ОПРЕДЕЛЕНИЯ Усилитель элемент системы управления

ОПРЕДЕЛЕНИЯ : • Усилитель — элемент системы управления (или регистрации и контроля), предназначенный для усиления входного сигнала до уровня, достаточного для срабатывания исполнительного механизма (или регистрирующих элементов), за счёт энергии вспомогательного источника, или за счёт уменьшения других характеристик входного сигнала (под термином «сигнал» здесь и далее понимается любое явление (или процесс), характеристики которого необходимо увеличить). • Транзистор, полупроводниковый триод — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналам управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов.

• Полевой транзистор (англ. Field - effect transistor) — полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия перпендикулярного току электрического поля, создаваемого входным сигналом. Протекание в полевом транзисторе рабочего тока обусловлено носителями заряда только одного знака (электронами или дырками), поэтому такие приборы часто включают в более широкий класс униполярных электронных приборов (в отличие от биполярных).

УСИЛИТЕЛИ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ Применение полевых транзисторов во входных каскадах усилителей низкой частоты, предназначенных для работы от высокоомных источников сигнала, позволяет улучшить коэффициент передачи и существенно понизить коэффициент шума таких усилителей. Высокое входное сопротивление ПТ позволяет избежать необходимости использования переходных конденсаторов большой ёмкости. Применение ПТ в первом каскаде УНЧ радиоприемника увеличивает входное сопротивление до 1 -5 МОм. Такой УНЧ не будет нагружать конечный каскад усилителя промежуточной частоты. Используя это свойство полевых транзисторов , можно значительно упростить целый ряд схем; при этом уменьшаются габариты, масса и потребление энергии от источника питания. Полевой транзистор может быть включен по схеме с общим истоком, общим стоком и общим затвором. Каждая из схем включения обладает определенными характеристиками, от которых зависит их применение.

УСИЛИТЕЛЬ С ОБЩИМ ИСТОКОМ Это наиболее часто используемая схема включения ПТ, которая характеризуется высоким входным сопротивлением, высоким выходным сопротивлением, коэффициентом усиления по напряжению, большим единицы, а также инвертированием сигнала. На рис. 10, а изображена схема усилителя с общим истоком, в котором имеются два источника питания. Генератор напряжения сигнала Uвх подключен ко входу усилителя, а выходной сигнал снимается между стоком и общим электродом. Фиксированное смещение невыгодно, так как требует дополнительного источника питания, и вообще нежелательно по той причине, что характеристики полевого транзистора значительно изменяются в зависимости от температуры и имеют большой разброс от экземпляра к экземпляру. По этим причинам в большинстве практических схем с полевыми транзисторами применяется автоматическое смещение, создаваемое током самого полевого транзистора на резисторе Rи (рис. 10, б) и аналогичное автоматическому смещению в ламповых схемах. Рис. 10. Схемы включения ПТ с общим истоком. а - с фиксированным смещением; б - с автоматическим смещением; в - с нулевым смещением; г - эквивалентная схема.

Рассмотрим схему с нулевым смещением (рис. 10, в). На достаточно низких частотах, когда сопротивлением конденсаторов Сз. с (рис. 10, г) и Сз. и можно пренебречь по сравнению с Rз, коэффициент усиления по напряжению можно записать : (1) где Ri - динамическое сопротивление ПТ; оно определяется следующим образом: S-крутизна транзистора здесь же заметим, что SRi = μ, где μ - собственный коэффициент усиления транзистора по напряжению.

Выражение (1) можно записать иначе: (2) При этом выходное сопротивление усилителя (рис. 10, в) (3) При автоматическом смещении (рис. 10, б) режим каскада определяется системой уравнений :

Решение этой системы даёт значение тока стока Iс в рабочей точке ПТ: (4) При заданном значении Ic из выражения (4) найдём значение сопротивления в цепи истока: (5) Если задано значение напряжения Uз. и, то (6)

Значение крутизны для каскада с автоматическим смещением можно найти по выражению (7)

УСИЛИТЕЛЬ С ОБЩИМ СТОКОМ Каскад с общим стоком (рис. 11, а) часто называют истоковым повторителем. В этой схеме входное сопротивление выше, чем в схеме с общим истоком. Выходное сопротивление здесь низкое; инвертирование сигнала от входа к выходу отсутствует. Коэффициент усиления по напряжению всегда меньше единицы, нелинейные искажения сигнала незначительные. Коэффициент усиления по мощности может быть большим из-за значительного отношения входного и выходного сопротивлений. üИстоковый повторитель используется для получения малой входной ёмкости, для преобразования полного сопротивления в сторону его уменьшения или для работы с большим входным сигналом.

Рис. 11. Схемы усилителей с общим стоком. а - простейший истоковый повторитель; б - эквивалентная схема; в - истоковый повторитель с увеличенным сопротивлением смещения.

На частотах, где 1/ωСз. и значительно больше, чем Ri и Rн (рис. 11, б), входное и выходное напряжения связаны между собой соотношением откуда коэффициент усиления по напряжению Ки (8)

Где Входное сопротивление каскада, изображённого на рис. 11, а, определяется сопротивлением Rз. Если Rз соединить с истоком, как показано на рис. 11, в, входное сопротивление усилителя резко возрастает: (9) Так, например, если Rз = 2 МОм, а коэффициент усиления по напряжению Ки=0, 8, то входное сопротивление истокового повторителя равно 10 МОм. Входная ёмкость истокового повторителя для чисто омической нагрузки уменьшается вследствие присущей этой схеме обратной связи: (10)

Выходное сопротивление Rвых истокового повторителя определяется по формуле (11) При Ri>>Rн, что часто имеет место на практике, согласно (11) имеем: (12) При больших сопротивлениях нагрузки (13) R(вых) ≈ 1/S Выходная ёмкость истокового повторителя (4) Надо сказать, что коэффициент усиления истокового повторителя слабо зависит от амплитуды входного сигнала, в связи с чем эта схема может быть использована для работы с большим входным сигналом.

УСИЛИТЕЛЬ С ОБЩИМ ЗАТВОРОМ Эта схема включения используется для преобразования низкого входного сопротивления в высокое выходное. Входное сопротивление имеет здесь примерно то же значение, что и выходное в схеме с общим стоком. Каскад с общим затвором используется также в высокочастотных схемах, так как при этом в большинстве случаев отпадает необходимость в нейтрализации внутренней обратной связи. Коэффициент усиления по напряжению для схемы с общим затвором [1] (15) где Rr - внутреннее сопротивление генератора входного сигнала. Входное сопротивление каскада (16) а выходное (17)

Параметры усилителя на ПТ следующие: Коэффициент усиления по напряжению 500 Частотная характеристика (по уровню 0, 7), 20 -20000 Гц Максимальное выходное напряжение при нагрузке 3 к. Ом, 4 B Коэффициент нелинейных искажений при максимальном выходном напряжении, < 10 Входное сопротивление на частоте 20 Гц, 3 МОм Напряжение шумов, пересчитанное на вход в полосе 20 Гц - 20 к. Гц, 7 мк. В Напряжение питания, 24 В