14. Усилители, классификация, основные требования.

Электронным усилителем называется устройство, позволяющее преобразовывать входные электрические сигналы в сигналы большей мощности на выходе без существенного искажения их формы. Эффект увеличения мощности возможен при наличии в устройстве некоторого внешнего источника, энергия которого используется для создания повышенной мощности на выходе. Этот источник энергии, преобразуемой усилителем в энергию усиленных сигналов, называется источником питания.

По своему назначению усилители условно делятся на усилители напряжения, усилители тока и усилители мощности. Если основное требование - усиление входного напряжения до необходимого значения, то такой усилитель относят к усилителям напряжения. Если основное требование - усиление входного тока до нужного уровня, то такой усилитель относят к усилителям тока. Следует отметить, что в усилителях напряжения и усилителях тока одновременно происходит усиление мощности сигнала (иначе вместо усилителя достаточно было бы применить трансформатор). В усилителях мощности в отличие от усилителей напряжения и тока требуется обеспечить в нагрузке заданный или максимально возможный уровень мощности сигнала. Ниже будут приведены необходимые соотношения, характеризующие усиление напряжения, тока и мощности.

В зависимости от характера входного сигнала различают усилители гармонических (непрерывных) сигналов и усилители импульсных сигналов. К первой группе относятся устройства для усиления непрерывных электрических сигналов, гармонические составляющие которых изменяются много медленнее всех нестационарных процессов в цепях усилителя. Ко второй группе усилителей относятся устройства для усиления электрических импульсов различной формы и амплитуды с допустимыми искажениями их формы. В этих усилителях входной сигнал изменяется настолько быстро, что процесс установления колебаний является определяющим при нахождении формы выходного сигнала. В пределах данного курса мы будем изучать усилители гармонических сигналов.

15. Осн6овные характеристики усилителей.

16 Усилители на биполярных транзисторах.

 

 В усилителях на биполярных транзисторах используется три схемы подключения транзистора:  с общей базой (рис. 5.6; 5.9), с общим эмиттером (рис. 5.7; 5.10), с общим коллектором (рис. 5.8; 5.11).

На рисунках 5.6-5.8 показаны схемы включения транзисторов с питанием входных и выходных цепей от отдельных источников питания, а на рисунках 5.9-5.11 – с питанием входных и выходных цепей транзистора от одного источника постоянного напряжения.

 Усилители в схеме включения транзистора с общей базой характеризуются усилением по напряжению, отсутствием усиления по току, малым входным сопротивлением и большим выходным сопротивлением.

У силители в схеме включения транзистора с общим коллектором характеризуются усилением по току, отсутствием усиления по напряжению, большим входным сопротивлением и малым выходным сопротивлением.

Наибольшее распространение получила схема включения с общим эмиттером. В схеме включения транзистора с общим эмиттером усилитель обеспечивает усиление по напряжению, по току, по мощности. Такой усилитель имеет средние значения входного и выходного сопротивления по сравнению со схемами включения с общей базой и общим коллектором.

 

Параметры транзистора в значительной степени зависят от температуры. Изменение температуры окружающей среды приводит к изменению рабочего режима транзистора в простой схеме усилителя при включении транзистора с общим эмиттером (рис. 5.2 б). Такая простая схема у силителя используется очень редко. Для стабилизации режима работы транзистора при изменении температуры используют схемы коллекторной (рис. 5.12, 5.13) и эмиттерной (рис. 5.14, 5.15) стабилизации режима работы транзистора.

Коллекторная температурная стабилизация режима работы транзистора по схеме рисунка 5.12 используется редко, так как кроме температурной стабилизации происходит уменьшение коэффициента усиления за счет отрицательной обратной связи по переменному току. Устранить отрицательную обратную связь по переменному току позволяет конденсатор С1 в схеме, приведенной на рисунке 5.13.

17 Усилительный каскад по схеме с ОЭ, графоаналитический метод.

18 Усилительный каскад по схеме с ОЭ, анализ при усилении малых сигналов.

Анализ работы каскада произведем графически (рис. 4.7). Для этого на семействе выходных характеристик необходимо провести из точки Е_К на оси абсцисс ВАХ резистора R_К, соответствующую уравнению: U_КЭ = Е_К - R_Кi_К. Строят ее по 2-м точкам: U_КЭ = E_К при I_К = 0 на оси абсцисс и I_К=E_К/R_К при U_КЭ = 0 на оси ординат. Эту характеристику называют линией нагрузки. По точкам пересечения этой линии с ветвями ВАХ транзистора можно определить коллекторный ток I_К, одинаковый для транзистора и резистора R_К, а также напряжения U_КЭ и U_RК.  Анализ работы усилительного каскада удобно проводить с помощью переходной характеристики I_К = f(I_Б), которую строят по точкам пересечения линии нагрузки с коллекторными характеристиками. Переходная характеристика имеет практически линейный участок аb. Длина участка зависит от наклона линии нагрузки, т.е. от величины R_К. Резистор R_Б, включенный в цепь базы, обеспечивает требуемую работу транзистора в режиме покоя, т.е. в отсутствие входного сигнала. Величину резисторе подбирают такой, чтобы обеспечить требуемую величину тока покоя I_БР: R_Б = (E_К - U_БP)/I_БP. Рисунок 4.7- Графический анализ работы усилительного каскада При подаче на вход усилительного каскада переменного напряжения U_ВХ ток базы будет изменяться в соответствии с входной характеристикой, т.е. кроме постоянной составляющей I_бр он будет иметь переменную составляющую I_б. Одновременно с этим в транзисторе будут изменяться эмиттерный и коллекторный токи. Переменная составляющая коллекторного напряжения представляет собой выходное напряжение усилительного каскада, которое численно равно и противоположно по фазе переменной составляющей падения напряжения на резисторе R_К: U_ВЫХ=-R_Кi_К. Для входного напряжения справедливо соотношение U_ВХ = -R_ВХi_ВХ, где R_ВХ - входное сопротивление каскада; i_ВХ i_Б, Т.к. i_К >>i_Б, a R_К > R_ВХ, выходное напряжение намного превышает входное.  Если изменение входного напряжения, тока базы i_Б и тока коллектора i_К укладываются в линейные участки входной и переходной характеристик, то форма U_ВЫХ ~ U_ВХ, т.е. усиление будет происходить без искажений.  ТЕМПЕРАТУРНАЯ СТАБИЛИЗАЦИЯ РЕЖИМА РАБОТЫ УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА С ОЭ.    Рисунок 4.8- Каскад с температурной стабилизацией Существенным недостатком биполярных транзисторов является зависимость их параметров от температуры. При повышении температуры транзистора увеличивается коллекторный ток за счет возрастания числа неосновных носителей заряда в полупроводнике. Это приводит к изменению коллекторных характеристик транзисторов и смещению рабочей точки на коллекторной и переходной характеристиках. В результате может нарушиться нормальная работа усилителя. Для уменьшения влияния температуры в цепь эмиттера включают резистор R_Э, шунтируемый конденсатором С_Э  (рис. 4.8).  В цепи базы для задания смещения U_БЭР между базой и эмиттером применен делитель R_Б1, R_Б2. В результате между базой и эмиттером транзистора формируется напряжение: При наличии резистора R_Э увеличение эмиттерного тока из-за повышения температуры приводит к возрастанию падения напряжения на резисторе R_Э. Это вызывает снижение потенциала базы по отношению к потенциалу эмиттера, а следовательно, уменьшение токов I_Э и I_К. В результате, влияние температуры снижается. Для того чтобы на R_Э не создавалось падение напряжения от переменной составляющей I_Э, которая появляется при поступлении U_ВХ, R_Э зашунтирован конденсатором С_Э сопротивление которого Х_СЭ=1/С_Э намного меньше R_Э. Обычно С_Э  (10 – 20)/2f_НR_Э.  Для определения коэффициента усиления каскада в области средних частот рассмотрим уравнения для входной и выходной цепей усилительного каскада ОЭ, составленные на основе схемы замещения (рис. 4.9). Рисунок 4.9- Схема замещения каскада ОЭ Считая R_Б >> h₁₁ и R_Н >> R_К, получим более простые уравнения: U_ВХ  h₁₁I_ВХ, h₁₁I_ВХ + h₂₂U_ВЫХ + U_ВЫХ/R_Н. Решая совместно эти уравнения, получим:  ;  Знак "-" означает, что U_ВЫХ находится в противофазе с U_ВХ  Т.к. h₂₂ R_К<<1 то K_UXX  h_2lR_К/h₁₁; R_ВХ = R_Бh₁₁/(R_Б + h₁₁)  h₁₁;  19 Балансные усилители.

Входное сопротивление усилительного каскада ОЭ обычно лежит в пределах от нескольких сотен Ом до нескольких кОм. Выходное сопротивление этих каскадов обычно больше входного.

Применение балансных схем является эффективным методом уменьшения дрейфа нуля. Балансные схемы в сочетании с глубокой отрицательной обратной связью и термокомпенсацией дают возможность существенно увеличить стабильность УПТ. Балансные схемы строятся на двух транзисторах и бывают параллельного и последовательного типов. Основой построения балансного каскада является электрический мост с попарно симметрично выполненными плечами, рис.15.3.  Рис.15.3. Электрический мост Как известно, если мост сбалансирован, т.е R1/R2=R3/R4, то при изменении питающего напряжения Е ток нагрузки остается равным нулю. В балансной схеме УПТ, рис.15.4, вместо R2 и R4 применяются транзисторы VI и V2. Таким образом, коллекторные сопротивления и внутренние сопротивления транзисторов образуют четыре плеча моста. Рис. 15.4. Балансный усилитель постоянного тока. К вертикальной диагонали подключается напряжение питания, а нагрузка включается между коллекторами транзисторов. Входной сигнал прикладывается на базу первого транзистора. При полной симметрии плеч схемы, которая обусловлена выбором R_н1=R_н2 и транзисторов с идентичными параметрами, и отсутствии входного сигнала разность потенциалов между коллекторами VI и V2 равна нулю. Если входной сигнал не равен нулю, то потенциалы коллекторов получают одинаковые по абсолютной величине, но разные по знаку приращения и через нагрузку течет ток. Такие каскады очень удобны в качестве выходных, если необходимо иметь симметрично изменяющееся напряжение или симметрично изменяющийся ток. Уменьшение дрейфа нуля обусловлено следующим: при изменении напряжения питания Е потенциалы коллекторов в симметричной схеме получают одинаковые приращения, поэтому выходное напряжение и ток в нагрузке остаются неизменными. То же самое происходит и при температурных изменениях. В реальной схеме всегда имеется некоторая асимметрия плеч, поэтому изменения токов в обоих плечах моста будут различными и некоторая нестабильность нуля сохранится. Для повышения стабильности в цепь эмиттеров включается большое сопротивление R_э. В симметричной схеме на сопротивлении R не возникает обратная связь, так как ток через него можно считать неизменным:  J_э1= - J_э2. Установка нуля при использовании каскада в усилителе постоянного тока может вестись с помощью потенциометра Rp. Но так как плечи мостовой схемы за счет разброса параметров оказываются несимметричными, то это приводит к нарушению баланса при изменении температуры.