§8.8. Схемотехника усилительных устройств

Самые распространенные схемы УУ выполнены на полевых и биполярных транзисторах, и чаще всего используются схемы с общим эмиттером или общим истоком. Реже используются схемы с общим коллектором или общим стоком, а схемы с общей базой или общим затвором используются в основном во входных каскадах радиоприемных устройств, работающих в диапазоне УКВ.

Рассмотрим усилитель с общим эмиттером, где: R_b – сопротивление базового резистора, R_k – сопротивление коллекторного резистора, E_c – управляющая изменяющаяся характеристика входного сигнала, подлежащая усилению, E_cm – постоянная составляющая входного сигнала, обеспечивающая требуемый режим работы по постоянному току.

Приведенная схема (1) называется последовательной с внутренней нагрузкой, так как в качестве нагрузки выступает коллекторный резистор, расположенный последовательно с усилительным элементом. Если использовать р-п-р транзистор, выходные напряжения будут направлены в обратную сторону, а напряжение питания будет отрицательным. Сигнал на выходе находится в той же фазе, что и входной сигнал, поэтому данная схема неинвертиртирующая.

Следующая схема (2) с внешней нагрузкой, в ней сигнал на выходе отличается от сигнала на входе на π, следовательно схема инвертирующая. R_n – нагрузка.

Для схемы 1 выходное напряжение будет равно: U_вых=i_kR_k (1)

Для схемы 2: (2)

R_б – балластный резистор, используется для линеализации ВАХ.

Рассмотрим более подробно:

В начальной части ВАХ – характеристика нелинейна, т.е. различным приращениям входного напряжения соответствуют разные приращения тока базы, а следовательно и тока коллектора.

i_b=U_вх/R_вх i_к = h₂₁ i_б = h₂₁ U_вх/R_вх, (3)

где R_вх – входное сопротивление транзистора, его значение зависит от входного напряжения U_вх = U_см + U_с.

Подставим в уравнение (1) и (2) выражение (3), получим соответственно следующее выражение:

U_вых=h₂₁U_вх/R_вх

Т.е. выходное напряжение будет сильно изменяться при перепаде внешних напряжений; если ввести в цепи базы сопротивление R_b много большее входного сопротивления транзистора, получим значение коэффициента усиления по напряжению k_v меньше, но зато независимость от перепадов.

U_вых=h₂₁U_вх/(R_вх+R_б) следовательно U_вых=h₂₁U_вх/R_б k_v=h₂₁ R_к/R_б

Для того, чтобы транзистор работал в режиме усилителя, он должен быть поставлен в соответствующий режим по постоянному току, только после этого на него подаётся входной сигнал.

§8.10 Анализ усилительного каскада

ВАХ усилителя строится на основе ВАХ транзистора методом их пересечения. А так как транзистор имеет две вольт-амперные характеристики то и усилитель тоже.

1. На входной характеристике транзистора строим нагрузочную прямую, пересекающую оси напряжения и тока в точках:

U_вх = U_см + U_с и i_вх=U_вх / R_б.

Наклон прямой определяется сопротивлением базового резистора:

R_b=ctg α

Пересечение нагрузочной прямой и ВАХ транзистора в точке П₁ задаёт положение по постоянному току, т.е. напряжение смещения. Если входное напряжение получает приращение U_{бэ п}=U_{бэ п}+ΔU_{бэ п}, то точка П₁ перемещается в точку П₂, ток базы тоже получает приращение i_{б п}=i_{б п} + Δi_{б п} и задается новый режим по постоянному току. Cоответствующие приращения получит и выходное напряжение пропорционально коэффициенту усиления.

Рассмотрим выходные характеристики транзистора с нагрузочной прямой, построенной по точкам: точка пересечения с осью напряжения равняется напряжению питания, точка пересечения с осью тока равняется отношению напряжения питания к сопротивлению коллекторного резистора. Угол наклона нагрузочной прямой можно определить по величине коллекторного сопротивления R_к=ctg α.

Если входное напряжение и напряжение питания постоянны, то ток коллектора и ток базы тоже постоянны, то в базовой и коллекторной цепях будут протекать токи покоя, соответствующие точке П₁.Таким образом, любое изменение входного сигнала приводит к пропорциональному изменению выходного. Точка П₁ называется рабочей точкой или точкой покоя.