Напівпровідникові підсилювачі

Теоретичні відомості до лабораторної роботи №3

Потужність сигналів, які формують задаючі пристрої або елементи порівняння, часто недостатня для керування виконавчими механізмами. Для їх підсилення використовують підсилювачі, що здійснюють кількісне перетворення вхідного сигналу. В будь-якому підсилювачі вхідна і вихідна величини мають однакову фізичну природу і підсилення відбувається за рахунок того, що вхідний сигнал керує передачею енергії від джерела живлення до виходу підсилювача.

Основними показниками, що характеризують роботу підсилювачів, є коефіцієнт підсилення, межі зміни вхідного і вихідного сигналів, к.к.д. і спотворення. Коефіцієнтом підсилення називається відношення величини вихідного сигналу до вхідного. Спотворення підсилювача являє собою зміну форми вихідного сигналу в порівнянні з формою вхідного сигналу і може бути зумовлене нелінійністю статичної характеристики підсилювача і його інерційністю.

У системах автоматизації технологічних процесів найбільш широко застосовують напівпровідникові, релейні і гідравлічні підсилювачі.

Напівпровідникові підсилювачі

Дані підсилювачі відрізняються високим коефіцієнтом підсилення (10³...10⁶), великим терміном служби (більш 100000 год), малою інерційністю (стала часу 10^-3...10^-6 с), економічністю, невеликими розмірами і масою, високою чутливістю (пороги чутливості за струмом 10^-12...10^-13 А і за напругою 10^-5...10^-6 В) і іншими якостями. Потужність напівпровідникових підсилювачів складає від долів Вата до сотень кіловат.

Як підсилювальні елементи використовують біполярні і польові транзистори.

У підсилювачах на біполярних транзисторах застосовують транзистори p-n-p і n-p-n типів. На рис. 3.1 представлені три схеми включення транзистора типу p-n-p. Якщо в них поміняти знаки напруг і напрямки струмів на зворотні, то одержимо схеми включення транзистора типу n-p-n.

Рис.3.1. Схеми включення транзисторів типу p-n-p: ОЕ — із загальним емітером; ОК - із загальним колектором; ОБ — із загальною базою.

Напруги і струми транзистора зв'язані співвідношеннями

. /3.1/

Відношення називається статичним коефіцієнтом передачі струму від емітера до колектора. Воно складає 0,95... 0,99 і більш. Відношення називається статичним коефіцієнтом передачі струму від бази до колектора. У схемі з загальним емітером знаходиться в межах 20...100. Чим вище і тим якісніший транзистор з погляду його підсилювальних властивостей.

З представлених на рис. 3.1 схем із загальним емітером (ОЕ), загальним колектором (ОК) і загальною базою (ОБ) найчастіше використовується схема з ОЕ, тому що вона забезпечує найбільше підсилення за потужністю. Коефіцієнти підсилення за струмом і напругою в ній більше одиниці. Для схеми з ОБ коефіцієнти підсилення за струмом менше, а за напругою більше одиниці. Тому дану схему використовують для підсилення напруги. Схема з ОК має коефіцієнт підсилення за напругою, близький до одиниці, а по струму - значно більше одиниці. Цю схему називають емітерним повторювачем і вона застосовується для підсилення потужності.

У більшості випадків схема підсилювача складається з декількох каскадів. Перший каскад здійснює узгодження роботи підсилювача з джерелом вхідного сигналу. Найбільший ефект підсилення досягається при рівності внутрішнього опору джерела вхідного сигналу і вхідного опору першого каскаду. Проміжні каскади підсилюють U_вих до значення, необхідного для роботи вихідного каскаду, у якому відбувається підсилення потужності до заданого значення.

У підсилювачах постійного струму з’єднання каскадів здійснюється за допомогою резисторів, у підсилювачах змінного струму - за допомогою розділових елементів-конденсаторів або трансформаторів. При послідовному з'єднанні каскадів коефіцієнт підсилення підсилювача , де - коефіцієнти підсилення каскадів.

Підсилюючі каскади на біполярних транзисторах керуються струмом і мають низький вхідний опір, що ускладнює узгодження їх роботи з високоомними джерелами вхідних сигналів. Високий вхідний опір мають польові транзистори, керовані електричним полем, створюваним вхідною напругою.

За своїми параметрами і характеристиками польові транзистори подібні до електронних ламп. Роль витоку, стоку і затвора польового транзистора з каналом n -типу аналогічна ролі катода, анода і сітки електронної лампи. Дія вхідного сигналу U_вх, прикладеного до затвора, полягає в зміні електричного опору струмопровідного каналу, а отже, і струму в колі стоку. При U_вх =0 опір струмопровідного каналу найменший.

Як і біполярні, польові транзистори можуть вмикатися трьома способами: за схемою з загальним витоком, з загальним стоком, і з загальним затвором. Найбільше часто застосовують схему з загальним витоком (рис. 3.2).

Параметри польових і біполярних транзисторів залежать від температури. Щоб зменшити вплив температури на роботу напівпровідникових підсилювачів, приймають від’ємні зворотні зв'язки і вводять температурну компенсацію за допомогою терморезисторів.

Поєднання каскадів, виконаних на польових і біполярних транзисторах, дозволяє створювати підсилювачі з високим вхідним опором і високою вихідною потужністю, що розширює застосування напівпровідникових підсилювачів в різних пристроях автоматики і вимірювальної техніки.