Тақырып: Күшейткіштер

Қарастырылатын сұрақтар:

1. Биполяр транзисторлы күшейткіштер.

2. Эмиттері ортақ күшейткіш каскады.

Дәрістің қысқаша жазбасы:

Әр түрлі технологиялық қондырғыларда өнеркәсіптік электрониканың элементтік құраушы бөлігі болып табылатын күшейіткіштер кеңінен қолданылады. Күшейткіштер деп кірмесіне әлсіз электрлік сигнал беру арқылы шықпасында оның өзгеру зандылығын қайталайтын және одан әлдеқайда қуатты сигнал алуға болатын құрылғыларды айтады. Күшейтетін параметріне қарай күшейткіштер кернеулік, токтық және қуаттық болып бөлінеді. Өте әлсіз сигналдарды күшейту үшін бірнеше күшейткіштік сатыдан тұратын күшейткіштер қолданылады. Бір сатылы күшейткіш күшейткіштік каскад деп аталынады. Қазіргі кернеулік күшейткіштер кернеуі 10^-7 В әлсіз сигналдарды күшейтуге мүмкіндік береді.

Күшейткіштердің негізгі параметрлеріне токты, кернеуді және қуатты күшейту коэффициенттері мен кірмелік және шықпалық кедергілері, ал негізгі сипаттамаларына күшейту коэффициенттерінің амплитудадан және жиіліктен тәуелділіктері жатады.

Транзисторлардың үш түрлі жалғану сұлбасына сәйкесті биполяр транзисторлы күшейткіштердің де үш түрлі сұлбасы болады. Транзистордың эмиттері ортақ жалғану сұлбасының жиі қолданылатындығы және оның басқа жалғану сұлбаларына қарағанда артықшылықтары айтылғанды. Енді осы сұлбаға құрылған эмиттері ортақ каскадтың жұмысын қарастыралық.

9.1-суретте эмиттері ортақ күшейткіш каскадтың қарапайым сұлбасы келтірілген. Мұндағы R_крезисторы коллектор тізбегінің жүгі де, ал R_брезисторы транзистордың базасына қорек көзінен кернеу беріп, кірмелік сигнал жоқ кезде де оны ашық күйде ұстау үшін керек. Конденсатор С₁қорек көзінен сигнал кезіне тұрақты токты өткізбейді және транзистордың кірмелік сигнал көзімен қысқа тұйықтаудан сақтайды. Жүктеменің (R_ж)бір ұшы С₂конденсаторы арқылы коллектормен жалғанады да, ал екінші ұшы кірмелік және шықпалық тізбектердің ортақ нүктесімен қосылады. С₂конденсаторы жүктеме тізбегіне коллектор тогының айнымалы құраушысын ғана өткізу үшін керек.

9.1-сурет. Эмиттері ортақ күшейткіштік каскадтың сұлбасы.

Кірмелік сигнал жоқ кезде коллектор тізбегімен І_к0 тогы журеді. Бұл токтың шамасы қорек көзінің ЭҚК-не, R_к резисторының кедергісіне және базаның тогына (І_б0) байланысты анықталады. Қорек көзі Е_к, резистор R_к және коллектор-эмиттер өнбойында Кирхгофтың екінші заңы бойынша

,

мұндағы U_к0 — коллектор мен эмиттердің арасындағы кернеу.

Кірмелік сигнал жоқ кездегі күшейткіш каскадтың жұмыс әлпі тыныш әлпі деп аталады. Каскадтың тыныш әлпіндегі электрлік күйінің тендеуі (Е_к,0) және (0,Е_к/R_к) нүктелері арқылы өтетін түзудің теңдеуі болып табылады. Бұл түзуді тұрақты ток бойынша жұргізілген жүктемелік түзу деп атайды.

Транзистордың шықпалық сипаттамасы мен жүктемелік түзуді бір координаттар жүйесінде тұрғызып (9.2-сурет), базалық токтың әр түрлі мәндеріне сәйкесті коллекторлық кернеу мен коллекторлық токтың мәндерін табуға болады. Транзистордың тыныш әлпіндегі базалық токты, яғни

мәні (0 нүктесі) шықпалық сипаттамалар жиынтығының және сипаттаманың қанығу үрдісіне сәйкесті бөлігінің ортасында жататындай етіп таңдап алады. Бұл нүктені тыныштық нүктесі деп атайды.

Егер күшейткіш каскадтың кірмесіне (база-эмиттер) синусоидал кернеу (U_кр) берсе (9.2, а-сурет), онда база мен эмиттердің арасындағы кернеу берілген синусоидал кернеу мен тыныш әлпіндегі базаның тұрақты кернеуінің алгебралық қосындысына тең болады:

U_б = u_кр+U_б0

Осы кернеу тудыратын базаның тогы да оның синусоидал құраушысы мен тыныш әлпіндегі тогының алгебралық қосындысына тең болады, яғни

І_б = і_б +І_б0.

9.2-сурет. Күшейткіштік каскадтың жұмыс істеу тәртібін түсіндіретін графиктер.

Бұл токтың транзистордың кірмелік сипаттамасын пайдалана отырып тұрғызылған графигі 9.2, б-суретте келтірілген. Базаның тогы синусоидал зандылықпен өзгеріп, коллектордың тогының да синусоидалы өзгерісін туғызады. Ал коллектордың тогының синусоидалы өзгеруі салдарынан коллектордың кернеуі де синусоидалы өзгеріп отырады. Коллектордың кернеуінің, яғни шықпалық кернеудің графигін тұрғызу үшін коллектордың тогының базаның тогынан тәуелділік графигін тұрғызу керек. Бұл тәуелділік, яғни І_к=f(І_б) ауыспалық сипаттама деп аталады (9.2, в-сурет). Осы ауыспалық сипаттама мен шықпалық сипаттамадағы жүктеме сызығын пайдалана отырып (9.2, г-сурет), коллектордың кернеуінің графигі алынады (9.2, д-сурет). Коллектордың тогы өскен сайын R_крезисторында кернеудің түсуі артады да, коллектордың кернеуі кемиді және керісінше. Сондықтан кірмелік кернеудің оң мәнінде коллектордың кернеуі теріс мән қабылдайды, яғни кірмелік кернеу мен шықпалық кернеудің фазалары қарама-қарсы болады. Мұндай каскадты фаза төңкергіш каскад деп атайды. Графиктен көрініп тұрғандай, коллектордың кернеуі де синусоидал болады. Ал сандық шамасы жағынан синусоидал құраушысына тыныш әлпіндегі кернеуі қосылатындықтан кірмелік кернеуге қарағанда әлдеқайда үлкен болады. Каскадтың осы әлпінде коллекторлық кернеу U_к=E_к-I_к0R_к-i_кR_к.

Сонымен, күшейткіш каскадтың кірмесіне кішкене кернеу беріп, оның шықпасында қорек көзі тудыратын және берілген кернеудің заңдылығымен өзгеріп отыратын одан әлдеқайда үлкен кернеу алуға болады.

Жоғарыда жартылай өткізгішті нәрселердің параметрлерінің температураға өте сезімталдығы айтылған болатын. Егер температура жоғарыласа базаның тогы өседі де, ал базаның тогының өсуі коллектордың тогының өсуін тудырады. Сондықтан тыныштық нүктесі жүктемелік түзудің бойымен жоғары көтеріледі де (9.2, г-сурет) шықпалық кернеудің теріс мәнді жарты толқынының пішіні бұзылады, яғни шықпалық кернеудің пішіні күшейткішке берілген кернеудің пішінін қайталамайды. Егер температура төмендесе, онда база мен коллектордың тогы азаяды да тыныштық нүктесі жүктемелік түзудің бойымен төмен қарай ығысады. Бұл шықпалық кернеудің оң мәнді жарты толкынының пішінінің бұзылуына әкеліп соғады. Ендеше температура өзгергенмен тыныштық нүктесі өз орнын сақтайтындай, яғни күшейткіш каскадтың тыныш әлпін тұрақтандыратын шаралар қолдану керек. Ол үшін әдетте эмиттерге бірізді етіп резистор (R_э) жалғанады. Егер коллектордың тогы көбейсе, онда R_э резисторында кернеудің түсуі де көбейеді. Бұл эмиттердің потенциалы ортақ нүктенің потенциалына қарағанда жоғарылады деген сөз. Ал осы ортақ нүктеге қарағанда базаның потенциалы R₂ резисторындағы кернеудің түсуімен анықталатын тұрақты шама болғандықтан, R_э резисторындағы кернеудің түсуі база мен эмиттердің арасындағы кернеуді (U_б)азайтады. Базаның кернеуінің азаюы оның тогын азайтады, ал базаның тогы азайса, онда коллектордың тогының да азаятыны белгілі. Ендеше тыныштық нүктесі жүктемелік түзудің бойымен өзінің бұрынғы орнына (төмен қарай) ығысады.

Базаның потенциалына эмиттердің тогының синусоидал құраушысының әсерін болдырмау үшін R_э резисторына параллель С_э конденсаторын жалғайды. С_э конденсаторының сыйымдылығы R_э резисторының тогында синусоидал құраушы ток жоқ деп есептейтіндей үлкен болуы керек, яғни С_э конденсаторының кедергісі R_э резисторының кедергісінен әлдеқайда аз болуы керек.

Эмиттері ортақ күшейткіш каскадтың кернеуді, токты және қуатты күшейту коэффициенттерін төмендегі өрнектерден жуықтап табуға болады:

Жоғарыда эмиттер тізбегінің кернеуі арқылы, яғни шықпалық кернеудің өзгеруі арқылы базаның кернеуіне әсер етіп, яғни кірмелік кернеуге әсер етіп тыныштық нүктесі тұрақтандырылды. Бұлайша күшейткіштің шықпалық параметрлерінен кірмелік параметрлеріне сигнал беру кері байланыс деп аталады. Кері байланыс тізбегі арқылы кірмеге берілген сигнал кірмелік сигналмен не қосылып оны күшейтеді де, не одан шегеріліп оны әлсіретеді (азайтады). Егер кері байланыс кірмелік сигналды азайтатын болса, онда ол теріс кері байланыс деп аталады. Қарастырылып отырған сұлбадағы кері байланыс теріс кері байланыс болып табылады, өйткені ол базаның кернеуін азайтқан болатын. Кері байланыс кірмелік кернеуді әлсіреткенмен шықпалық кернеуді тұрақтандырады және ол кірмелік кернеудің пішінің сақтайтын болады. Егер кері байланыс кірмелік кернеуді күшейтетін болса, онда ол оң кері байланыс деп аталады. Оң кері байланыс тыныштық нүктесінің ығысуына, ал оның салдарынан шықпалық кернеудің пішінінің бұзылуына әкеліп соғады. Сондықтан күшейткіштік каскадтарда негізінен теріс кері байланыс қана қолданылады.

Бақылау сұрақтары:

1. Күшейткіш дегеніміз не?

2. Күшейткіштердің негізгі параметрлері қалай анықталады?

3. Кері байланыс дегеніміз не?

4. Күшейткіш каскадтың тыныш әлпі деген не?

5. Температуралық тұрақтандыруды қалай жасайды?