Усилитель высоких частот на биполярных транзисторах

Усилитель высоких частот на биполярных транзисторах

В НИТУ «МИСиС» заработал первый в России прототип квантового компьютера. Устройство на двух кубитах выполнило заданный алгоритм, превысив ранее известный предел точности на 3%. В качестве основы для кубитов были взяты сверхпроводящие материалы.

Работы по созданию квантового компьютера в рамках проекта Фонда перспективных исследований ведутся в НИТУ «МИСиС» с 2016 года под руководством Валерия Рязанова, главного научного сотрудника Лаборатории сверхпроводящих метаматериалов университета. Конструкция предполагает использование в качестве основы для кубитов сверхпроводящих материалов.

Оглавление
Принцип работы усилителя на биполярных транзисторах
Усилители с общей базой и общим коллектором

Принцип работы транзисторного усилителя основан на том, что с помощью небольших изменений напряжения или тока во входной цепи транзистора можно получить значительно большие изменения напряжения или тока в его выходной цепи.
Изменение напряжения эмиттерного перехода вызывает изменение токов транзистора. Это свойство транзистора используется для усиления электрических сигналов.
Для преобразования изменений коллекторного тока, возникающих под действием входных сигналов, в изменяющееся напряжение в коллекторную цепь транзистора включают нагрузку. Нагрузкой чаще всего служит резистор или колебательный контур. Кроме того, при усилении переменных электрических сигналов между базой и эмиттером транзистора нужно включить источник постоянного напряжения, называемый обычно источником смещения, с помощью которого устанавливается режим работы транзистора. Этот режим характеризуется протеканием через его электроды при отсутствии входного электрического сигнала некоторых постоянных токов эмиттера, коллектора и базы. С применением дополнительного источника увеличиваются размеры всего устройства, его масса, усложняется конструкция, да и стоят два источника дороже, чем один. В то же время можно обойтись одним источником, употребляемым для питания коллекторной цепи транзистора. Одна из таких схем усилителя показана на рисунке.

В этой схеме нагрузкой усилителя является резистор RK, а используя резистор Rб, задают необходимый ток базы транзистора. Если режим работы транзистора задан (при этом часто говорят, что задана рабочая точка на характеристиках транзистора), становятся известными ток базы и напряжение UБЭ, а сопротивление резистора Rб, обеспечивающего этот ток, можно определить по формуле:
Rб =(GK-UБЭ)/IБ.
Так как UБЭ обычно составляет не более 0,2. 0,3В для германиевых транзисторов и 0,6. 0,8 В — для кремниевых, а напряжение GK измеряется единицами или даже десятками вольт, то UБЭ

Комментарии могут оставлять только зарегистрированные пользователи

Идеальный транзистор будет показывать нулевые искажения при усилении сигнала. Его коэффициент усиления будет одинаков на всех частотах. Он будет работать с токами в сотни ампер при температурах в сотни градусов Цельсия. На практике, доступные устройства демонстрируют искажения. Усиление ограничивается на высоких частотах спектра. При параллельной работе транзисторов для получения больших токов следует соблюдать осторожность. Эксплуатация при повышенных температурах может привести транзисторов к выходу из строя, если не будут приняты меры предосторожности.

Нелинейность

Усилитель класса A с общим эмиттером управляется почти до отсечки, как показано на рисунке ниже. Обратите внимание, что верхушка положительной полуволны более плоская, чем у отрицательной. Для многих приложений, таких как усиление аудиосигнала высокого качества, такое искажение неприемлемо.

Искажение большого сигнала в усилителе с общим эмиттером

Усилители малых сигналов относительно линейны, потому что они используют небольшой линейный участок характеристик транзистора. Усилители больших сигналов не являются стопроцентно линейными, поскольку характеристики транзистора, такие как коэффициент β, не постоянны, а меняются в зависимости от тока коллектора. Коэффициент β высок при низком токе коллектора и низок при очень низком или высоком токе коллектора. Хотя в первую очередь, мы сталкиваемся с уменьшением β при увеличении тока коллектора.

Список соединений SPICE для анализа переходных процессов и анализа Фурье:

Анализ Фурье показывает коэффициент нелинейных искажений (THD) 10%:

В листинге SPICE, приведенном выше, показано, как определить величину искажений. Команда “ .fourier 2000 v(2) ” сообщает SPICE о необходимости выполнения анализа Фурье на частоте 2000 Гц на выходе v(2). Командная строка “ spice -b circuitname.cir ” выдает вывод анализа Фурье, который приведен выше. Он показывает, что коэффициент нелинейных искажений (THD, total harmonic distortion) составляет более 10%, и величину отдельных гармоник сигнала.

Читайте также:  Чем залить крышу гаража чтобы не протекала

Частичным решением проблемы с этими искажениями является уменьшение тока коллектора или работа усилителя при большей нагрузке. Окончательным решением является применение отрицательной обратной связи. Смотрите раздел "Обратная связь".

Температурный дрейф

Температура влияет на характеристики транзисторов по постоянному и переменному току. Двумя аспектами этой проблемы являются изменение температуры окружающей среды и самонагревание. Некоторые приложения, например, военные и автомобильные, требуют работы в расширенном температурном диапазоне. В благоприятной же среде схемы подвергаются самонагреванию, в частности высоковольтные схемы.

Ток утечки IК0 и коэффициент β увеличиваются с ростом температуры. Коэффициент β по постоянному току hFE возрастает экспоненциально. Коэффициент β по переменному току hfe увеличивается, но не так быстро. При повышении температуры от -55°C до 85°C он удваивается. По мере увеличения температуры увеличение hfe даст больший выходной сигнал в схеме с общим эмиттером, который в крайних случаях будет ограничен (отсечен). Увеличение hFE сдвигает точку смещения, приводя к возможному отсечению пиков на одной из полуволн. В многокаскадных усилителях с прямой связью сдвиг точки смещения усиливается. Решением этой проблемы является использование отрицательной обратной связи для стабилизации точки смещения. Это также стабилизирует и коэффициент усиления по переменному току.

Повышение температуры на рисунке ниже (a) приведет к уменьшению VБЭ от номинальных 0,7 В для кремниевых транзисторов. Уменьшение VБЭ увеличивает ток коллектора в усилителе с общим эмиттером, что дополнительно приводит к сдвигу точки смещения. Лекарством от смещения VБЭ является использование пары транзисторов, собранных в схему дифференциального усилителя. Если оба транзистора на рисунке ниже (b) имеют одинаковую температуру, VБЭ будет отслеживать изменение температуры и компенсировать его.

(a) односторонний усилитель с общим эмиттером и (b) дифференциальный усилитель с компенсацией изменений VБЭ

Рекомендуемая максимальная температура перехода для кремниевых устройств часто составляет 125°C. Хотя для повышения надежности, работать необходимо при более низких температурах. Транзистор прекращает работать при температуре выше 150°C. Транзисторы из карбида кремния и алмазные транзисторы будут работать при значительно более высоких температурах.

Тепловой разгон

Проблема увеличения температуры, вызывающая увеличение тока коллектора, заключается в том, что больший ток увеличивает мощность, рассеиваемую транзистором, что, в свою очередь, увеличивает его температуру. Этот самоусиливающийся цикл известен как тепловой разгон, который может вывести транзистор из строя. Опять же, решение представляет собой схему смещения с некоторой формой отрицательной обратной связи для стабилизации точки смещения.

Емкость перехода

Между выводами транзистора есть емкость. Емкость коллектор-база CКБ и емкость эмиттер-база CЭБ на более высоких частотах уменьшают коэффициент усиления схемы с общим эмиттером.

В усилителе с общим эмиттером емкостная обратная связь от коллектора к базе фактически умножает CКБ на β. Величина отрицательной обратной связи, уменьшающей усиление, связана и с коэффициентом усиления по току, и с величиной емкости коллектор-база. Это явление известно как эффект Миллера.

Максимальная чувствительность усилителей малых сигналов ограничена шумом случайных колебаний тока. Двумя основными источниками шума в транзисторах являются дробовой шум из-за потока носителей заряда в базе и тепловой шум. Источником теплового шума является сопротивление устройства, и с ростом температуры уровень теплового шума увеличивается:

  • k – постоянная Больцмана (1,38 · 10 -23 Вт · с/К);
  • T – температура резистора в кельвинах;
  • R – сопротивление в омах;
  • Bш – полоса шума в герцах.

Шум в транзисторном усилителе определяется с точки зрения дополнительного шума, создаваемого усилителем, то есть не того шума, который усиливается от входа к выходу, а того, который генерируется в усилителе. Он определяется путем измерения отношения сигнал/шум (С/Ш, S/N) на входе и выходе усилителя. Выходное переменное напряжение усилителя с малым входным сигналом соответствует S + N, сумме сигнала и шума. Переменное напряжение без входного сигнала соответствует только шуму N. Величина шума F определяется через отношения S/N на входе и выходе усилителя.

Величина шума F для радиочастотных (РЧ, RF) транзисторов обычно приводится в технических описаниях в децибелах, FдБ. На ОВЧ (очень высоких частотах, VHF, от 30 МГц до 300 МГц) хорошим показателем шума является величина Уровень шума малосигнального транзистора в зависимости от частоты

Читайте также:  Многолетник с желтыми цветами название

На рисунке выше также показано, что шум на низких частотах с уменьшением частоты увеличивается на 10 дБ за декаду. Этот шум известен как шум 1/f.

Уровень шума зависит от типа транзистора (модели). Радиочастотные транзисторы малых сигналов, используемые на антенном входе радиоприемников, специально разработаны для внесения малого уровня шума. Уровень шума зависит от тока смещения и согласования импедансов. Наилучший показатель шума для транзистора достигается при более низком токе смещения и, возможно, при рассогласовании импедансов.

Температурное рассогласование (проблема с параллельными транзисторами)

Если два идентичных мощных транзистора включены параллельно для получения большей величины тока, можно было бы ожидать, что ток между ними будет распределяться одинаково. Но из-за различий в характеристиках транзисторов ток будет распределяться неодинаково.

Для транзисторов, включенных параллельно для получения большего тока, требуются балластные эмиттерные резисторы

На практике нецелесообразно выбирать идентичные транзисторы. Коэффициент β для транзисторов малых сигналов обычно находится в диапазоне 100–300, для мощных транзисторов: 20–50. Если бы они совпадали, то любой из них мог бы нагреваться сильнее других из-за условий окружающей среды. Более горячий транзистор потребляет больше тока, что приводит к тепловому разгону. Решение при параллельном использовании биполярных транзисторов состоит в добавлении эмиттерных резисторов, известных как балластные резисторы с сопротивлением менее ома. Если более горячий транзистор потребляет больше тока, падение напряжения на балластном резисторе увеличивает отрицательную обратную связь. Это уменьшает ток. Установка всех транзисторов на одном радиаторе также помогает выравнивать ток.

Высокочастотные эффекты

Производительность транзисторного усилителя относительно постоянна вплоть до некоторой точки, как показано на графике зависимости коэффициента усиления по току от частоты для усилителя малых сигналов с общим эмиттером (рисунок ниже). За этой точкой по мере увеличения частоты производительность транзистора ухудшается.

Граничная частота (частота отсечки коэффициента бета), fгр, fT – это частота, при которой коэффициент усиления по току (hfe) усилителя малых сигналов с общим эмиттером падает ниже единицы (рисунок ниже). Реальный усилитель должен иметь коэффициент усиления > 1. Таким образом, на частоте fгр транзистор использоваться не может. Максимальная частота, приемлемая для использования транзистора, равна 0,1fгр.

Зависимость коэффициента усиления по току (hfe) от частоты для усилителя малых сигналов с общим эмиттером

Некоторые радиочастотные биполярные транзисторы могут использоваться в качестве усилителей на частотах до нескольких ГГц. Кремниево-германиевые устройства расширяют диапазон до 10 ГГц.

Предельная частота (частота отсечки коэффициента альфа), fпр, falpha – это частота, при которой коэффициент α снижается до 0,707 от коэффициента α на низких частотах, α=0,707α. Предельная частота и граничная частота примерно равны: fпр≅fгр. В качестве высокочастотного показателя предпочтительнее использовать граничную частоту fгр.

fmax – самая высокая частота колебаний, возможная при наиболее благоприятных условиях смещения и согласования импеданса. Это частота, при которой коэффициент усиления по мощности равен единице. Весь выходной сигнал подается назад на вход для поддержания колебаний. fmax является верхним пределом частоты работы транзистора в качестве активного устройства. Хотя реальный усилитель не используется на fmax.

Эффект Миллера: верхний предел частоты для транзистора, связанный с емкостями переходов. Например, PN2222A имеет входную емкость Cibo=25пФ и выходную емкость Cobo=9пФ между К-Б и К-Э соответственно. Хотя емкость К-Э 25 пФ кажется большой, она меньше, чем емкость К-Б (9 пФ). Из-за эффекта Миллера в усилителе с общим эмиттером емкость К-Б оказывает влияние на базу в β раз. Почему это так? Усилитель с общим эмиттером инвертирует сигнал, проходящий от базы к эмиттеру. Инвертированный сигнал коллектора, подаваемый назад на базу, противодействует входному сигналу. Сигнал на коллекторе в β раз больше входного сигнала. Для PN2222A β=50–300. Таким образом, емкость К-Б 9 пФ выглядит так: от 9 · 50 = 450 пФ до 9 · 300 = 2700 пФ.

Решение проблемы с емкостью перехода для широкополосных приложений заключается в выборе высокочастотного транзистора – RF (радиочастотного) или СВЧ транзистора. Полоса пропускания может быть дополнительно расширена за счет использования схемы с общей базой, вместо схемы с общим эмиттером. Заземленная база защищает входной эмиттер от емкостной обратной связи с коллектора. Каскодная схема из двух транзисторов будет обеспечивать такую же полосу пропускания, как и схема с общей базой, но уже с более высоким входным импедансом схемы с общим эмиттером.

Читайте также:  Соус к жареной скумбрии

2.1. Общие сведения

Усилители электрического сигнала представляют собой устройства для его усиления по напряжению, току или мощности за счет преобразования энергии источника питания в энергию выходного сигнала. Они имеют входную цепь, к которой подключается источник усиливаемого сигнала, выходную цепь, к которой подключается нагрузка, потребитель усиленного сигнала, а также цепь питания, к которой подключается источник, за счет энергии которого происходит усиление сигнала.

Рис.2.1. К определению коэффициента

Основными параметрами усилителя являются:

— коэффициент усиления по напряжению

Ku = ,

где Uвх иUвых – напряжения на входе и выходе усилителя (см. рис.2.1),

— коэффициент усиления по току

KI = ,

где Iвх иIвых –токи на входе и выходе усилителя;

— коэффициент усиления по мощности

Kр = == Ku KI,

где Рвх иРвых – входная и выходная мощности.

Усилители могут работать либо в линейном, либо в нелинейном режимах. В линейном режиме мгновенные значения выходного напряжения пропорциональны мгновенным значениям входного напряжения, а, следовательно, при усилении не вносятся искажения в спектр входного сигнала. В нелинейном режиме пропорциональность между мгновенными значениями выходного и входного напряжений отсутствует и спектр выходного сигнала не совпадает со спектром входного.

По диапазону усиливаемых частот усилители разделяют на усилители постоянного тока (УПТ), предназначенные для усиления сигнала, уровень которого медленно изменяется во времени, и усилители переменного тока, которые в свою очередь подразделяются на усилители низкой частоты, усилители высокой частоты, а также на широкополосные и узкополосные усилители.

2.1. Усилительный каскад на биполярном транзисторе

Схема усилительного каскада на биполярном транзисторе приведена на рис.2.2. В ней транзистор включен по схеме с общим эмиттером. Усиление осуществляется за счет преобразования энергии источника питания Е, который подключен к клеммам «Е— земля» в энергию выходного сигнала. Источник входного сигналаегподключен к входным клеммам усилительного каскада, а к выходным клеммам подключена нагрузка (резисторRн).

Рис.2.2. Схема усилительного каскада ОЭ

Преобразование энергии источника Ев энергию усиливаемого сигнала происходит в нелинейном элементе, каким является транзистор, сопротивление которого зависит от величины входного сигнала. Поскольку резисторRвключен последовательно с транзистором, то величина коллекторного тока, протекающего через этот резистор, изменяется при изменении входного напряжения. Поэтому и напряжение, снимаемое с точки «а» схемы рис.2.2, которое является выходным, также изменяется с изменением входного напряжения. Действительно, цепь, включающая транзистор, можно представить как делительную цепочку, приведенную на рис.2.3, к которой подводится напряжение Е, а с точки а снимается напряжениеUвых. Эти напряжения связаны между собой как

Uвых= . (2.1)

Поскольку напряжение Е— постоянное, то при изменении сопротивления резистораRтрпроисходит изменение выходного напряжения. При переменном напряжении, подаваемом на вход каскада, выходное напряжение изменяется с частотой входного сигнала. Следовательно, наличие в схеме резистораRобуславливает усилительные свойства каскада. При отсутствии этого резистора выходное напряжение будет равно Е, величина которого не зависит от входного напряжения.

Рис.2.3. Эквивалентное представление цепи усилительного

каскада, содержащего транзистор

Входное переменное напряжение поступает на вход транзистора через конденсатор С. Этим конденсатором устраняется влияние цепи постоянного тока усилительного каскада на работу задающего генератора. Выходное переменное напряжение снимается с точки “а” схемы и через конденсатор Споступает на выход усилительного каскада. Конденсатор Собеспечивает пропускание лишь переменной составляющей напряжения от транзистора к нагрузке. Конденсаторы Си Сназываются разделительными.

Цепочка резисторов RиRявляется делителем напряжения источника питания Еи обеспечивает заданный режим базовой цепи транзистора по постоянному току (режим покоя). Этой цепочкой достигается питание входной и выходной цепей транзистора от одного источника.

Обоснование необходимости введения резистора Rи конденсатораСбудет проведено ниже.

Ссылка на основную публикацию
Уровень для плитки цена
На сайте продавца доступен "Онлайн консультант".Для перехода на сайт нажмите "В магазин" На сайте продавца доступен "Онлайн консультант".Для перехода на...
Украшения на люстру своими руками
-Метки -Рубрики РУЧНАЯ РАБОТА , hand made (2303) МАСТЕР-КЛАСС,TUTORIAL (1465) ТЕХНИКИ ДЕКОРИРОВАНИЯ (380) ДЕКУПАЖ, Decupaje (379) ВИДЕО, Video, видеоуроки (305)...
Украшения своими руками бижутерия пошагово
для тех, кто ищет курсы: Войти в аккаунт Чтобы воспользоваться всеми функциями сайта, вам необходимо зарегистрироваться/войти в свой аккаунт на...
Уровень масла на газели
На экономичность и безопасность автомобиля, а также его технические данные влияет своевременное проведение ТО и обслуживания. Стоит отметить, что за...
Adblock detector