входное сопротивление схемы, напротив, весьма ма­ло (прямо смещенного эмиттерного перехода, единицы — десятки Ом). Соответственно

R_н >> R_вх, (9.4)

Поэтому при почти одинаковых токах коллектора и эмиттера I_к ~ I_э , (включение транзистора в схеме с общей базой) мощность, потребляемая в цепи эмиттера

P_вх~=1/2I_э²R_вх (9.5)

оказывается несравненно меньше, чем выделяе­мая в цепи нагрузки.

P_вых/ P_вх ~R_н / R_вх (9.6а)

Из (9.6) и (9.4) видно, что

P_вых>> P_вх (9.6б)

!!! Т.о транзистор способен усиливать мощность, т.е. он являет­ся усилительным прибором.

Показатели, характеризующие усилительные свойства транзистора

— коэффициент усиления по току;

— коэффициент усиления по напряжению;

— коэффициент усиления по мощности.

1. Коэффициент усиления по току: отношение изменения выходного тока к, к вызвавшего его изменение входного тока Iэ

К_I=I_вых/I_вх= I_к/I_э (9.7)

Для приведенной схемы K_I < 1 (типовые значения К_I= 0,9 — 0,95), т.е. ток I_К в выходной цепи всегда несколько меньше тока Iэ, протекающего во входной цепи и транзистор, включенный по представленной выше схеме, уси­ления по току не дает.

Обычно отношение I_к/I_э обозначается  (в системе h параметров, см. п.3 “Для самостоятельного изучения“, для схемы с ОБ обозначается h_21б).

Чем больше коэффициент , тем меньше отличаются между собой токи I_К и I_Э, и соответственно, тем большими оказываются коэффициенты усиления транзистора по напряжению и по мощ­ности.

2. Коэффициент усиления по напряжению — отношение изменения выходного U_вых переменного напряжения к входному U_вx,:

K_U=U_вых /U_вx (9.8)

U_вых=I_K^{. .}R_н (9.9)

U_вх =I_вх r_эб, (9.10)

где r_эб сопротивление входной цепи транзистора (сопротивление участка эмиттер-база).

K_U=I_KR_н/I_Э^. r_эб =^. R_н/ rэб (9.11а)

т.к I_э ~I_{к ,} т.е. ~1 то

К_u~ R_н/rэб (9.11б)

3. Коэффициент усиления по мощности транзистора: отношение выходной мощности (выделяющейся на нагрузке) к входной

К_Р~ = P_вых/ P_вх=0.5I_K²R_н/ 0.5I_Э^2.rэб=^.2 R_н/^.rэб = R_н/^.rэб (9.12)

причем

К_Р= K_U К_I(9.13)

Для данной схемы (ОБ) К_Р численно равен K_U (К_I<1)и может достигать величины в несколько сотен.

Усиление сигнала с помощью транзистора происходит за счет потребления энергии от источника питания.

Сам транзистор выполня­ет функции своеобразного регулятора выходного тока, который под действием слабого входно­го сигнала, введенного в цепь с малым сопротивлением, изменяет ток в выход­ной цепи, обладающей большим сопротивлением.

Полевые транзисторы

Полевой транзистор полупроводниковый прибор, ток которого изменяется в результате действияперпендикулярноготоку электрического поля, создаваемого входным напряжением.

Полевые транзисторы (ПТ) в отличие от биполярных (БТ) ряд специфических особенностей:

— высокое входное сопротивление;

— малое потребление энергии по цепи управления

ПТ нашли широкое применение и как дискретные элементы схем, также они ши­роко используются в интегральных микросхемах (ИМС). Это объясняется простотой изготовления (в настоящее время) ПТ ИМС, по сравнению с БТ, малым потреблением энергии и высокой плотностью расположения элементов в ИМС.

Классификация полевых транзисторов (упрощенная)

ПТ

с изолированным

затвором (МОП, МДП)

металл — п/п с управляющим встроенный канал индуцированный канал

p—n переходом

р- канал n — канал р -канал n — канал

Рис.9.3 Упрощенная классификация полевых транзисторов

Идея полевого транзистора с изолированным затворомбыла предложена

Ю. Лилиенфельдом в 1926-1928 годах. Объективные научные и технологические трудности в реализации этой конструкции позволили создать первый работающий прибор этого типа только в 1960 году.

В 1953 году Дейки и Росс предложили и реализовали другую конструкцию полевого транзистора — с управляющим p-n переходом.

Конструкция полевых транзисторов с барьером Шоттки— была предложена и реализована Мидом в 1966 году.

Полевой транзистор с управляющим р-n переходом

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом— это полевой транзистор, управление потоком основных носителей в котором происходит с помощью выпрямляющего электрического перехода, смещенного в обратном направлении.

Конструкция

Схематическое устройство полевого транзистора с управляющим p-n переходом представлено на рис. 9.4

Рис. 9.4 Упрощенная структура полевого транзистора с управляющим p-n переходом

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом представляет собой монокристалл полупроводникаn—типа проводимости.

По торцам кристалла методом напыления сформированы электроды, а посередине, с двух сторон, созданы две области p-типа проводимости также с электрическими выводами от этих областей,соединенные между собой(возможны и другие варианты структуры, например – цилиндрическая с кольцевым затвором).

На границе раздела областей с различным типом проводимости возникнет

р-n переход.

ПТ содержит три полупроводниковые области: две одного и того же типа проводи­мости, называемые соответственно истоком (И) и стоком (С), и противоположной им типа проводимости, называемой затвором (З).

Область между стоком и истоком называется каналом.

К каждой из областей (стоку, истоку и затвору) присоединены соответствую­щие выводы (невыпрямляющие контакты, омические).

В транзисторе используется движение носителей заряда одного знака (ос­новных носителей), которые, ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ, СОЗДАВАЕМОГО ВНЕШНИМ ИСТОЧНИКОМ (U_си), движутся из истока через канал в сток.

Этим объ­ясняются названия: исток— область, из которой выходят носители заряда, и сток — область, в которую они входят.

p—n переход при нормальном режиме работы транзистора должен быть обратносмещенным.

Физика работы

Действие прибора основано на зависимости толщины p-n перехода в зависимости от

приложенного к нему напряжения.

Источник напряжения U_3И создает отрицательное напряжение на затворе (относительно истока), p-n переход находится в запертом состоянии и почти полностью лишен подвижных носителей заряда, его проводимость практически равна нулю.

Увеличение запирающего напряжение на затворе приводит к увеличению ширины перехода (области обедненной носителями заряда) и соответственно к уменьшению сечения проводящего канала.

Если подключить к каналу источник питания U_ИС между стоком и истоком (невыпрямляющими контактами), то через кристалл полупро­водника потечет ток.

С уменьшением или увеличением напряжения на затворе (U_3И’, U_3И” на рис.9.4) уменьшается или увеличивается ширина p-n перехода, вследствие этого изменяется сечение канала которое зависит от толщины р-n перехода т.е. изменяется сопротивление канала и в результате изменяется величина тока стока I_С.

Таким образом, изменением напряжения на затворе, можно управлять 1_С.

Носители в канале движутся от истока к стоку под действием продольного электрического поля (направленного вдоль канала), создаваемого напряжением меду стоком и истоком.

Основным процессом переноса носителей заряда, образующим ток полевого транзистора, является дрейфосновных носителей в электрическом поле.

Электрическое поле, возникающее при приложении напряжения между затво­ром и истоком, направлено перпендикулярно дви­жению носителей в канале и при этом говорят, что ток транзистора управляется поперечным электрическим полем.

Можно подобрать такое отрицательное напряжение на затворе, при котором произойдет полное перекрытие канала.

При полностью перекрытом канале ток канала I_C обращается в нуль, а в це­пи стока течет лишь малый остаточный ток (или ток отсечки) I_СО.

Он состоит из обратного тока p-n перехода I₀ и тока утечки I_у, протекающего по поверх­ности кристалла. Т.к. I_у « I₀, то I_со ~ I₀ .

!!! Полевой транзисторв отличие от биполярного иногда называютуниполярным, т. к. его работа основана только токах основных носителях заряда либо электронов, либо дырок (зависит от типа канала).

Вследствие этого в полевом транзисторе отсутствуют процессы накопления и рассасывания объемного заряда неосновных носителей, оказывающих заметное влияние на быстродействие биполярного транзистора.

Модуляция ширины канала

Врабочем режиме по каналу протекает ток I_С, поэтому потенциалы раз­личных поперечных сечений оказываются неодинаковыми, рис.9.5 (для примера показан транзистор с каналом p- типа, напряжение на затворе – положительное, а на стоке — отрицательное).

Рис. 9.5 Модуляция шириныp- канала

Потенциал U_Cх, распре­деленный вдоль канала, меняется от 0 (у земляного вывода) у истока до U_C у стока.

Оба напряжения U_ЗИ (положительное)и U_Cх(отрицательное) являются запирающими для p-n перехода.

Наибольшим будет сечение канала возле истока, где напряжение на переходе U_pn = U_3И, и наименьшим возле стока, где U_{pn =} U_ЗИ — Uc.

Если увеличивать напряжение на стоке Uc, то увеличение I_С, начиная с некоторого

значения Uc, прекратиться, т.к. сужение канала будет увеличивать его сопро­тивление и увеличения тока, несмотря на увеличение напряжения, происходить не будет. Этот процесс называется насыщением.

При относительно большом напряжении Uc, когда U_СИ + U_3И > U_{pn допуст} , в сто­ковом участке обратно включенного управляющего p-n перехода возникает электрический лавинный пробой и I_С резко возрастает. Этот ток замыкается через электрод затвора.

Условное графическое обозначениеполевого транзистора с управляющимp-nпереходом:

Рис. 9.6Условные обозначения полевого транзистора, имеющего канал n-типа (а) и

p-типа (б). Стрелка в выводе затвора указывает направление прямого тока через р-n переход

Статические ВАХ ПТ с управляющим р —n переходом

1. Статическая стоковая характеристика

Ic = f(Uc) при U_ЗИ = const, см. рис.9.7

Рис. 9.7 Стоковая характеристика

При U_ЗИ < U_пор — транзистор закрыт, и его ВАХ подобна обратной ветви полупроводникового диода (нижняя кривая на рис.9.7).

Она практически совпадает с осью напряже­ний, отклоняясь от нее в области электрического пробоя.

При U_3И = 0 и малых значениях U_СИ ток стока изменяется прямо пропорционально с изменением на­пряжения (участок АБ).

В точке БВ из-за заметного сужения стокового участка канала и уменьше­ния его общей проводимости намечается некоторое отклонение характеристики от прямой линии.

На участке БВ существенное сужение стокового участка канала и значи­тельное уменьшения его общей проводимости вызывают замедление роста тока I_С с увеличением U_СИ.

В точке В, при U_{СИ нас} ток стока достигает величины I_{С нас} и в дальнейшем остается почти неизменным.

6.3. Анализ работы усилительного каскада с об

С_б— блокирующий на общую шину конденсатор.

Коэффициент усиления по напряжению

Представляя транзистор как управляемый генератор тока I₂=h_21БI_э, получим формулу для коэффициента усиления по напряжению. На средних частотах

K_uo=

Входное сопротивление транзистора:

R_вх.т.об =h_11б= .

h_11б=r_э.диф+(1–h_21б)r_б

В схеме с ОБ R_вх.т.вh_21э+1 раз меньше, чем в схеме с ОЭ:h_11б=h_11э/(h_21э+1) и составляет десятки Ом.

Выходное сопротивлениетранзистора:

R_вых.т=r_к.диф(1-_эh_21б).

Здесь _э=r_б/(r_б+r_э.диф) — коэффициент токораспределения тока коллектора в цепь эмиттера.

Итак,

K_uo=.

Если принять K_uo=U_вых/U_r, то

K_uo=.

Усиление происходит без сдвига фазы. Коэффициент усиления можно получить высоким, если R_r0, аR_к.н.велико. Если же нагрузка низкоомная, например, вход другого каскада с ОБ, тоK_uo<1.

При R_r=0 оба каскада (с ОБ и с ОЭ) дают одинаковое усиление.

Коэффициент усиления по току

K_io=R_r/(R_r+h_11б)*h_21б*R_к/(R_к+R_н) меньше 1.

Частотные свойства каскада

В области верхних частот усиление снижается из-за снижения коэффициента _диф(j)=₀/1+j_и влияния паразитных емкостей (С_вых.т+ С_н).

Емкость С_вых.т=С_к/(1–_эh_21б).

Постоянная времени в области верхних частот

_B=_/(1–_эh_21б)+R_к.н(С_к/(1–_эh_21б) + С_н),

а верхняя граничная частота

f_B=1/2_B.

Каскад с ОБ обладает более широкой полосой частот, чем каскад с ОЭ, т.к. _<<_, С_к<<C^*_к.

Чем больше R_r, тем меньше_э=r_б/(R_r+r_э.диф+r_б) и тем шире полоса частот (f_B).

При R_r0 полоса сужается, приближаясь к полосе усилителя с ОЭ.

6.4.Каскад с ок. Эмиттерный повторитель

По переменному току коллектор на общей шине — через источник Uп, емкость Сбл.

Нагрузка включена в цепь эмиттера. Делитель R_б1,R_б2создает потенциал базыU_э.о. меньше на величинуUбэ=0.25В дляGe(0.75В дляSi).

Выходное напряжение совпадает по фазе с входным и близко к нему по величине.

Сравнительно большое r^*_к.диф(10 кОм) шунтируется небольшим сопротивлениемR_э.н=R_э||R_н. Поэтому в дальнейшем можно пренебречь r^*_{к. диф} .

Входное сопротивление транзистора

R_вх.т=r_б+(h_21э+1)(r_э.диф+R_э.н)

достигает значительной величины.

Для каскада R_вх=R_вх.т||R_б

Выходное сопротивление транзистора

R_вых=U₂/I₂приU₁=0,R_э.н=.

I₂ =U₂ / (r_э.диф +r_б) + [r_б / (r_б +r_э.диф)]h_21эI_б

Отсюда R_вых.т=r_э.диф+r_б/(h_21э+1).

Кстати, оно равно R_вх.тв схеме с общей базой. Если учесть и внутреннее сопротивление источника сигнала:

R_{вых. т}=r_{э. диф}+ (r_б +R^\_r)/(h_21э+1)

R_{вых. т}имеет небольшие значения. При I=5 mA, h_21э=50, r_б=200 Ом

R_{вых. т}= 25/5 + 200/50 =9 Ом

При учетеR_rвеличинаR_{вых. т}возрастает, и приR_r.R_{вых. т}r^*_к.диф Практически приR_r2 кОмR_вых.т100 Ом

Коэффициент передачи по напряжению

K_U.o = U_вых/U_вх = I_э R_э.н / I_б R_вх.т = ((h_21э+1) I_б R_э.н) / I_б (r_б + (h_21э+1)(r_э.диф. + R_э.н.))

K_U.o = R_э.н. /(R_э.н +R_вых.т. ) < 1

Выходное напряжение по форме и по фазе повторяет входное. Напряжение на эмиттере отслеживает изменения потенциала базы, поэтому каскад допускает большие амплитуды входного сигнала без перегрузки транзистора.

Потенциал U_б.maxограничен сверху напряжением питанияU_n, аU_б.min– областью малых токов эмиттера, когдаR_вых. сильно возрастает из-за уменьшенияh_21э и увеличенияr_э.диф.

1. Классификация электронных усилителей, их характеристики. Коэффициенты усиления по току, напряжению, мощности, связь между ними.

Электронные усилители-это устройства, в которых маломощный входной электрический сигнал управляет подачей значительно большей мощности от источника питания к нагрузке. Источником входного сигнала может быть предыдущий усилитель, фотоэлемент, микрофон, термопара. В качестве нагрузки: следующий усилитель, гальванометр, реле, осциллограф, электродвигатели и т.д. рис1

основным параметром усилителя является коэффициент усиления: 1) по токуk_I=I_вых/I_вх 2)по напряжению k_U=U_вых/U_вх 3) по мощности k_P=P_вых/P_вх. k_P=k_U*k_I. k_P1. в зависимости от того, какому из параметров отдается предпочтение, усилители различают: усилители тока, напряжения, мощности. В зав-ти от режима работы различают линейные и нелинейные (логарифмические, импульсные и др.). основными характеристиками усилителей являются: АФХ, ФЧХ, АХ, в зав-ти от вида АЧХ различают след виды усилителей: 1) пост тока

2) перем тока (при пост не работают): узкополосные, широкополосные, низкочастотные, высокочастотные.Рис 2

Усилительные каскады в зав-ти от того, по какой схеме включается например биполярный транзистор, различают ОЭ, ОК, ОБ.

2. Принцип построения усилительных каскадов. Типы усилительных каскадов.

VT-усилительный элемент (транзистор),Rб-резистор для установки режима покоя (он создает постоянную составляющую тока базы транзистора), Rк- предназначен для ограничения тока коллектора сверх допустимых значений и для выделения в нем переменной составляющей усиленного напряжения, C1,C2 –для отделения переменной составляющей напряжения и токов от постоянной, Uип-напряжение источника питания.

Uип=IкRк+Uкэ (*). При подаче входного сигнала на усилительный каскад переменная составляющая этого сигнала проходит через конденсатор С1 и вызывает изменение напряжения Uбэ транзистором. При этом ток базы по отношению к току Iбэп (для режима покоя) изменяется по закону изменения входного сигнала. При изменении тока базы

пропорционально изменяется ток коллектора, причем ток базы покоя соответствует свой ток коллектора покоя. (Iкп/Iбп). Поскольку ур-е (*), то росту тока коллектора соответствует уменьшение потенциала коллектора (Uкэ). Т.о. усилительный каскад в схеме ОЭ явл-ся инвертирующим. Или фаза выходного сигнала противоположна фазе входного. Обычно режим покоя транзистора выбирают след образом: с пом-ю резистора Rб (или входного делителя) добиваются, чтобы напряжение Uкэ в режиме покоя было равно приблизительно половине напряжения источника питания Uип. Такому состоянию соответствует определенный ток коллектора покоя и в  раз меньший ток покоя базы. ВАХ резистора Rк линейная, но ВАХ транзистора существенно нелинейна. Расчет и анализ такой цепи можно производить и графически и аналитически

Рис.

На фоне семейства выходных характеристик строят нагрузочную линию по постоянному току. Эта прямая, представляющая собой ВАХ резистора Rк. Строится она по 2-м точкам: 1-я – если принять что Iк=0, то Uкэ=Uип-IкRк; Uкэ=Uип. 2-я – строится в предположении, что транзистор полностью открыт, тогда напряжение Uкэ=0, а Iк=(Uип/Rк). Точку покоя П и границы изменения входного напряжения a и b сносят на передаточную характеристику, а затем на линию нагрузки. Получаем П”a”b”. т.о. можно графически зная амплитуду входного сигнала определить амплитуду выходного. При определении переменной составляющей выходного напряжения каскада и коллекторного тока используют линию нагрузки по переменному току. Она строится при условии, что сопротивление источника питания принимается =0, сопротивление каскада определяется по схеме замещения. Наклон линии по переменному току больше чем наклон по постоянному. При Rн= эти линии совпадают. В любом случае линия нагрузки должна проходить левее и ниже допустимых значений параметров транзистора, т.е. лежать в зоне ОБР. если режим по постоянному току выбран неправильно или амплитуда входного сигнала больше расчетного значения, то появляются искажение формы выходного сигнала, вызванная нелинейностью ВАХ. Такие искажения наз-ют нелинейными. Величину этих искажений оценивают коэффициентом нелинейных искажений.k_ни =[( P₂+ P₃+…+ P_n)/P₁]= [( U₂²+ U₃²+…+ U_n²)/ U₁²]. P1,U1 – мощность и напряжение для основной гармоники, Pn, Un – для высших гармоник. Для получения Uмах на выходе усилителя (мах коэфф усиления по напряжению) необх-мо выполнить след условия: Rг<<Rвх (сопротивление генератора и входное сопротивление усилительного каскада). 2-е условие: Rн>>Rвх. Это соотв-ет режиму хол хода для усилителя. Для получения максимального коэфф усиления по току условие следующее: Rвых>>Rн; Rг>>Rвх. Это режим короткого змыкания для устройства. Для получения мах мощности используют согласованный режим (Rг=Rвх, Rн=Rвых).

63.Работа бт с нагрузкой. Коэффициенты усиления по напряжению, по току, по мощности.

Одним из важнейших применений биполярного транзистора является усиление колебаний. На вход транзистора подаётся маломощный управляющий сигнал. Под действием входного переменного сигнала изменяются входной и выходной токи транзистора. Транзистор может быть включен по одной из схем с ОБ, ОЭ, ОК, поэтому схему усилителя можно рассмотреть в обобщенном виде

Во входной цепи действует источник переменного напряжения U_вх, которое необходимо усилить. В выходной цепи включается нагрузка R. Обозначим амплитуду выходного напряжения U_вых, Подразумевается, что за счет постоянных напряжений на электродах транзистор работает в активном режиме. Процесс усиления состоит в преобразовании энергии источника питания в энергию переменного тока. Транзистор под действием напряжения (или тока) входного сигнала управляет током источника питания. Величина и форма управляемого тока зависят от амплитуды и формы входного сигнала, а также от выбранного режима работы транзистора.

Основными параметрами, характеризующими режим усиления, являются:

— коэффициент усиления по току K_I=I_{m вых}/I_{m вх}

— коэффициент усиления по напряжению K_U=U_{m вых}/U_{m вх}

— выходная мощность P_вых=Р_R=1/2I_{m вых}*U_{m вых}

— коэффициент усиления по мощности K_P=P_вых/P_вх=К_IK_U

— входное сопротивление R_вх=U_{m вх}/Im вх

— выходное сопротивление Rвых=Um вых.х.х./Im вых.к.з.

где – Umвых.х.х- выходное напряжение в режиме холостого хода; Imвых к.з. — выходной ток в режиме короткого замыкания.

Найдем выражения указанных параметров через h-параметры. Используя уравнения h-параметров, запишем

Из этих уравнений находим K_I=h₂₁/(1+h_22hR)

Обычно h₂₂<<1, поэтому K_I≈h₂₁, получим K_U=h₂₁/(h₁₂*h₂₁-h₁₁*(h₂₂+1/R))

Учитывая, что h₂₂<<1/R и h₁₂*h₂₁<<h₁₁/R, получим K_U=-h₂₁²/h₁₁*R

K_P=K_I*K_U=-(h₂₁²/h₁₁)*R