IGBT (БТИЗ) транзисторы.

Это полностью управляемый п/п прибор, в основу которого положена трехслойная структура. Включение и выключение осуществляется подачей и снятием положительного напряжения между затвором и истоком (U_GE), соединенным с эмиттером.

Для БТИЗ с номинальным напряжением 600 – 1200 В и более прямое падение напряжения в полностью включенном состоянии также, как и для БПТ, находятся в диапазоне 1, 5 ÷ 3,5 В = U_{КЭнасыщ}. Это значительно меньше, чем U_{си min} у полевых транзисторов на этих же напряжениях. С другой стороны КМОП (MOSFET) с номинальными напряжениями 200 В и менее, имеют более низкое падение напряжения во включенном состоянии, чем БТИЗ, и остаются непревзойденными в области низких напряжений. По быстродействию БТИЗ уступают КМОП, но значительно превосходят БПТ. Время фронта и среза 0,2 ÷ 1,5 vrc/

Область безопасной работы (ОБР) гораздо шире, чем у БПТ по схеме Дарлингтона. Разработаны на 4500 В модули и 1800 А.

Интеллектуальные модули включают в себя схему управления.

Основные параметры и характеристики электронных усилителей. Общие сведения. Основные свойства, классификация и структура усилителя. Амплитудно-частотная, амплитудная и фазовая характеристики. Их основные параметры. Шумы усилителя (тепловой, дробовой, фликкер-шум). Шумы тока и напряжения. Критерии применения ПТ и БПТ исходя из требований минимизации шумов при различных сопротивлениях источника сигнала. Синфазные и противофазные помехи. Способы их уменьшения и экранирования.

Усилители - устройства, предназначенные для увеличения параметров электрического сигнала (напряжения, тока, мощности).

Усилитель имеет входную цепь, к которой подводится усиливаемый сигнал, и выходную цепь, с которой выходной сигнал снимается и подается в нагрузку.

УПТ – усилитель постоянного тока

УЗЧ – усилитель звуковых частот

УНЧ – усилитель низких частот

УВЧ – усилитель высоких частот

ШПУ – широкополосные усилители

УПУ - узкополосные усилители

Δf = f_в-f_н - полоса пропускания или полоса усиливаемых частот.

Основные параметры:

Амплитудно-частотная характеристика отражает зависимость модуля коэффициента усиления , определяемого для синусоидального входного сигнала от частоты. Однако очень редко один усилительный каскад обеспечивает требуемый коэффициент усиления. Поэтому применяют много каскадные усилители с конденсаторной связью между каскадами, общий коэффициент усиления которых определяется как произведение коэффициентов усиления всех каскадов

.

.

Каскады рассчитываются последовательно от оконечного к первому. Оконечный каскад обеспечивает получение требуемой мощности сигнала на нагрузке . По коэффициенту усиления оконечного каскада определяют параметры его входного сигнала, являющиеся исходными для расчета предоконечного каскада и.т.д. Наличие в схеме усилителя конденсаторов и зависимость параметров усилителя от частоты приводит к тому, что при изменении частоты входного сигнала напряжение на выходе усилителя изменяется не только по амплитуде, но и по фазе.

Поэтому второй характеристикой усилителей является фазо-частотная характеристика (ФЧХ), определяющая зависимость угла фазового сдвига от частоты.

Усилительный каскад задерживает сигнал на какое-то время. Каждые гармонические составляющие задерживаются на разное время.

Амплитудная характеристика усилителя (реальная):

По амплитудной характеристике можно выделить следующие основные параметры усилителя:

1. Коэффициент усиления по току ;

2. Коэффициент усиления по напряжению

3. Коэффициент усиления по мощности ;

4. Чувствительность усилителя— минимальное значение входного сигнала, при котором полезный сигнал на выходе уже различим на уровне помех (при отношении сигнал - шум)

5. Динамический диапазон - отношение амплитуды максимально допустимого выходного напряжения к минимально допустимому, при которых не возникает искажение .

1) Тепловой шум (Джонсона).

Любой резистор генерирует на своих концах шум напряжений. У него горизонтальный частотный спектр (одинаковая мощность шума на всех частотах). Шум с горизонтальным спектром называется «белым шумом».

, где k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура в кельвинах; R – сопротивление; В - полоса частот, Гц.

Например, резистор с R=10 кОм, при комнатной температуре в полосе пропускания В=10 кГц имеет среднеквадратичное напряжение шума в разомкнутой цепи порядк U_ш = 1,3 мкВ. Для уменьшения теплового шума можно уменьшить температуру резистора.

2) Дробовой шум.

Электрический ток представляет собой движение дискретных зарядов, а не плавное непрерывное течение. Конечность заряда приводит к статистическим флуктуациям тока, определяемым по формуле:

, где

q- заряд электрона, ;

I _n.т – постоянный ток, проходящий через резистор;

B – ширина полосы частот измерения.

Значение этого шума (в % - м отношении) тем меньше, чем выше ток.

3) Шум 1/f (фликкер - шум).

Дробовой и тепловой шумы – это неуменьшаемые в данных условиях виды шума, происходящие вследствие действия физических законов. Самый дорогой резистор имеет тот же тепловой шум, что и дешевый углеродный резистор с таким же сопротивлением.

Реальные источники имеют различные источники шумов: флуктуации сопротивления, порождающие дополнительные напряжения шума, пропорциональные протекающему току. Этот шум зависит от конструкции резистора, резистивного материала и, в особенности, от концевых соединений. Шум имеет спектр 1/f (постоянная мощность на декаду частоты), иногда его называют «розовый шум».

4) Шум тока базы транзистора и шум катодного тока в электронных лампах.

Биполярные транзисторные усилители могут обеспечить очень хорошие шумовые параметры в диапазоне от 200 Ом до 1 МОм, при токе коллектора менее 1 мкА.

При больших сопротивлениях источника >100 кОм преобладает шум тока транзистора, поэтому лучшим устройством для усиления сигнала с шумом будет ПТ, хотя у него шум напряжения больше чем у БПТ, но ток затвора и его шум исчезающе малы.

При очень малых сопротивлениях < 50 Ом всегда будет преобладать шум напряжения транзистора и коэффициент шума будет неудовлетворительным. Лучше использовать трансформатор для увеличения уровня и сопротивления источника сигнала.

Для БПТ основное значение имеет шум тока входного, для ПТ – шум напряжения (у них нет входного тока), т.е. при предпочтительно использовать БПТ, при -ПТ, в диапазоне транзистор выбирается по дополнительным характеристикам, при с целью минимизации шумов желательно использовать сигнальные трансформаторы.

С целью уменьшения шумов используется параллельное соединение БПТ. Шумы при этом уменьшаются в раз, где количество параллельно соединенных БПТ.

С целью устранения помех по цепям питания используются помехоподавляющие фильтры, проникающих из атмосферы – различные виды экранирования.

С помощью замкнутых объемов со стенками из материала с высокой проводимостью, мы можем практически полностью экранировать приемник от электростатических помех.

Магнитную составляющую помехи исключить невозможно. Ее можно только уменьшить путем экранирования с использованием материала с высокой магнитной проводимостью (например, пермаллой).

Очень важную роль играет заземление.

Помехи бывают продольные и поперечные.

Подавление продольных помех очень эффективно осуществляется продольным трансформатором – режекторным дросселем.

Здесь по отношению к полезному дифференциальному сигналу трансформатор не является индуктивным сопротивлением благодаря встречному включению обмоток, а продольным синфазным помехам он оказывает индуктивное сопротивление.

Схема полезна для подавления ВЧ помех, когда в качестве сердечника используется небольшое ферритное кольцо, в которое один или несколько раз продевается витая пара сигнальных проводов.

Помехи, порождаемые магнитными полями, пропорциональны площади пересекаемого переменным магнитным потоком контура и зависит от ориентации этого контура по отношению к источнику наводки.

ЭДС, наводимая полем будет создавать поперечную наводку, поэтому дифференциальный вход не помогает.

В схемах 1 – 6 цепи заземлены с двух сторон, возвратные токи источника сигнала проходят через шину земли полностью или частично, поэтому площадь контура велика.

В схемах 7 – 11 проводник возвратного тока расположен близко к сигнальному, поэтому подавление выше.

В схемах 1 – 2 магнитного экранирования нет, т.к. контур не изменился по сравнению с простым проводником. Такое заземление обеспечивает экранирование от электрического поля.

Заземление обоих концов дает малый эффект.

Усилительные каскады на ПТ и БПТ. Статистический режим работы усилительного каскада, выбор рабочей точки, схемы задания напряжения смещения БПТ. Расчет по постоянному и переменному току каскадов с ОЭ и ОК. Сравнительный анализ каскадов ОЭ, ОК, ОБ. Каскад с ОЭ как преобразователь напряжение-ток, фазоинверсный каскад. Усилительные каскады на ПТ, схемы задания напряжения смещения, особенности их работы и включения. Динамическая нагрузка, источник тока, токовые зеркала и отражатели тока на ПТ и БПТ. Ослабление влияния температуры и эффекта Эрли. Токовое зеркало Уилсона, выходное сопротивление источника тока. Области применения

Каскад усиления переменного тока по схеме ОЭ построен на биполярном транзисторе n-p-n. Расчет каскада сводится к выбору точки покоя на статической линии нагрузки, определению величин R_к и R_Б по заданным параметрам нагрузки, например, U_{m вых} и R_н, и напряжению источника питания E_к.

Выбранная точка покоя должна обеспечить требуемую величину тока в нагрузке, напряжения на нагрузке без нелинейных искажений и удовлетворять предельным параметрам транзистора. Поэтому ток покоя:

Iкп³Imн=Um вых/Rн

Напряжение покоя обычно выбирается Uкэп=Eк/2, чтобы обеспечить максимальное выходное напряжение без искажений.

Уравнение статической линии нагрузки

I_к=

Линию нагрузки можно построить в координатах Iк, Uкэ по двум точкам. Одна из них - точка покоя П, координаты которой определены. Вторая может быть получена согласно уравнению - если принять Iк=0, то Uкэ=Eк. Построение статической линии нагрузки показано на рисунке справа (линия ав).

Чтобы обеспечить заданный режим покоя, надо рассчитать величины Rк и RБ:

;

При работе каскада в режиме холостого хода и рабочая точка перемещается по статической линии нагрузки в обе стороны от точки покоя. Амплитуда переменной составляющей напряжения коллектор-эмиттер или равного ей выходного напряжения не может быть больше Eк/2.

При работе каскада на нагрузку в коллекторную цепь параллельно Rк включается Rн. Поэтому режим работы каскада меняется. Рабочая точка перемещается по динамической линии нагрузки, уравнение которой

;

Динамическая линия нагрузки должна проходить через точку покоя П (частный случай - Di_кэ=0). Вторую точку можно получить, задавшись приращением Di_к и подсчитав изменение напряжения DU_кэ относительно координат точки покоя. Динамическая линия нагрузки показана на рисунке (c-d). Очевидно, что угол между осью Uкэ и динамической линией нагрузки тем больше, чем меньше R_н (при Rн=0 он составит 90°). В связи с этим предельная амплитуда выходного напряжения U_{вых пр} с уменьшением Rн становится меньше Eк/2. Это может вызвать появление нелинейных искажений. Если заданное значение U_{m вых}, больше, чем U_{вых пр}, чтобы избежать нелинейных искажений, надо сместить точку покоя. Увеличивают I_кп и анализ повторяют.

Динамические параметры каскада:

;

;

.

Расчёт каскада с общим эмиттером по постоянному и переменному току.

Расчёт может осуществляться либо слева направо, либо справа налево. Слева направо.

Дано: R_g = 1кОм

U = 20В

h₂₁ = 100

k_U = 20

f_н = 200

δ_н = 6дБ

Найти: R1, R2, R_к, R_э1, R_э2, R_н,C1,2, C3.

По постоянному току:

1.

Шина питания по постоянному току эквипотенциальна земле (через Сф)

2. R_вх = R_э1h₂₁ = 10R_д = 100k => R_э1 = 1кОм

3. R_э/R_к = 0,1 – 0,3 => R_к = 5.1кОм

4. R_H=l0R_вых = 51кОм

(R_вых = R_кб||R_к)

5. U_к = U_п/2=>I_к = U_п/2·1/R_к = 2мА

6. U_э = I_эR_э1 = 2В

7. U_б =U_э+ 0,6 = 2,6В

8. R1/R2 = 17,4/2,6 = 6,7

9. => R2 = 77/6.7 = 11кОм = 12кОм

R1 = 75кОм = 82кОм
10. r_э0 = φ_Т/I_к = 25/2 = 12,5Ом

По переменному току:

11. k_U = R_к/(R_э+r_э0) => R_э+r_э0 = 255Ом => R_э = 242,5Ом

R_э1·R_э2/(R_э1+ R_э2) = 242,5Ом

R_э1 = 1кОм => R_э2 = 330Ом

12. δ_э = 0,5 δ = 3дБ

При понижении частоты, ёмкостное сопротивление Сэ возрастает, увеличивается эквивалентное сопротивление в эмиттерной цепи и уменьшается коэффициент усиления.

Z/R = √2 => R = X_c = R_э2+r_э0 = 342,5Ом

13.δ1 = δ2 = 1,5дБ

14.

=>X_C = 6,44кОм

C1 = 120нФ

15. δ1 = δ2 = 1,5дБ

R_н/R_д = 5 => X_C2/X_C1 = 5 => C1/C2 = 5 =>C2 =33нФ