Многостепенен транзисторен усилвател

Съвременният многостепенен конституционализъм и конституционния контрол (Март 2019).

Anonim

Многостепенен транзисторен усилвател

Дискретни полупроводникови устройства и вериги


Въпрос 1

Не просто седнете там! Изграждане на нещо!

Да се ​​научим да математически анализираме схеми изисква много проучване и практика. Обикновено студентите практикуват, като работят по множество пробни проблеми и проверяват отговорите си срещу тези, предоставени от учебника или инструктора. Докато това е добре, има много по-добър начин.

Ще научите много повече, като всъщност изграждате и анализирате реални вериги, позволявайки тестовото оборудване да осигури "отговори" вместо книга или друго лице. За успешни циркулационни упражнения изпълнете следните стъпки:

  1. Внимателно измервайте и записвайте всички компонентни стойности преди конструирането на електрическата верига, като избирате резисторните стойности, достатъчно високи, за да не повредите активните компоненти.
  2. Начертайте схематичната схема на веригата за анализ.
  3. Внимателно изграждайте тази схема на шкаф или друга удобна среда.
  4. Проверете точността на конструкцията на веригата, следвайки всеки проводник към всяка точка на свързване и проверявайки тези елементи един по един на диаграмата.
  5. Математически анализира веригата, решава за всички стойности на напрежение и ток.
  6. Внимателно измервайте всички напрежения и токове, за да проверите точността на анализа.
  7. Ако има съществени грешки (повече от няколко процента), внимателно проверете конструкцията на схемата си спрямо диаграмата, след това внимателно пресметнете стойностите и преместете отново.

Когато студентите научат първо за полупроводникови устройства и най-вероятно ще ги повредят, като правят неправилни връзки в своите схеми, препоръчвам те да експериментират с големи компоненти с висока мощност (1N4001 коригиращи диоди, транзистори TO-220 или TO-3, и т.н.) и използването на източници на захранване от суха клетъчна батерия, а не на електрозахранване. Това намалява вероятността от повреди на компонентите.

Както обикновено, избягвайте много високи и много ниски стойности на резисторите, за да избегнете грешки при измерването, причинени от "натоварването" на измервателния уред (в горния край) и да избегнете изгарянето на транзистора (на ниския край). Препоръчвам резистори между 1 kΩ и 100 kΩ.

Един от начините, по който можете да спестите време и да намалите вероятността от грешка, е да започнете с много проста схема и постепенно да добавите компоненти, за да увеличите сложността му след всеки анализ, вместо да изградите изцяло нова схема за всеки практически проблем. Друга техника, спестяваща време, е да се използват повторно същите компоненти в различни конфигурации на схеми. По този начин няма да трябва да измервате стойността на даден компонент повече от веднъж.

Открий отговор Открий отговора

Нека самите електрони да ви дадат отговорите на вашите "практически проблеми"!

Забележки:

Това е моят опит, че студентите изискват много практика с анализ на веригата, за да станат уместни. За тази цел инструкторите обикновено осигуряват на своите студенти много практически проблеми, за да работят, и дават отговори на учениците, за да проверят работата си. Докато този подход прави студентите владеещи в теорията на веригата, те не успяват да ги образоват напълно.

Студентите не просто се нуждаят от математическа практика. Те също така се нуждаят от реални, практически практически схеми за изграждане и използване на тестово оборудване. Предлагам следния алтернативен подход: студентите трябва да изградят свои "практически проблеми" с реални компоненти и да се опитат да предскажат математически различните стойности на напрежение и ток. По този начин математическата теория "оживява" и студентите получават практическа професия, която не биха спечелили само чрез решаване на уравнения.

Друга причина да се следва този метод на практикуване е да се научи на учениците научен метод : процес на тестване на хипотеза (в този случай, математически прогнози) чрез извършване на истински експеримент. Студентите също така ще развият реални умения за отстраняване на неизправности, тъй като понякога правят грешки в изграждането на схеми.

Прекарайте няколко секунди във вашия клас, за да прегледате някои от "правилата" за изграждане на вериги преди да започнат. Обсъдете тези въпроси с вашите ученици по същия начин на Socratic, като обикновено бихте обсъждали въпросите на работния лист, а не просто да им казвате какво трябва и не трябва да правят. Никога не преставам да се изненадвам от това, колко зле учениците схващат инструкциите, когато са представени в типичен лекционен формат (инструктор монолог)!

Забележка към тези инструктори, които могат да се оплакват от "губеното" време, изисква студентите да изградят реални вериги, вместо просто да математически анализират теоретичните схеми:

Каква е целта на учениците да вземат вашия курс "панел на работния плот панел панел по подразбиране" itemscope>

Въпрос 2

Защо е обичайно веригата усилвател да използва няколко етапа на транзистори, а не само един транзистор (или два транзистора в една push-pull верига)? Опишете някои от ползите от използването на няколко транзисторни етапа.

Открий отговор Открий отговора

Ще ви позволя да проучите отговорите на този въпрос сами!

Забележки:

Изключително прост въпрос, но полезен за обсъждане.

Въпрос 3

Опишете функцията на всеки компонент в тази двустепенна усилвателна верига:

Също така, бъдете готови да обясните как ще се отрази ефекта от неизправността на един компонент (отворен или късо съединение) върху изходния сигнал.

Открий отговор Открий отговора

R 1 = Q 1 biasing
R2 = Q1 biasing
R 3 = Q 1 натоварване
R 4 = Q 1 стабилност (предотвратява топлинно избягване)
R5 = Q2 biasing
R6 = Q2 biasing
R 7 = Q 2 натоварване
R8 = стабилност Q2 (предотвратява топлинно избягване)
C 1 = Свързване на входния сигнал с Q 1
C 2 = AC байпас за Q 1
C 3 = Свързване между стъпките на усилвателя
C 4 = AC байпас за Q2
C 5 = Свързване на изходния сигнал към товара
Q 1 = усилване в първи етап
Q 2 = Усилване втори етап

Забележки:

Отговорите, дадени в секцията "Отговори", са минимални: достатъчно, за да помогнат на студентите, които може би се борят с концепциите. По време на дискусията бих очаквал повече подробности от тези кратки фрази.

Не забравяйте да оспорите вашите студенти с хипотетични повреди в тази схема. Уверете се, че те разбират функцията на всеки компонент в тази схема, освен запаметяването на фраза!

Въпрос 4

В някои приложения, когато транзисторите трябва да усилят много високи токове, биполярните транзистори са паралелно свързани, така че текущите им оценки да добавят:

Ако обаче транзисторите са директно паралелни, както е показано, могат да възникнат проблеми с надеждността. По-добър начин за "напасване" на множество транзистори заедно е да свържете нискостойностни бластиращи резистори към всеки емитер терминал:

Обяснете каква е целта на тези резистори в паралелна транзисторна мрежа. И какво точно означава "заблагване" означава, все пак "# 4"> Откриване на отговор Скрий отговора

Бластирането е конструктивен термин, който означава да се въведе количество или количества в схема, така че всякакви присъщи разлики между компонентите да станат незначителни в сравнение. В тази верига, бластиращите резистори помагат да се гарантира, че общият контролиран ток е по-равномерно разделен между трите транзистора.

Следващ въпрос: може ли да се сетиш за някакви недостатъци при използването на бластиращи резистори в схеми с висока мощност?

Забележки:

Веднъж имах нещастието да извърша ремонт на компонентно ниво на голям инвертор за захранване (208 волта, трифазен), използващ големи "банки" от директно паралелни биполярни транзистори за крайните превключващи елементи. Тези инвертори имаха лош навик да разрушават транзистори и забелязах, че неизменно ще има само един или два транзистора от около една дузина на всяка железопътна релса, които са били издухани - и имам предвид разпенени, дупки, пробити през метал TO-3 случаи! - докато останалите са съвсем наред. Тези транзисторни банки не са използвали бълващи резистори и така текущото разпределение между тях е доста небалансирано.

В случай, че студентите питат, трябва да им кажете, че блатисти резистори не се използват само в транзисторни банки. Големите диодни банки с токоизправители (където множество диоди са паралелни) също се възползват от задържащи резистори.

Що се отнася до приложения, при които противоположните резистори са непрактични, е възможно да се постигне по-голяма надеждност чрез използване на повече транзистори (или диоди), отколкото е необходимо при равномерно разделяне на тока. С други думи, надстроите веригата.

Въпрос 5

В някои приложения, когато транзисторите трябва да усилят много високи токове, биполярни транзистори са паралелно заедно, така че техните текущи оценки добавят. Когато това стане, добра идея е да използвате задържащи резистори при транзисторните емитерни връзки, за да осигурите равномерно балансиране на токовете:

Все пак, ако използваме MOSFETs вместо BJTs, ние не трябва да използваме бластиращи резистори:

Обяснете защо MOSFETs не изискват swamping резистори, за да помогне равномерно разпространение на ток, докато BJTs.

Открий отговор Открий отговора

Количеството контролно напрежение се променя с температурата за BJT, но не и за MOSFET.

Забележки:

Отговорът, даден тук, е целенасочено неясен. Нека вашите ученици да направят необходимото проучване! Кажете им, че бележките за приложения на производителите са ценни източници на информация за такива въпроси.

Въпрос 6

Първата схема на усилвателя, показана тук, е директно свързана, докато втората е капацитивно свързана .

Кой от тези два проекта ще бъде по-подходящ за използване в DC волтметър верига (усилване на измерено DC напрежение) "# 6"> Открийте отговор Скриване на отговор

Ширината на лентата на усилвателя на директния куплунг се простира до 0 Hz, за разлика от другия усилвател. Това го прави подходящ за усилване на DC сигнала. Капацитивно-сдвоената верига усилвател би била по-подходяща за приложения, при които AC сигналите се разглеждат единствено.

Следващ въпрос: Във всяка от тези усилвателни схеми определете точката, в която фазата на сигнала се измества с 180 o . С други думи, покажете къде се подава сигналът за напрежение и отново се обърнете, така че изходът да е във фаза с входа.

Забележки:

Един добър въпрос, който да попитате вашите ученици, е: "Каква е честотната лента ?" Важно е вашите ученици да разберат основната концепция за "честотната лента" и какви фактори влияят върху нея.

Помолете студентите си да предложат възможни стойности (за микрофарда) за свързващия кондензатор във втората схема, въз основа на общи стойности на резистора (между 1 kΩ и 100 kΩ) и с малък аудио честотен обхват (1 kHz до 20 kHz). Тук не са необходими точни стойности, но е важно те да могат да направят приблизителна оценка на необходимия (минимален) капацитет, ако няма друга причина, освен да покажат разбирането си за предназначението на свързващия кондензатор.

Въпрос 7

Един от проблемите с капацитивно свързани усилвателни вериги е лошата нискочестотна реакция: тъй като честотата на входния сигнал намалява, всички капацитивни реактиви се увеличават, което води до намалено напрежение. Едно решение на този проблем е добавянето на кондензатор в колекторния токов път на началния транзисторен етап:

Обяснете как присъствието на този "компенсиращ" кондензатор помага да се преодолее загубата на печалба, която обикновено се получава в резултат на другите кондензатори във веригата.

Открий отговор Открий отговора

Допълнителната увеличаваща се реактивност на кондензатора при ниски честоти увеличава усилването на първия етап на транзистора чрез увеличаване на импеданса от колектора на първия транзистор към електрозахранващата шина + V.

Забележки:

Тази техника обикновено се използва в схеми за видео усилватели, въпреки че пълната верига за видео усилвател не би била тази сурова (без въртящи се намотки).

Въпрос 8

Този двустепенен транзисторен усилвател е свързан с трансформатор :

Какво преимущество има трансформатор-свързан усилвател имат над вериги, като се използват други методи на съединителя "# 8"> Открийте отговор Скриване на отговор

Трансформаторите позволяват трансформация на импеданса между етапите, както и фазова инверсия (ако е желателно). Въпреки това тяхната паразитна (течове) индуктивност и капацитет между намотките може да предизвика усилвателя да има странни честотни характеристики.

Следващ въпрос: маркирайте полярността на трансформатора, като използвате нотация "точка", за да не постигнете никаква инверсия на сигнала от входа към изхода (както е показано).

Забележки:

Помолете учениците си да обяснят какво е трансформацията на импеданса и защо е важно, особено в усилвателните схеми. Това ще бъде добър преглед както на теорията на трансформатора, така и на теоремата за максимална трансфер на мощност.

Що се отнася до фазовата инверсия, забавно предизвикателство е студентите да уточнят "условната точка", необходима за този трансформатор, за да се получи неинвертиращата характеристика на тази двустепенна усилвателна верига. С други думи, да ги нарисувате точки близо до намотките на трансформатора (с правилната относителна връзка), за да получите фазата, показана от символите синусова вълна в диаграмата.

Въпрос 9

Да предположим, че двама инженери са обсъждали къде да поставят потенциометър в тази аудио усилвателна верига, за да се използва като контрол на силата на звука:

Кой вариант би бил по-добър и защо "# 9"> Открий отговор Открий отговора

Опция # 1 определено е по-добрият избор, тъй като настройката на потенциометъра няма да повлияе на отклонението на Q 2, както при опция # 2.

Забележки:

Целта на този въпрос е да накараме учениците да осъзнаят, че пренасочването на всеки транзисторен етап е важно в многостепенен усилвател. Едно от основните предизвикателства при проектирането на многоетапен усилвател е да се осигури адекватно свързване на сигнала между етапите, без да се създават проблеми при отклонение.

Въпрос 10

Радиочестотните усилватели често използват малки индуктори, наречени въртящи се намотки в схемата на свързване между транзисторните етапи. Опишете целта на тези индуктори.

Открий отговор Открий отговора

Пикови бобини се добавят към усилвателните схеми, за да се противодейства на капацитивната реактивност при високи честоти.

Забележки:

Отговорът, който дадох на този въпрос, е много малък и е достатъчно, за да даде на учениците ви намек. Помолете учениците си да обяснят защо капацитивната съпротивление е проблем във високочестотните транзисторни усилвателни схеми и защо даден индуктор би бил използван за борба с XC. Също така, попитайте дали има някакви недостатъци за вмъкване на въртящи се намотки в усилвателните схеми.

Въпрос 11

Един дизайн на аудио усилвател с плъзгащ издърпване използва два идентични транзистора и трансформатор с централен накрайник за свързване на захранването към товара (обикновено говорител в аудиочестотна система):

За разлика от схемите за усилвател с двойка допълващи двойки, тази схема абсолютно изисква предварително усилвател, наречен фазов сплитер, който се състои от транзистор Q 1 и резистори R3 и R4.

Обяснете какво е целта на веригата "фазов сплитер" и защо е необходимо правилното задвижване на силовите транзистори Q 2 и Q 3 .

Съвет: определяйте фазовите съотношения на сигналите за напрежение в базовия, колекторния и емитерния извод на транзистора Q1 по отношение на земята.

Открий отговор Открий отговора

Веригата "фазов сплитер" произвежда две допълващи изходни напрежения (180 o фазово изместени един от друг), когато е необходимо да задвижат силовите транзистори в противоположни времена в цикъла на звукова вълна.

Последващ въпрос: Типично, колекторите и емитерните резистори на веригата на фазовия сплитер (R 3 и R 4 в този пример) са еднакви. Обясни защо.

Забележки:

Помолете студентите си да анализират качествено вълните на напрежението във всички части на тази схема. Когато Q1 изпълнява текущия панел "панел на работния плот" по подразбиране "itemscope>

Въпрос 12

Проучете тази верига аудио усилвател push-pull:

Отговорете на следните въпроси за тази схема въз основа на вашия анализ на нея:

Как се осъществява разделянето на фазите в тази схема "# 12"> Откриване на отговор Скриване на отговора

Входният трансформатор T 1 осигурява фазово разделяне.
R 1 установява точката Q на двата транзистора.
Ако R 1 не се отвори, и двата транзистора ще преминат в изключителен режим.
Ако проводникът, свързващ основата на транзистора Q2 с входния трансформатор (Т1), трябва да се отвори, тогава половината от изходната форма на вълната ще стане подрязана.

Забележки:

Помолете студентите си да дадат подробни мотиви за отговорите си. Отговорите, дадени на този въпрос, са минимални - работата ви е като инструктор, за да сте сигурни, че учениците мислят по този въпрос, а не просто да повтарят нещо, което са чели или чули от другите.

Въпрос 13

Следващата верига усилвател има проблем. Въпреки наличието на силен входен сигнал (както се удостоверява с измерване на осцилоскоп при TP1), от говорителя няма звук:

Обяснете логически, стъпка по стъпка подход за идентифициране на източника на проблема, като се вземат измервания на напрежението сигнал. Не забравяйте, че колкото по-ефективна е вашата техника за отстраняване на неизправности (толкова по-малко измервания са направени), толкова по-добре!

Открий отговор Открий отговора

Ще ви позволя да се забавлявате да определяте собствените си стратегии тук!

Забележки:

Този въпрос може лесно да заема голяма част от времето ви за дискусии, така че не забравяйте да направите място за него във вашия график!

Чудесен начин да помогнете на студентите да схванат концепциите, включени в тази схема, както и да подобрят техниката за отстраняване на неизправности, е да направите мащабна демонстрационна платка на тази схема, която може да виси на задната страна чрез разединяване на проводници, отваряне или затваряне на ключове, и т.н. След това, учениците трябва да вземат осцилоскоп и да практикуват намирането на проблеми в схемата само чрез измерване на напрежението. Построих подобни демонстрационни табла за моята собствена класна стая и ги намерих изключително полезни при изграждането и оценяването на уменията за отстраняване на проблеми.

Въпрос 14

Обичайна широколентова транзисторна верига усилвател е cascode дизайн, използвайки общи-емитер и общи базови транзисторни етапи:

Какво предимство има усилвателят на cascode над "нормалния" дизайн на усилвател за единичен или многоъгълен усилвател "# 14"> Откриване на отговор Скриване на отговора

Комбинацията от първи етап на обикновен колектор и втора фаза от обща база значително намалява изчерпващите ефекти на междулихвения капацитет в двата транзистора. Повечето усилватели на cascode не изискват неутрализация : един от доказателствата за ефективността на дизайна.

Забележки:

Това е едно от малкото популярни приложения за конфигурацията на транзисторния усилвател на обща база и е решение, което е реализирано с транзистори с полеви ефект, както и биполярни транзистори (и дори електронни тръби преди това!). Помолете студентите си да обяснят как веригата работи, особено като се отбележи нарастването на напрежението на всеки етап и местоположението на взаимосвързаните (Miller-ефект) капацитети във веригата.

Въпрос 15

Да предположим, че е изграден следният тристепенен транзисторен усилвател:

Без изхвърлящи резистори на излъчващи устройства навсякъде в тази схема, увеличаването на напрежението на всеки етап е гарантирано, но е нестабилно. С три етапа, подредени по този начин, един захранващ в следващия, окончателното усилване на напрежението ще бъде много голямо и много нестабилно.

Все пак, ако добавим друг резистор към веригата (R обратна връзка ), нещо много интересно се случва. Изведнъж общото усилване на напрежението на веригата е намалено, но стабилността на тази печалба се подобрява значително:

Интересното е, че напрежението на такава схема ще бъде почти равно на коефициента на двата маркирани резистора, R обратна връзка и R в :

A V R обратна връзка


R in

Това приближение важи за големите вариации в индивидуалното усилване на транзистора (β), както и за температурата и другите фактори, които нормално биха предизвикали поразия в схемата, без да има резистор за обратна връзка на място.

Опишете каква е ролята на резистора за обратна връзка в тази схема и обяснете как добавянето на отрицателна обратна връзка е цялостна полза за ефективността на тази верига. Също така обяснете как можете да кажете, че тази обратна връзка е отрицателна по природа ("дегенеративна").

Открий отговор Открий отговора

Резисторът за обратна връзка осигурява пътека на сигнала за отрицателна обратна връзка, която "омаловажава" неубедителната печалба и нестабилността, иначе присъщи на такава непрекъсната тристепенна транзисторна усилвателна верига.

Можем да кажем, че обратната връзка е отрицателна по природа, защото идва от нечетен брой инвертиращи усилватели (все още има обратна връзка между изхода и входа).

Следващ въпрос: Колко ефект предполагате, че замяната на транзистор с малко по-различен β или r ' e параметър ще засегне всяка верига "отбелязва скритите"> Забележки:

Въпреки че показаната схема е малко прекалено груба, за да бъде практична, тя илюстрира силата на отрицателната обратна връзка като стабилизиращо влияние.

Въпросът за дегенеративния характер на обратната връзка е важен. Обсъдете с учениците си как не може просто да вземете сигнала за обратна връзка от всяка точка на веригата!

  • ← Предишен работен лист

  • Индекс на работни листове

  • Следващ работен лист →