XI. Електронні підсилювачі

11.1. Принцип роботи підсилювача

Електронним підсилювачем називається пристрій, що містить електронні чи напівпровідникові прилади і призначений для збільшення потужності підвідного до його входу сигналу у вигляді струму чи напруги, що змінюються з плином часу. Потужність електричних коливань зростає за рахунок енергії джерела живлення, яким у більшості випадків є джерело постійного струму. Підсилені коливання підводяться до навантаження, що приєднується до вихідних затисків підсилювача. У будь-якому електронному підсилювачі є джерело електричних коливань - джерело сигналу, один чи більше електроперетворюючих приладів, джерело живлення і навантаження.

П ідсилення коливань можливо в колі з послідовним з'єднанням резистора R_К і біполярного транзистора VT (рис. 11.1) У біполярному транзисторі у випадку невеликих змін напруги база — емітер u_БЕ, а в польовому транзисторі — напруги затвор — витік u_ЗВ мають місце зміни відповідно колекторного струму і_К і струму стоку і_С.

Р

Рис. 11.1. Найпростіший підсилювач

озглянемо зміни струмів і напруг у колах найпростішого підсилювача на біполярному транзисторі (див. рис. 11.1), викликані змінами напруги база — емітер. Припускаємо, що до переходу база — емітер підводиться напруга u_БЕ, яка є сумою напруги база — емітер у режимі спокою U_БЕС і змінного синусоїдального и_бе напруг. По вхідній характеристиці транзистора для кожного із значень напруги можна встановити величину струму бази і_Б, а потім відобразити на графіку (рис. 11.2, г) його зміни з часом. Коли транзистор працює в активному режимі, між струмом колектора і_К і струмом бази і_Б є лінійна залежність і_К=і_Б, що графічно можна представити відрізком прямої (рис. 11.2, а). Колекторний струм і_К (рис. 11.2, б) є пульсуючим. Він являє собою суму струму спокою І_КС відповідного напрузі U_БЕС, і змінної складової і_К, викликаної синусоїдальною напругою u_бе: i_К=І_КС+і_к. При малих амплітудах змінної вхідної напруги U_БEm струм і_к можна вважати синусоїдальним.

Колекторний струм i_К, створює на резисторі R_K спад напруги i_KR_K. Взаємозв'язок між напругою u_K і струмом i_K виражається співвідношенням

(11.1)

Рис. 11.2. Струми і напруги в найпростішому підсилювачі на біполярному транзисторі:

а — взаємозв'язок струмів колектора і бази; б — колекторний струм; в — вихідні характеристики транзистора, г - струм бази; д— колекторна напруга

Залежність між струмом i_К у колі лінійного елемента опором R_K і напругою u_K виді різниці напруг E_K і i_KR_K графічно може бути відображена прямою, що проходить через точки з координатами і_К=0, u_K=E_K i и_K=0, i_K=E_K/R_K.

Електричне коло (див. рис. 11.1) являє собою послідовне з'єднання лінійного і нелінійного елементів. Характеристики транзистора, що відображають залежності i_К=f(u_K) при І_Б=const, відомі. Для визначення струму в колі застосуємо метод перетинання. На сімействі вихідних характеристик побудуємо пряму АВ, що описується рівнянням (11.1). Її називають навантажувальною прямою. Очевидно, нахил цієї прямої залежить від опору резистора R_K. Вона пройде більш полого, якщо опір R_К виявиться більшим, і більш круто у випадку менших опорів R_K.

Навантажувальна пряма перетинає ряд вихідних характеристик транзистора, отриманих при різних значеннях струму бази. Точки перетинання дозволяють визначити, який струм і_К установлюється при заданій напрузі u_К або, навпаки, якою буде напруга u_К при відомому струмі і_К. Одночасно для відомого значення струму бази і_Б можна визначити величину струму і_К і напругу u_K.

По змінах струму з часом (рис. 11.2, б) і навантажувальної прямої АВ (рис. 11.2, в) можна визначити зміни напруги u_K (рис. 11.2, д). Змінна складова колекторної напруги u_K і підвідна на базу транзистора змінна напруга u_б відрізняються по фазі на кут π.

На графіках відзначені значення напруг і струмів. Величини їх властиві малопотужним транзисторам. Передбачається, що в режимі спокою, тобто до подачі на базу транзистора змінної напруги, є постійна напруга спокою U_БЕС=0,2 В, проходить струм бази спокою І_БС=0,05 мА, струм спокою колектора І_КС=5 мА і встановлюється колекторна напруга спокою U_KC=6 В. Їхнім значенням відповідають положення точок спокою С (робочих точок) на графіках.

Режим спокою обраний так, що при невеликих (десятки мілівольтів) амплітудах вхідної синусоїдальної напруги U_Бm взаємозв'язок змін напруг і струмів електродів транзистора можна вважати лінійним. Змінна складова колекторної напруги виявиться синусоїдальною.

Навантажувальна пряма побудована для навантаження в колі колектора опором R_K=1,2 кОм. Амплітуди змінних складових струмів і напруг відповідно рівні: I_Бm=0,05 мA, і_кm=2,5 мA, U_кm=3 В. Приймемо, що амплітуда змінної складової напруги бази U_Бm=0,05 В, що відповідає значенню h_11E=1 кOм, цілком припустимому для малопотужного транзистора. Співставивши зміни напруг і струмів, прийдемо до висновку про наявність у колі підсилення по напрузі і струму. Фаза напруги u_К відрізняється від фази струму і_Б, а отже, і від фази напруги u_Б, на кут . Якщо опір навантаження R_K збільшити, відзначені зміни напруги и_к можуть бути досягнуті при менших амплітудах змінної складової колекторного струму 1_кm і менших амплітудах напруги U_Бm. Навпаки, у випадку зменшення опору R_K при змінах струму і_к у тих же межах амплітуда змінної складової колекторної напруги U_кm стане меншою. З урахуванням фазового зсуву напруг и_к і и_Б визначимо відношення К_u.= - U_кm/U_Бm. Як відомо, І_Бm=h_11EU_Бm, 1_кm=h_21EI_Бm, U_кm=—1_кmR_K. Тому

(11.2)

У нашому прикладі

Якщо напругу зсуву U_БЕС на емітерний перехід не подавати, то в режимі спокою транзистор буде закритий, а при подачі на його вхід змінної напруги досить великої амплітуди будуть з'являтися імпульси колекторного струму.