Analoogelektroonika lülitused (1)

Teema 6. Analoogelektroonika lülitused M.Pikkovi ainekava ja konspekti järgsed allteemad ( http://www.ttykk.edu.ee/aprogrammid/elektroonika_alused_MP.pdf , lk 60...85)
- Transistor kui pidevatoimeline võimenduselement. - Võimendusaste üksiktransistoriga ( bipolaartransistor ühise emitteriga ja väljatransistor ühise lättega lülituses). - Tööpunkt (ehk reziim ) ja staatiline ning dünaamiline koormussirge . - Astmete aseskeemid. - Pingevõimendustegur ja sisendtakistus . - Järgurid, nende pingevõimendustegur ja sisendtakistus. - Ühise baasiga aste. - Astmetevaheline sidestus mitmeastmelises võimendis. - Tagasiside võimendites. - Tagasiside tüübi mõju võimendi põhiparameetritele. - Bipolaartransistori töö lülitireziimis. - Stabiilse voolu generaatorid .
Käesoleva teksti sisujaotus:
6.1 Võimendid: mõiste, liigitus ja põhiparameetrid 6.2 Võimendusastmed bipolaartransistori baasil 6.2.1 ÜE-lülituses transistor 6.2.2 ÜK-lülituses transistor e. emitterjärgija 6.2.3 ÜB-lülituses transistor 6.2.4 Transistori tööpunkt ja koormussirge 6.3 Võimendusastmete vaheline sidestus 6.3.1 RC-sidestus e. takistus-mahtuvuslik sidestus 6.3.2 Trafosidestus 6.3.3 Otsesidestus 6.4 Võimendusastmed väljatransistoride baasil 6.4.1 Ühise lättega lülitus 6.4.2 Ühise neeluga lülitus 6.4.3 Välja- ja bipolaartransistoride ühislülitused 6.5 Tagasiside võimendites 6.5.1 Tagasiside liigid ja nende toime võimendi omadustele 6.5.2 Vastuside mõju võimendi parameetritele 6.5.3 Tagasisidelülituste praktilisi näiteid 6.5.4 Parasiitne tagasiside 6.6 Transistori töö lülitireziimis 6.6.1 Impulsside liigid ja parameetrid 6.6.2 Bipolaartransistori töö lülitireziimis 6.6.3 Väljatransistori töö lülitireziimis 6.7 Stabiilse voolu generaatorid 6.7.1 Bipolaartransistoridega püsivooluallikad 6.7.2 Väljatransistoridega püsivooluallikad 6.7.3 Voolupeegel
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised 1 Märkus: bipolaartransistori kollektorit võidakse allpool tähistada nii tähega K kui tähega C. Mõlemad tähistused on võrdväärsed.
6.1 Võimendid: mõiste, liigitus ja põhiparameetrid Pikkov lk 60
Joonisel vasakult paremale: alalisvooluvõimendid, helisagedusvõimendid, kõrgsagedus-võimendid, lairibavõimendid, kitsasribavõimendid. Iga võimendirühma kohta on kujutatud sellele rühmale tüüpiline amplituudi- sageduskarakteristiku KU = f (f) kuju, kus KU on võimendi pingevõimendustegur KU = Uvälj / Usis.
Võimendatava signaali sageduse järgi eristatakse alalispingevõimendeid, mis on suutelised võimendama kuitahes aeglasi sisendpinge või ­voolu muutusi (sagedusala ulatub alumisest piirsagedusest fa = 0 kuni mingi ülemise piirsageduseni fü), ja vahelduvpingevõimendeid, millel fa > 0.
Vahelduvpingevõimendid jagunevad madalsagedusvõimenditeks (talitlussagedusala u. 10 Hz kuni 100 kHz) ja kõrgsagedusvõimenditeks (fü > 100 kHz). Võimendid võivad olla kas lairibavõimendid, millel suhe fü / fa võib ulatuda tuhandeni ja fü mitmekümne megahertsini, või kitsasriba- e. selektiivvõimendid, millel fü / fa Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised 2 Lairibavõimendite alaliigid on videovõimendid (kasutatakse telerites, ostsillograafides) ning impulsivõimendid mitmesuguse kuju ja sagedusega perioodiliste impulsside võimendamiseks. Lairibavõimenditeks võib lugeda ka alalisvooluvõimendeid, sest neil on suhe fü / fa lõpmata suur
Alalispingevõimendit, mille sisendis on diferentsaste (diferentsiaalaste) nimetatakse diferentsvõimendiks (diferentsiaalvõimendiks). Diferentsastme nagu ka diferentsvõimendi väljundsignaal on võrdeline tema kahel sisendil valitsevate potentsiaalide erinevusega (diferentspingega).
Operatsioonvõimenditeks nimetatakse kõrgekvaliteedilisi alalispingevõimendeid, milliseid algselt konstrueeriti analoogarvutite ja automaatjuhtimissüsteemide jaoks, millest tuleneb ka võimendirühma nimetus (võimendid matemaatiliste operatsioonide e. tehete teostamiseks).
Kaasajal toodetakse operatsioonvõimendeid valdavalt integraalülitustena ning nad on kasutusel universaalsete võimenditena, mida saab kasutada kõikjal, kus on vaja elektrilisi signaale võimendada ning kus ei ole vajalik väga suur väljundvõimsus. Kuna nende sisendis on diferentsaste, siis kuuluvad nad ühtlasi diferentsvõimendite hulka.
Võimsusvõimendile eelneb tavaliselt signaalipinget võimendav eelvõimendi. Sellele järgneva võimsusvõimendi ülesandeks on reeglina mitte enam signaalipinge võimendamine, vaid koormusele maksimaalse võimsuse ülekandmine, mis tähendab et koormusel peab signaalipinge ja signaalivoolu korrutis olema nõutava väärtusega.
Mittelineaarsete võimendite hulka kuuluvad mõningaid matemaatilisi operatsioone teostavad operatsioonvõimendid, nagu näiteks logaritmiline võimendi, mille väljundpinge ja sisendpinge on omavahel logaritmilises sõltuvuses. Mittelineaarvõimendeid kasutatakse ka kõrgsagedustehnikas, näiteks sageduskordistites ja võimsusvõimendites. Samuti võib mittelineaarseteks võimenditeks lugeda taolisi impulsstehnikas kasutatavaid lülitusi, mille väljundpinge muutub hüppeliselt, kui sisendpinge ületab teatava väärtuse ­ näiteks täisnurkimpulsside formeerimislülitused, komparaatorid ja Schmitti trigerid .
Pikkov lk 61
KU on võimendi pingevõimendustegur. KI on võimendi vooluvõimendustegur. KP on võimendi võimsusvõimendustegur.
Võimendustegurit võib väljendada kas suhtarvudes või detsibellides.
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised 3 Võimendi muid parameetreid: sisendtakistus, väljundtakistus, amplituudi ja faasi sagedustunnusjooned e. karakteristikud , mittelineaarmoonutustegur, siirdetunnusjoon (impulssvõimenditel), signaali ja müra suhe, dünaamikaulatus, kasutegur.
Pikkov lk 61 Võimendis toimub toiteallika energia muundamine väljundsignaali energiaks võimenduselemendi VE takistuse muutmise teel vastavalt sisendsignaali muutustele. Võimendusaste toimib sealjuures sisendsignaaliga tüüritava pingejagurina:
6.2. Võimendusastmed bipolaartransistori baasil Võimendid võivad sõltuvalt võimendi ülesandest olla kas üheastmelised või mitmeastmelised. Tavaliselt moodustab üks võimenduselement (transistor, elektronlamp , operatsioonvõimendi vms) koos vajalike abielementidega (takistid, kondensaatorid , induktiivsused jm) ühe võimendusastme. Erijuhtudel võib ühte võimendusastmesse olla kaasatud rohkem kui üks võimenduselement, näiteks kaks bipolaartransistori, mis üheskoos moodustavad liittransistori.
Transistori kui võimenduselemendi ülesandeks on võimendada tema sisendil olevat signaali ja edastada see võimendatud kujul koormusele, milleks võib olla järgnev võimendusaste või lõppkoormus (tarbija). Transistori ja temal põhinevat võimendusastet võime sealjuures vaadelda neliklemmina, kus üks tema kolmest väljastusest - baas, emitter ja kollektor - on ühine nii sisendsignaali ahelale kui ka väljundsignaali ahelale. Joonisel 6.1 on näitena toodud ühise emitteriga (ÜE-) lülituses transistor kujutatuna neliklemmina.
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised 4 Joonis 6.1. ÜE- lülituses transistor kui neliklemm [2].
Bipolaartransistoril on kolm võimalikku tööreziimi: sulgereziim, aktiiv - e. lineaar - e. võimendusreziim ja küllastusreziim.
Joonis 6.2. Transistori kolm reziimi ja kollektorivoolu sõltuvus baasivoolust [4].
Kui sisendvool e. baasivool IB on võrdne nulliga, on transistor praktiliselt suletud, sest teda läbib ainult väga väike kollektorsiirde algvool IC0 (eestikeelse tähistusega: IK0) ning kollektori ja emitteri vaheline pinge UCE (UKE) võrdub seetõttu praktiliselt toiteallika pingega. Selline reziim (sulgereziim) on joonisel 6.2 kujutatud sisendvoolu-väljundvoolu tunnusjoone vasakpoolseimas osas kuni punktini A. Sulgereziimis on transistori olek lähedane väljalülitatud lülitile - selle erinevusega, et transistori läbiv vool ei ole rangelt võetuna null, vaid on väga väike võrrelduna vooluga transistori avatud olekus.
Suurendades sisendvoolu, hakkab suurenema (algul mittelineaarselt, edasi lineaarselt) ka kollektorivool IC (IK). Transistori tööpunkt tunnusjoonel liigub nüüd aktiivreziimi piirkonnas (vahemik tunnusjoone punktide A ja B vahel), kus kollektorivool sõltub baasivoolu väärtusest lineaarselt.
Tööpunkti jõudmisel punktini B satub transistor küllastusreziimi, kus sisendvoolu edasine suurendamine enam kollektorvoolu suurenemist ei põhjusta. Küllastusreziimis on transistor lähedane sisselülitatud lülitile (suletud kontaktidega lülitile). Transistori läbiv vool on määratud transistori kollektori- ja emitteriahelas olevate takistuste koguväärtusega, kuna transistori enda sisetakistus on väga väike. Küllastusreziimis jääb kollektori ja emitteri vahele väike pingelang, mille väärtus sõltub transistori tüübist (mitte teda läbivast voolust ) ja mis jääb vahemikku 0,1...1V.
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised 5 Bipolaartransistori on seega võimalik kasutada lülitina, kuigi ta mõnevõrra erineb ideaalsest lülitist. Seejuures on tal ka rida eeliseid: kiire rakendumine ning kuluvate ja sädelevate kontaktide puudumine. Lülititalitluse korral töötab transistor vaheldumisi kõigis kolmes piirkonnas (sulge-, aktiiv- ja küllastuspiirkonnas), kusjuures tööpunkt püsib kestvamalt sulge- või küllastuspiirkonnas ja ainult üleminekul ühest piirkonnast teise läbib aktiivpiirkonna. Sulge- ja küllastusreziimidest vastab esimene avatud lülitile ja teine suletud lülitile.
Nõrga signaali võimendamisel asub transistori tööpunkt tunnusjoone lineaarses osas, s.o. võimendus- e. aktiivpiirkonnas. Sellele vastvat lineaar- ehk aktiivreziimi nimetatakse ka võimendusreziimiks ehk täpsemalt A-klassi võimendusreziimiks. Selles reziimis on väljundvool ja -pinge praktiliselt lineaarses sõltuvuses sisendvoolust ja - pingest (tunnusjoone vahemik punktist A punktini B), mis võimaldab seda reziimi kasutada võimendites, kus on nõutav sisend - ja väljundsignaali vaheline lineaarne sõltuvus.
Tugeva signaali võimendamisel (võimsusvõimendite tööreziimid AB, B ja C) asub transistori tööpunkt vaheldumisi võimendus- ja sulgepiirkonnas. Võimendusreziime A...C käsitletakse lähemalt 7. teema all (teema "Võimsusvõimendi").
6.2.1 ÜE-lülituses transistor ÜE-lülituses e. ühise emitteriga lülituses annab transistor mõõdukat nii pinge- kui vooluvõimendust ning tagab suurima võimaliku võimsusevõimenduse. Lülituse sisend- ja väljundtakistused on teiste lülitusviisidega võrreldes keskmise suurusega, mis võimaldab ÜE-lülituses astmeid mitmeastmelises võimendis eriliste probleemideta üksteise järele ühendada. Lülitus pöörab võimendatava signaali faasi 180° võrra.
Võimendatavat signaali vaatleme väikese signaali reziimis, mille puhul transistor toimib ligikaudu lineaarse elemendina. Väikese signaali reziim tähendab seda, et signaalipingete ja ­voolude muutused sisendil ja väljundil (DUBE, DIB, DUKE , DIK) on sedavõrd väikesed, et nad toimuvad transistori sisend- ja väljundtunnusjoonte sedavõrd lühikestel lõikudel, mida võib veel lugeda sirgeteks lõikudeks.
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised 6 Pikkov lk 62
Kujutatud on bipolaartransistoril põhinev ühise emitteriga (ÜE-) võimendusaste (joonisel ilma baasi eelpingestamiseks vajalike takistiteta).
Pikkov lk 62 (järg)
Transistori väljastuste (baas, emitter ja kollektor) alalispinged ja ­ voolud määravad transistori tööpunkti ja tööreziimi.
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised 7 Pikkov lk 63
Lülituse lähtetöö määratakse lülituse arvutamisel grafoanalüütiliselt, kandes transistori väljundtunnusjoontele staatilise koormussirge, mille kaldenurk sõltub koormustakisti väärtusest ja toitepingest. Seejuures on igale sisendvoolu väärtusele vastav reziim määratud koormussirge ja baasivoolule vastava tunnusjoone lõikepunktiga.
Koormussirge asend teljestikul IC = f(UKE) on määratud kahe punktiga :
- punkt koordinaatidega (UKE = 0; IC = EK / RK) , milles koormussirge lõikub kollektorivoolu IK esitava teljega ning kus kollektorivool IK on määratud ainuüksi toiteallika pinge EK ja kollektoriahela takistuse RK suhtega;
- punkt koordinaatidega (UKE = E; IK = 0), milles koormussirge lõikub kollektori ja emitteri vahelist pinget UKE esitava teljega.
Pikkov lk 63 (järg)
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised 8 Võimendusastme sisendtakistus Rsis ja pingevõimendustegur KU väikese signaali reziimis: Du BE Rsis = DiB
Du KE KU = Du BE Pikkov lk 64
Siin vaadeldakse transistori ÜE-lülituse lihtsat aseskeemi ja tuletatakse valem lülituse pingevõimendusteguri arvutamiseks.
h11E ja h21E on nn hübriidparameetrid (transistori kui neliklemmi parameetrid h- parameetrite süsteemis). Need võetakse transistori spetsifikatsioonist või vajaduse korral mõõdetakse. h11E on transistori sisendtakistus ja h21E tema vooluülekandetegur (tuntud ka kui b » IK / IB).
RK» tähistab koormustakistust vahelduvvoolule; see võrdub kollektortakisti RK ja koormustakistuse Rt paralleelühenduse takistusega (tähistatakse kui RK|| Rt).
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised 9 Tabel 6.1. ÜE-lülituse ligikaudsed arvutusvalemid ja orienteerivad väärtused [3]
Pingevõimendustegur Ku = Uvälj / Usis = h21eRC / h11e kuni 104 Vooluvõimendustegur Ki = Ivälj / Isis = h21e kuni 100 Sisendtakistus Rsis = Usis / Isis = h11e 500...2500 W Väljundtakistus Rvälj = Uvälj / Ivälj = 1 / h22e 20...100 kW Väljundpinge 180° faasinurk sisendpinge suhtes
6.2.2 ÜK-lülituses transistor e. emitterjärgija Emitterjärgijat (emitterjärgurit) e. ühise kollektoriga (ÜK-) lülitust iseloomustavad väike väljundtakistus ja suur sisendtakistus, suur vooluvõimendustegur ja väike pingevõimendustegur (pisut väiksem kui 1) ning hea temperatuuristabiilsus. Teda kasutatakse siis, kui on vaja võimendusastme suurt sisendtakistust (suurusjärgus ligikaudu b korda suurem kui emitteriahela takistus RE) ja/või väikest väljundtakistust. Sisendsignaal antakse transistori baasile ja väljundsignaal võetakse emitterilt. Transistori kollektor peab võimendatava signaali suhtes olema maandatud (vahelduvsignaali jaoks teostub see läbi toiteallika ja viimast sildava kondensaatori, mida joonisel pole näidatud). Väljundsignaal on sisendsignaaliga samas faasis.
Pikkov lk 65
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised 10 Tabel 6.2. ÜK-lülituse ligikaudsed arvutusvalemid ja orienteerivad väärtused [3]
Pingevõimendustegur Ku = Uvälj / Usis = h21eRE / 0,95...0,99 (h11e+h21eRE) Vooluvõimendustegur Ki = Ivälj / Isis = h21e kuni 100 Sisendtakistus Rsis = Usis / Isis = h11e+h21eRE 3...100 kW Väljundtakistus Rvälj = Uvälj / Ivälj = (h11e+Rg)/ h21e 30...1000 W Väljundpinge faasinurk 0° sisendpinge suhtes
Pikkov lk 66
R1 ja R2 määravad transistori baasi eelpinge ning selle kaudu emitteripinge, baasi-, emitteri- ja kollektorivoolud e. kokkuvõttes transistori tööreziimi. Samal ajal on need takistid rööbiti transistori sisendtakistusega, viimast vähendades. Võimendusaste on signaaliallika ja koormusega sidestatud sidestus- kondensaatorite kaudu.
Elektroonika alused. Teema 3 ­ Pooljuhtseadised 11 6.2.3 ÜB-lülituses transistor ÜB- (ühise baasiga) lülitust iseloomustavad madal sisendtakistus ja suur väljundtakistus, väike vooluvõimendus (