4.1. Краткие теоретические сведения

Простейшим усилителем является схема (рис. 4.1), содержащая биполярный или полевой транзистор (нелинейный управляющий элемент), источник ЭДС (Е).

На вход усилительной схемы подводится сигнал (U_ВХ), а в выходной цепи наблюдают усиленный сигнал (U_ВЫХ), имеющий значительно большую амплитуду напряжения, либо тока по сравнению с входным сигналом.

Д ля повышения устойчивости работы усилителей в широком диапазоне частот и амплитуд входного сигнала, а также в условиях нестабильности температуры и напряжения источника питания, в схемы усилителей вводят цепи обратной связи (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Структурная схема усилителя.

Увеличение мощности сигнала в усилительном каскаде происходит за счет энергии источника ЭДС (Е). Процесс усиления осуществляется за счет изменения сопротивления нелинейного управляемого элемента (транзистора - VT) и, следовательно, тока в выходной цепи под воздействием входного напряжения или тока.

Выходное напряжение снимается с управляемого элемента (VT) или резистора R, служащего для ограничения тока в выходной цепи.

Таким образом, усиление основано на преобразовании электрической энергии источника питания (Е) в энергию выходного сигнала за счет изменения сопротивления УЭ по закону, задаваемому входным сигналом.

Способность схемы увеличивать интенсивность входного сигнала оценивается коэффициентом усиления (передачи) напряжения, тока или мощности [5].

- коэффициент усиления по напряжению, К_U = [U_ВЫХ/U_ВХ] ≥ 1; (4.1)

- коэффициент усиления по току K_I = [I_ВЫХ/I_ВХ] >1;

- коэффициент усиления по мощности K_P = [P_ВЫХ/P_ВХ] = K_U∙K_I >> 1.

В зависимости от того, какой параметр входного сигнала (U, I или P) требуется увеличить с помощью усилительного каскада, различают:

- усилительные каскады напряжения (1), тока (2) и мощности (3).

1) Усилители напряжения применяют для получения на выходе схемы большого напряжения от источника входного сигнала, имеющего высокое сопротивление.

2) Усилители тока применяют для получения значительного выходного тока.

3) Усилители мощности используют в оконечных каскадах многокаскадных усилителей, обеспечивающих максимально возможную мощность в нагрузке.

Входное и выходное сопротивление схемы Z зависит от влияния цепи ОС схемы.

В схеме усилителя цепь ОС формирует пара-метр ОС, характеризу-ющий свойства 4-х-по-люсника по преобразо-ванию вход-го сигнала.

Процесс усиления входного сигнала представляет собой воздействие входного сигнала на источник питания через усилительный (регулируемый) элемент. Управляемая мощность Р₀ (источника ЭДС) (рис. 4.2,а) должна превышать управляющую входную мощность Р₁ генератора сигналов.

Часть мощности Р₀, отдаваемая во внешнюю цепь (в нагрузку), называется выходной мощностью Р₂.

Кроме усилительных свойств, схема характеризуется полосой пропускания частот, нелинейными искажениями, диапазоном входных и выходных сигналов.

На рис. 4.2,б показана передаточная амплитудно-частотная характеристика для УНЧ и УВЧ, а также для усилителя, работающего в некоторой полосе частот.

Выбор рабочей точки и построение линии нагрузки усилителя

Для нормальной работы усилительного каскада необходимо при отсутствии входного сигнала U_ВХ установить определенные (I_Б, I_К,U_БЭ, U_КЭ) токи и напряжения на p-n-переходах, обеспечивающие статический режим работы транзистора.

Падения напряжений и токи на транзисторе зависят от выбора рабочей точки на семействе его выходных характеристик (рис. 4.3,б) [2].

Для их анализа выходных характеристик рассмотрим схему, состоящую из резисторов R_К и R_Э и транзистора, токи и напряжения на электродах которого зависят от величины управляющего сигнала (рис. 4.3,а).

Токи и напряжения цепи можно определить графоаналитическим методом, позволяющим построить линию нагрузки по постоянному току [8].

Линия нагрузки представляет собой ВАХ той части обобщенной цепи, в состав которой не входит нелинейный элемент, управляемый внешним сигналом.

В рассматриваемом случае это ВАХ резисторов R_К и R_Э.

Точка на линии абсцисс, из которой строят ВАХ нагрузочной части, является точка с координатами Е_ПИТ. Это основано на том, что ток в последовательной цепи во всех компонентах примерно одинаков, а сумма падения напряжений на них равна напряжению источника питания.

I₀ ·(R_К + R_Э) + U₀ = E_ПИТ. (для точки 1) (4.2)

Если транзистор закрыт, то сопротивление перехода r_КЭ = r_КЭ.МАХ.

При этом I₀ = 0 и на переходе К-Э падает все напряжение E_ПИТ.

При разных значениях управляющего сигнала токи и напряжения транзистора будут изменяться, так же как ток I₀ и напряжение U₀.

Задача анализа усилительных каскадов в статическом режиме сводится к нахождению места рабочей точки, где справедливо уравнение (4.2).

Точку на оси ординат можно найти, используя режим короткого замыкания (КЗ) выходной цепи. Ток I_КЗ в цепи ограничен величиной резистора R_К:

I _КЗ = E_К/R_К. (4.3)

В случае использовании в цепи R_Э, получим: I_К.А = E_К/(R_К + R_Э). (4.3,а)

В первом приближении коэффициент усиления по напряжению составит:

К_U = R_К/R_Э, (4.4)

а в случае отсутствия резистора R_Э коэффициент К_U значительно вырастает:

К_U = R_К/r_Э. (4.4,а)

где: R_Э = (¹/₆ ÷ ½) R_К = (1 – 5) кОм; r_Э = (100 – 25) Ом; R_Э >> r_Э.

В усилителях мощности нашли применения три класса усиления: классы А, В и АВ, отличающиеся положением рабочей точки (точки покоя) на линии нагрузки по постоянному току. На рис.4.5 приведена схема усилителя класса А.

В режиме класса А выбор точки покоя П_А производят так, чтобы рабочая точка на линии нагрузки находилась посередине, на линейном участке коллекторных характеристик (рис. 4.4,б), исключая искажение выходного сигнала.

Режиму покоя соответствует U_БЭ < U_БЭ.Н, (для VT_Si – U_БЭ ≈ 0,50÷0,55 В).

Выбор рабочей точки покоя производится так, чтобы входной и выходной сигнал полностью помещался на линейном участке входной ВАХ транзистора.

На выходной ВАХ транзистора в режиме (А) рабочая точка (I_Бо и U_КЭо) располагается на середине нагрузочной прямой, где изменение тока коллектора прямо пропорционально изменению тока базы. Усилители класса А обеспечивают наименьшие нелинейные искажения, но обладают малой мощностью и КПД.