4.2 Усилители синусоидальных сигналов

Наиболее распространенная схема пред­варительного каскада усиления на транзисторе с ОЭ показана на рис. 46. Входной сигнал поступает от источника напряжения U_вх, имеющего внутреннее сопротивление R_i (или от такого же каска­да усиления).

Разделительные конденсаторы С1 и С2 служат для независи­мого создания режимов по постоянному току в последовательно включенных каскадах усилителя и связи их между собой по переменному току усиливаемого сигнала.

Резисторы R1 и R2 являются базовым делителем, обеспечивающим постоянное напряжение на эмиттерном переходе U_бэ0.

Р езистор R_к обеспечивает режим по постоянному току в коллекторной цепи транзистора VT, а резистор R_э - для эмиттерной стабилизации рабочей точки в диапазоне температур. При повышении температуры напряжения U_бэ0 увеличи­вается, так как из-за роста тока I_кб0 увеличивается напряжение U_бэ (U_R2). Одновременно растет напряжение на резисторе R_э. Напряжение U_бэ0 = U_б – U_Rэ. При увеличении U_R2 происходит почти такое же увеличение U_Rэ, в результате чего напряжение U_бэ0 изменяется незначительно.

Рисунок 46 – Схема каскада усиления на биполярном транзисторе

Сопротивление конденсатора С_э служит для шунтиро­вания резистора R_э по переменному току на нижней частоте f_н усиливаемого диапазона.

Резистор R_ф и конденсатор С_ф являются элементами фильтра. Одновременно резистор R_ф служит для коллекторной стабилиза­ции рабочей точки. Конденсатор С_ф образует цепь низкого сопро­тивления для переменной составляющей тока, потребляемого каскадом от источника Е_к. Это необходимо для того, чтобы в общих для нескольких каскадов усилителя цепях источника Е_к не было переменного тока, способного вызвать паразитные связи между ними по цепям питания.

П ри подаче входного сигнала U_вх во входной цепи появляется ток I_б~, а в выходной I_к~. Переменная составляющая коллекторного тока I_к~= I_б~ h_21э состоит из двух токов - бесполезного I_Rк и полезного I_н. Падение напряжения, создавае­мое током I_к~ на параллельно включенных резисторах R_к и R_н, и будет усиленным выходным сигналом. Ток I_к~ (I_кm) распределяется обратно пропорционально сопротивлениям R_к и R_н, поэтому ток в нагрузке

I_нm= I_бm∙h_21э∙R_к/( R_к+ R_н)

Рисунок 47 – Временные диаграммы токов и напряжений в каскаде с ОЭ

Из временных диаграмм напряжений и токов (см. рис. 45, а, б) следует, что переменные составляющие напряжений на входе U_б~ и выходе U_к~ = U_вых каскада противофазны, т.е. каскад усиления на транзисторе с ОЭ изменяет (инвертирует) фазу входного сигнала на противоположную (рис. 47).

Кроме усилительных каскадов построенных по схеме с общим эмиттером применяются усилительные каскады с общими базой и коллектором.

Каскад усиления на полевом транзисторе

Полевые транзисторы широко применяют в предварительных каскадах усиления, особенно, когда необ­ходимо высокое входное сопротивление.

Рассмотрим каскад усиления на полевом транзисторе с изо­лированным затвором и встроенным каналом n-типа (рис. 48, а). Рабочую точку каскада выбирают на семействе выходных харак­теристик (рис. 48, б) аналогично рабочей точке каскада на бипо­лярном транзисторе. Разрешенная область выходных характе­ристик также ограничивается линиями максимально допустимых постоянного тока стока I_{c max}, напряжения сток - исток U_{cи max} и постоянной рассеиваемой мощности Р_max.

В режиме покоя рабочую точку выбирают как при отрицательном напряжении на затворе U_{зи р.т}<0 (в этом случае транзистор работает в режиме обедне­ния), так и при положительном U_{зи р.т} >0 (в этом случае тран­зистор работает в режиме обогащения).

При работе усилительного каскада входной сигнал U_вх, посту­пая на затвор транзистора VT через разделительный конденса­тор С1, создает токи I_R1 и I_R2 в резисторах R1 и R2 делителя. При этом в цепи затвора тока нет, так как он отделен от кана­ла слоем диэлектрика. Переменное напряжение управляет сече­нием канала и, следовательно, его сопротивлением. В результате в токе стока появляется переменная составляющая I_с~, часть которой I_Rc~ проходит через стоковый резистор R_с, а остальная - через резистор нагрузки R_н и является током на­грузки I_н. При прохождении тока I_с~ через параллельно вклю­ченные резисторы R_с и R_н на них образуется выходной усиленный сигнал.

Рисунок 48 – Схема каскада усиления на полевом транзисторе (а),

графическое представление его работы (б)

Достоинством каскада усиления на полевом транзисторе по сравнению с каскадом на биполярном транзисторе является значительно более высокое входное сопротивление. Сопротивле­ние резистора R2 обычно составляет 0,5 - 2 МОм, что на поря­док больше максимально возможного сопротивления резистора R2 каскада на биполярном транзисторе. Кроме того, параметры полевых транзисторов, в отличие от биполярных, меньше зависят от температуры окружающей среды. Поэтому в каскаде на полевом транзисторе положение рабочей точки зна­чительно стабильнее, полевые транзисторы сохраняют работоспособность при температуре, близкой к абсолютному нулю, тогда как биполярные при такой температуре не работают.

Обратные связи в усилителях

Обратная связь (ОС) - это передача части выходного сигнала во входную цепь усилителя.

При введении обратной связи на входе усилителя действуют одновременно два сигнала: входной и сигнал обратной связи. Если эти сигналы совпадают по фазе, ОС называют положительной - ПОС, если противофазны – отрицательной - ООС.

В зависимости от способа получения различают ОС по току и по напряжению. По способу подачи сигнала ОС на вход усилителя различают последовательную и параллельную ОС.

На схеме усилителя на рисунке 49 резистор R_св осуществляет параллельную ООС по напряжению, резистор R_э - последовательную ООС по току.

ООС уменьшает коэффициент усиления, но при этом расширяет АЧХ, уменьшает нелинейные искажения и увеличивает стабильность усилителя.

ПОС наоборот увеличивает коэффициент усиления, но сужает АЧХ, повышает нелинейные искажения. При некотором уровне положительной обратной связи усилитель вообще не имеет устойчивого состояния и превращается в генератор электрических колебаний. Поэтому ПОС в усилителях почти не используется. При введении в цепь ОС реактивных элементов ОС становится частотнозависимой.

Рисунок 49 – Схема усилителя с элементами ООС

Коэффициенты усиления усилителя без обратной связи (К) и с обратной связью (К_ос) определяются соответственно:

K = U_вых / U_вх, К_ОС = U_вых /(U_вх + U_ос)