5) Динамический диапазон
Любой
усилитель генерирует некоторый шум.
Если подать входное напряжение величиной
меньше этого шума, входной сигнал
затеряется и не будет заметен на фоне
шума. Поэтому существует некоторое
минимальное напряжение
,
которое можно усилить данным усилителем.
Кроме того, напряжение на выходе усилителя
не может превышать некоторой величины,
после которой начинаются нелинейные
искажения сигнала. Искажения могут быть
связаны с ограниченным напряжением
питания, нелинейностью ВАХ и др. Поэтому
существует максимальное напряжение
,
которое данным усилителем усиливается
без существенных искажений. Отношение
этих двух величин определяет динамический
диапазон:
. (13.4)
Величина динамического диапазона тесно связана с шумовыми характеристиками усилителя. Качество сигнала оценивается характеристикой сигнал-шум, которая показывает во сколько раз мощность сигнала больше мощности шума. При прохождении через усилитель отношение сигнал-шум изменяется. Это изменение характеризуется коэффициентом шума, который показывает, во сколько раз отношение сигнал-шум на выходе отличается от отношения сигнал-шум на входе усилителя.
Усилители переменного тока на биполярных транзисторах
Усилитель с общим эмиттером
Схема
усилителя с общим эмиттером (ОЭ) показана
на рис. 15.1. В схеме с ОЭ входной сигнал
подается на базу, а выходной снимается
с коллектора. В исходном состоянии
коллекторный переход закрыт, а эмиттерный
– открыт, поэтому транзистор находится
в активном режиме. Чтобы открыть
эмиттерный переход в базу n-p-n-транзистора
подается положительное напряжение от
источника питания
через резистивный делитель
,
.
В результате через транзистор от
источника
через резистор
,
от коллектора к эмиттеру, через
сопротивление
протекает постоянный ток
.
|
Рис. 15.1 Усилитель с ОЭ |
Если
на входе под действием положительного
сигнала от источника переменной ЭДС E
входное напряжение
начинает нарастать, то потенциал базы
повышается, поэтому эмиттерный переход
открывается сильнее, ток базы увеличивается,
следовательно, ток коллектора возрастает.
В результате выходное напряжение
, (15.1)
уменьшается.
При увеличении тока коллектора напряжение на коллекторе, равное выходному, уменьшается. Следовательно, при дальнейшем увеличении напряжения на входе напряжение на базе может превысить напряжение на коллекторе, коллекторный переход откроется и транзистор перейдет в режим насыщения.
Если входное напряжение уменьшается, то потенциал базы также уменьшается. В результате эмиттерный переход закрывается сильнее, поэтому ток коллектора уменьшается и выходное напряжение возрастает.
Указанные
изменения напряжений усилителя характерны
для переменного входного напряжения.
Переменный ток коллектора, вызванный
этим напряжением, протекает через
блокирующую емкость
.
Если же возникает постоянное смещение
тока коллектора, например из-за нагрева
транзистора, то эти смещения компенсируются
за счет обратной связи, образованной
сопротивлением
.
Связь постоянного тока базы и тока коллектора определяется двумя уравнениями
, (15.2)
. (15.3)
Пусть ток коллектора увеличился. Из выражения (15.2) видно, что ток базы уменьшиться, а из выражения (15.3) видно, что это приведет к уменьшению тока коллектора. Аналогично, если постоянный ток коллектора уменьшиться, то ток базы возрастет, и ток коллектора увеличится. Таким образом, усилитель сохраняет стабильной рабочую точку по постоянному току. Из (15.2) видно, что чем больше сопротивление , тем чувствительнее усилитель к изменениям постоянного тока.
Разделительная
емкость
не пропускает постоянный ток. Сопротивление
коллектора
определяет значение выходного напряжения
в рабочей точке и чувствительность
усилителя к изменениям переменного
входного тока. Таким образом, сопротивление
коллектора задает коэффициент усиления,
равный
, (15.4)
где
– коэффициент передачи эмиттерного
тока в коллектор;
.
Усилитель с общей базой
|
Рис. 15.2 Усилитель с ОБ |
В усилителе с общей базой входной сигнал подается на эмиттер, а выходной снимается с коллектора. В исходном состоянии транзистор находится в активном режиме. Для этого через резистивный делитель , в базу от источника питания подается положительное напряжение.
При повышении входного напряжения потенциал эмиттера возрастает, эмиттерный переход закрывается сильнее, поэтому ток коллектора уменьшается. В результате выходное напряжение, определяемое выражением (15.1) увеличивается. Если понижать напряжение эмиттера, то эмиттерный переход n-p-n-транзистора открывается сильнее, ток коллектора увеличивается, значит, выходное напряжение уменьшается.
Постоянный ток базы, как и в предыдущей схеме, описывается выражением (15.2). Это означает, что усилитель также компенсирует постоянные изменения токов, т.е. сохраняет рабочую точку по постоянному току.
Разделительная емкость не пропускает постоянный ток. Сопротивление коллектора определяет значение выходного напряжения в рабочей точке и чувствительность усилителя к изменениям переменного входного тока. Сопротивление коллектора задает коэффициент усиления, равный
, (15.5)
Усилитель с общим коллектором
Усилитель с общим коллектором (ОК) показан на рис. 15.3. В схеме с ОК входной сигнал подается на базу, а выходной снимается с эмиттера. Если входное напряжение повышается, то потенциал базы увеличивается, следовательно, эмиттерный переход n-p-n-транзистора открывается сильнее и ток коллектора возрастает. Выходное напряжение, описываемое выражением
, (15.6)
увеличивается.
Если входное напряжение уменьшается, то потенциал базы понижается, следовательно, эмиттерный переход n-p-n-транзистора закрывается сильнее и ток коллектора уменьшается. Это приводит к понижению выходного напряжения.
Коэффициент передачи по напряжению в схеме с ОК определяется выражением
, (15.7)
т.е. меньше единицы. При достаточно большом сопротивлении эмиттера коэффициент усиления схемы с ОК близок к единице, поэтому схему называют эмиттерным повторителем. Такой усилитель на выходе повторяет напряжение входа, однако выходной ток усиливается, т.е. возрастает мощность сигнала.
|
Рис. 15.3 Усилитель с ОК |
Разделительная емкость , как и в предыдущих схемах, не пропускает постоянных ток на вход усилителя и не позволяет току, протекающему в базу, ветвится на вход источника ЭДС. Резистивный делитель , служит для того, чтобы перевести транзистор в активный режим путем подачи на базу положительного напряжения от источника питания. Сопротивление эмиттера задает ток коллектора в рабочей точке и служит обратной связью, стабилизирующей эту рабочую точку.
Параметры усилителей на биполярный транзисторах
Параметры рассмотренных усилителей приведены в таблице 15.1. Из таблицы 15.1 видно, что схема с ОЭ обладает инверсией. В схемах с ОЭ и ОБ коэффициент усиления возрастает с ростом сопротивления коллектора . В схеме с ОК усиление по напряжению близко к единице – это усилитель мощности. Если увеличивать сопротивление базы, то входное сопротивление схем ОЭ и ОК возрастает и ток, потребляемый делителем уменьшается, однако при этом уменьшается и температурная стабильность рабочей точки. При увеличении сопротивления эмиттера повышается температурная стабильность, однако при заданном токе коллектора в рабочей точке необходимо уменьшать сопротивление коллектора, что приводит к уменьшению коэффициента передачи. Каскад с ОБ имеет низкое входное сопротивление и не усиливает ток. Каскад с ОК обладает наименьшим выходным сопротивлением.
Таблица 15.1
Схема |
|
|
|
ОЭ |
|
|
|
ОБ |
|
|
|
ОК |
|
|
|
