Вопрос26. Резистивный усилитель на биполярном транзисторе с общим эмиттером и его свойства.

Существует многообразие вариантов выполнения схемы усилительного каскада на транзисторе, включенного по схеме ОЭ. Это обусловлено, главным образом, особенностями задания статического режима (режима покоя) каскада. Рассмотрим принцип работы усилителя для случая неискаженного усиления (режим класса А) на примере типичной схемы резистивного каскада усилителя на БПТ, получившей широкое применение в технике связи (рис. 2, а).  Полная схема замещения каскада для рабочей полосы частот примет вид рис. 2. б. Где , g11  входная проводимость транзистора, g21  обратная проводимость транзистора, g22  выходная проводимость транзистора, (g12  проходная проводимость транзистора). Характеристика схемы. Широкополосный резистивный усилитель переменных сигналов на БПТ n-p-n типа, собран по схеме с ОЭ, с последовательным коллекторным питанием от источника постоянного напряжения Ек, с комбинированным смещением за счет делителя напряжения R1, R2 в цепи базы и эмиттерного сопротивления RЭ, с температурной стабилизацией режима по постоянному току, работает в режиме класса А. Назначение элементов схемы. В состав схемы усилителя входят основные и вспомогательные элементы. К основным элементам относятся: транзистор VT – усилительный элемент, обеспечивающий преобразование энергии источника питания в энергию усиливаемых колебаний (энергии постоянного тока в энергию переменного тока); источник постоянного тока Eк – источник питания, за счёт энергии которого осуществляется усиление колебаний; сопротивление коллектора Rк – сопротивление нагрузки УЭ в цепи коллектора служит для получения усиленного колебания, которое подводится к нагрузке RH, являющейся обычно входным сопротивлением последующего каскада усилителя. Кроме того, оно также служит для задания (ограничения) величины тока покоя коллектора совместно с Rэ. Основные элементы образуют главную цепь усилителя, при отсутствии хотя бы одного из основных элементов усилитель прекращает выполнять свою основную функцию – усиливать. К вспомогательным элементам относятся: разделительные конденсаторы Cp1 и Cp2 - разделяют цепи постоянного и переменного токов. Так, Cp1 исключает попадание постоянной составляющей тока от предыдущего каскада, либо если подключен источник сигнала, исключает протекание постоянного тока от Ек через него и обеспечивает независимость от внутреннего сопротивления этого источника напряжения на базе транзистора в режиме покоя. Функция Cp2 сводится к пропусканию в цепь нагрузки переменной составляющей напряжения и задерживанию постоянной составляющей; резисторы базового делителя напряжения R1 и  R2 – обеспечивают совместно с RЭ задание  необходимого режима покоя усилителя по постоянному току, т.е. выбор НРТ на ВАХ транзистора; сопротивление эмиттера RЭ – является элементом цепи ООС по постоянному току и обеспечивает температурную стабилизацию режима покоя при изменении температуры УЭ (сопротивление термостабилизации). (Последовательная по току ООС). В теории транзисторов температурную нестабильность принято оценивать коэффициентом нестабильности коллекторного тока                                                              (1) где - сопротивление базового делителя. Приближенная формула (1) показывает, что температурная стабилизация каскада улучшается с уменьшением R12 и увеличением Rэ. Однако, уменьшение R12 неизбежно приводит к уменьшению входного сопротивления каскада, а увеличение Rэ при сохранении требуемого режима постоянного тока транзистора влечет увеличение напряжения питания Ек; эмиттерный конденсатор СЭ – шунтирует резистор RЭ по переменному току, исключая проявление обратной связи по переменному току в пределах рабочего диапазона частот. Конденсатор Сэ выбирается такой емкости, чтобы на fн  нижней частоте полосы усиления выполнялось неравенство ; Сф, RФ – простейший сглаживающий фильтр в цепи питания коллектора, с помощью которого сводится к необходимому минимуму переменная составляющая тока в цепи источника питания и тем самым ликвидируются паразитные межкаскадные ОС между каскадами через общий ИП. Обычно ; сопротивление нагрузки усилителя RН – сопротивление последующего устройства. В общем случае это величина комплексная , где Сн = С22 + СМ + Свх (СМ - паразитные емкости монтажа, С22 – выходная емкость УЭ, Свх – входная емкость нагрузки). Физические процессы. Рассмотрим физические процессы в статическом и динамическом режимах. Статический режим. При отсутствии входного сигнала и включенном источнике питания Ек в схеме будут протекать следующие постоянные токи: - ток делителя Iд по цепи   +Eк, R1, R2, ┴,-Eк; - ток базы IБ  по цепи  +Eк, R1, Б, ЭП, Э, RЭ, ┴ ,-Eк; - ток коллектора Iк по цепи +Eк, Rк, КП, ЭП, RЭ, ┴, -Eк, где ЭП – эмиттерный переход, КП – коллекторный переход, Э - эмиттер, К - коллектор, Б – база, ┴ - корпус (общий электрод для входного, выходного сигнала и ИП: зажимы 1, 2 и –Еk). При включении питания ток делителя Iд на резистивном элементе R2 создается напряжение смещения, которое прикладывается через сопротивление эмиттера RЭ к участку база-эмиттер транзистора (рис. 2) .       (2) Это напряжение положительное (), т.е. того же знака, что и напряжение , которое определяется положительным знаком источника питания +Еk. Следовательно, p-n переход участка база-эмиттер транзистора открывается и начинает протекать прямой ток базы IБ. В целях уменьшения энергопотребления и влияния тока делителя на ток базы, выбирают следующее их оптимальное соотношение . Наличие во входной цепи УЭ тока базы IБ вызывает появление тока коллектора Iк, протекающего через основные элементы усилителя. Постоянный коллекторный ток Iк  создает на элементах схемы, в том числе на нагрузке УЭ - резисторе Rк, падение напряжения. При этом напряжение на участке коллектор-эмиттер можно определить по второму закону Кирхгофа (рис. 2) при условии, что и  : . Конденсатор Ср2 не пропускает постоянный ток через нагрузку усилителя, следовательно, в статическом режиме выходное напряжение усилителя равно нулю (U2 = 0). Статическому режиму на графиках соответствует интервал времени 0t1 (рис. 3). Для получения неискаженного линейного усиления при использовании резистивной нагрузки необходимо обеспечить работу УЭ на линейном участке (участок АВ) проходной характеристики . Для этого НРТ должна находиться на середине этого линейного участка, что задаётся величиной тока базы покоя. Температурная стабильность режима покоя обеспечивается вследствие наличия в усилителе ООС по току. Под воздействием увеличения температуры возрастет величина коллекторного тока. Это вызывает увеличение тока, протекающего через  RЭ и падение напряжения на нем. Так как напряжения UБЭ и URЭ связаны между собой вторым законом Кирхгофа, то, используя выражение (1), можно записать ,   откуда  . Из полученного выражения следует, что увеличение коллекторного тока приводит к уменьшению напряжения на участке база-эмиттер UБЭ транзистора. Это вызывает уменьшение прямого тока базы и тока коллектора, чем создается препятствие его наметившемуся увеличению. Таким образом, температурное изменение параметров режима покоя, благодаря наличию эмиттерного сопротивления RЭ, передаётся в противофазе на вход каскада, тем самым препятствуя изменению тока коллектора, а следовательно, и напряжения на выходе усилителя, что подтверждает влияние ООС. Динамический режим. В динамическом режиме от источника сигнала во входную цепь подается сигнал. В частном случае это гармонические колебание, прикладываемые к входным зажимам 1‑1. Причем для обеспечения неискаженного усиления его амплитуда должна быть такой, чтобы рабочая точка находилась в пределах линейного участка АВ (рис. 3). В этом случае во входной цепи усилителя будет протекать переменный ток iб(t) с частотой входного сигнала по цепи: зажим 1, Cp1, Б, ЭП, Э, СЭ, ┴, зажим 1 и в обратном направлении (рис. 2). Появление переменной составляющей тока базы вызывает появление переменной составляющей коллекторного тока ik(t) , источником которой является транзистор: K, Rk, СФ, ┴, СЭ, Э и в обратном направлении во время другого полупериода. Результирующие тока базы и коллектора можно представить в виде суммы постоянной и переменной составляющей. Причем возрастание тока базы вызывает возрастание и тока коллектора, следовательно, они совпадают по фазе, т.е.  и . Необходимо заметить и то, что для линейного режима класса А постоянные токи базы и коллектора совпадают с токами покоя транзистора, т.е.  и  . На резисторе Rк создаётся переменное напряжение, также представляющее сумму постоянной и переменной составляющих . Переменная составляющая этого напряжения создает переменный ток через нагрузку усилительного каскада RН. Амплитуда выходного напряжения усилителя Uвых = Um2 оказывается равной амплитуде переменной составляющей напряжения на RК и транзисторе (Um2 = Um к = UmRк), (рис. 2), и противофазна току коллектора . Таким образом, фаза выходного напряжения сдвинута относительно фазы входного сигнала на 180° (резистивный усилитель по схеме ОЭ инвертирует фазу входного сигнала), а сущность усиления по напряжению состоит в том, что небольшие изменения входного напряжения вызывают большие изменения коллекторного тока, а следовательно, амплитуда напряжения переменной составляющей на резисторе Rк оказывается во много раз больше амплитуды входного напряжения.  Резистивные усилители по схеме с общим коллектором При всех достоинствах схемы усилителя с ОЭ она все же не всегда может удовлетворить разнообразным требованиям, в частности, по величине входного и выходного сопротивления, ширине рабочего диапазона частот и т.д. Поэтому в технике связи разработаны и широко применяются усилители на БПТ по схемам ОК и ОБ, а также на полевых транзисторах. Усилитель на БПТ, включённый по схеме ОК, показан на рис. 4, а. Этот каскад называют также эмиттерный повторитель (ЭП), который предназначен для увеличения амплитуды тока, а также для согласования высокоомного сопротивления предыдущего каскада с низкоомной нагрузкой. По существу это трансформатор сопротивления. Схема замещения для области средних частот рабочего диапазона представлена на рис. 4, б. Характеристика схемы. (Курсанты записывают самостоятельно). Резистивный широкополосный усилитель на БПТ n-p-n типа по схеме ОК, с последовательным коллекторным питанием, с комбинированным смещением, с температурной стабилизацией режима покоя, работает в линейном режиме класса А. Состав и назначение элементов. . (Курсанты записывают самостоятельно). Основные элементы VT, EK, RЭ - резистор нагрузки УЭ. Вспомогательные элементы: R1, R2, совместно с RЭ обеспечивают фиксированное задание тока базы покоя, кроме того, RЭ является элементом ООС как по постоянному, так и по переменному току, обеспечивающим температурную стабильность режима покоя. Назначение остальных элементов схемы такое же, как и в усилителе с ОЭ.  Дать только отличие: выходное напряжение снимается с резистора Rэ, а конденсатор Сэ при этом из схемы исключен. Особенности схемы. 1. По переменному току коллектор является общим электродом для входной и выходной цепей (рис. 4). 2. Резистор RЭ выполняет в схеме функцию, аналогичную Rk в схеме ОЭ - создание изменяющегося напряжения в выходной цепи за счёт протекания в ней тока коллектора, управляемого по цепи базы. 3. Резистор R2 из состава делителя с целью повышения входного сопротивления может быть исключён. Остальные элементы выполняют функции, аналогичные схеме ОЭ. Принцип работы схемы аналогичен схеме ОЭ, однако включение транзистора по схеме с ОК придаёт схеме ряд отличительных свойств. Во-первых, из схемы рис. 4 следует, что резистор RЭ, с которого снимается выходное напряжение, является частью входной цепи, образованной зажимами 1-1', участком база-эмиттер и резистором RЭ. Следовательно, выходное напряжение всегда меньше входного в рабочей полосе частот на величину падения напряжения на участке база-эмиттер транзистора, т.е. в схеме нет усиления по напряжению. Во-вторых, при изменении входного напряжения изменяется базовый ток и в соответствии с ним изменяется ток через резистор RЭ, поэтому входное и выходное напряжение изменяется в фазе и (в схеме ОЭ, как известно, имеет место противофазное изменение входного и выходного напряжений). В-третьих, величина входного сопротивления схемы при выборе высокоомного сопротивления базового делителя может быть достаточно большой. Это свойство используется, когда усилитель применяется в качестве согласующего звена при работе от источника входного сигнала с большим внутренним сопротивлением. В-четвёртых, выходное сопротивление схемы оказывается достаточно малым, т.к. параллельно RЭ включен прямосмещенный ЭП через rэк (рис. 4): =  Ом. Это свойство используют, когда решают задачу согласования выходной цепи усилителя с низкоомным сопротивлением нагрузки. В-пятых, коэффициент усиления по току в схеме намного больше единицы, т.к. . Так как обычно, а , то у каскада по схеме ОК и составляет величину порядка 20  100, т.е. он обеспечивает усиление сигнала по мощности (он меньше, чем в схеме ОЭ). Таким образом, схема ОК имеет большое входное и малое выходное сопротивления каскада, значительный коэффициент усиления по току и мощности и практически единичный коэффициент усиления по напряжению. Важными достоинствами эмиттерного повторителя являются большой динамический диапазон и малые нелинейные искажения. За счет снижения выходного сопротивления практически на порядок удается расширить полосу усиливаемых частот. Эмиттерный повторитель фактически выполняет функцию трансформации сопротивления. Резистивные усилители по схеме с общей базой Схема резисторного каскада усилителя на БПТ с ОБ приведена на рис. 5, а, а на рис. 5, б показана его схема замещения для области средних частот рабочего диапазона. Каскад характеризуется высокой температурной стабильностью и малыми нелинейными искажениями и предназначен для увеличения амплитуды напряжения (усилитель напряжения) в широком диапазоне частот. Для схемы ОБ характерно, что база является общим электродом для входной и выходной цепей. Характеристика схемы. (Курсанты записывают самостоятельно). Резистивный широкополосный усилитель на биполярном транзисторе п-р-п типа по схеме ОБ, с последовательным коллекторным питанием, с комбинированным смещением, работает в режиме класса А. Состав и назначение элементов. (Курсанты записывают самостоятельно). Основные элементы: Еk, Rk, VT – их назначение то же, что и в схеме ОЭ. Вспомогательные элементы: R1, R2 – резисторы делителя напряжения, совместно с Rэ обеспечивают задание режима покоя во входной цепи смещения, кроме того, Rэ – элемент ООС по току, стабилизирующий режим покоя при изменении температуры. Ср1, Ср2  - разделительные конденсаторы, назначение то же, что и в схеме ОЭ. Отметить особенность: блокировочный конденсатор Сбл  предназначен для подключения базы по переменной составляющей к корпусу. Принцип работы аналогичен схеме ОЭ, однако включение транзистора по схеме ОБ придает усилителю ряд отличительных свойств. Во-первых, входным током схемы является самый большой из токов транзистора – ток эмиттера, следовательно, выходной ток – ток коллектора будет меньше, а значит, коэффициент усиления по току меньше единицы: . Коэффициент усиления по напряжению близок по величине к аналогичному показателю схемы ОЭ. Амплитудно-частотная характеристика каскада аналогична АЧХ каскада с ОЭ, а ФЧХ отличается отсутствием дополнительного сдвига на 1800. Во-вторых, входное сопротивление каскада определяется, главным образом, сопротивлением прямосмещенного эмиттерного перехода: и мало по величине, что является существенным недостатком. Такой усилитель создает большую нагрузку для источников входного сигнала, и возникает проблема согласования их сопротивлений. В-третьих, выходное сопротивление каскада близко по величине к аналогичному показателю схемы ОЭ: . В-четвертых, выходные характеристики транзистора в схеме ОБ отличаются большей линейностью и транзистор может использоваться при большем коллекторном напряжении, чем в схеме ОЭ. Поэтому оправдано использование схемы для получения повышенных значений выходного напряжения, недостижимых в схеме ОЭ. В-пятых, лучшие частотные свойства транзистора, включенного по схеме ОБ, позволяют использовать схему для усиления колебаний в более высокой области частот, чем в схемах ОЭ и ОК. Для удобства сравнения свойств основных каскадов транзисторных усилителей составлена таблица основных показателей каскадов с ОЭ, ОК и ОБ (табл. 1). Основные показатели базовых каскадов транзисторных усилителей для средних частот представлены в табл. 2. Таким образом, проведенный сравнительный анализ схем усилителей позволяет сделать следующие выводы: 1. Ни одна из схем усилителей не обладает абсолютным превосходством по свойствам и параметрам, поэтому при значительном удельном весе усилителей по схеме с ОЭ в технике связи находят применение и схемы с ОК и ОБ. 2. Все схемы обеспечивают усиление сигнала по мощности, причем наибольшее усиление дает схема ОЭ, которая и должна быть использована для построения усилителей мощности. 3. Для обеспечения линейности усиления усилитель должен работать в режиме класса А, который обладает КПД, не превышающим 50%. 4. В случае необходимости увеличения верхней границы усиливаемых частот и улучшения линейности применяются усилители по схеме с ОБ. 5. Широкое распространение при решении задачи согласования сопротивлений каскадов получил также ЭП. 6. Широкополосный усилитель на ПТ отличается высоким входным сопротивлением и значительным динамическим диапазоном. вопрос27. Обратная связь в усилителях: структурная схема усилителя с обратной связью, положительная и отрицательная обратные связи, коэффициент усиления усилителя с обратной связью.

 Усилитель электрических сигналов - это электронное устройство, предназначенное для увеличения мощности, напряжения или тока сигнала, подве­денного к его входу, без существенного искажения его формы. Электрическими сигналами могут быть гармонические колебания ЭДС, тока или мощности, сигналы прямо­угольной, треугольной или иной формы. Частота и форма колебаний являются существенными факторами, опреде­ляющими тип усилителя. Поскольку мощность сигнала на выходе усилителя больше, чем на входе, то по закону со­хранения энергии усилительное устройство должно включать в себя источ­ник питания. Т.о., энергия для работы усилителя и нагрузки подводится от источника питания. Тогда обобщенную структурную схему усилительного устройства можно изобразить, как показано на рис. 1.

Рисунок 1. - Обобщенная структурная схема усилителя

    Электрические колебания поступают от источника сигнала на вход усилителя, к выходу ко­торого присоединена нагрузка, энергия для работы усилителя и нагрузки подводится от источника питания. От источника питания усилитель отбирает мощность Ро - необходимую для усиления входного сигнала. Источник сигнала обеспечивает мощность на входе усилителя Р_вх выходная мощность Р_вых выделяется на активной части нагрузки. В усилителе для мощностей выполняется неравенство: Р_вх < Р_вых < Ро. Следова­тельно, усилитель - это управляемый входным сигналом преобразователь энергии источника питания в энергию выходного сигнала. Преобразование энергии осуществляется с помощью усилительных элементов (УЭ): биполяр­ных транзисторов, полевых транзисторов, электронных ламп, интегральных микросхем (ИМС). варикапов и других.

    Простейший усилитель содержит один усилительный элемент. В большинстве слу­чаев одного элемента недостаточно и в усилителе при­меняют несколько активных элементов, которые соединяют по ступенчатой схеме: колебания, усиленные первым элементом, поступают на вход второго, затем третьего и т. д. Часть усилителя, составляющая одну ступень усиления, называется каскадом. Усилитель состоит из активных и пассивных элемен­тов: к активным элементам относятся транзисторы, эл. микросхемы и другие нелинейные элементы, обладающие свойством изменять электропроводность между выходными электродами под воздействием управляюще­го сигнала на входных электродах. Пассивными эле­ментами являются резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и другие элементы, формирующие необхо­димый размах колебаний, фазовые сдвиги и другие па­раметры усиления. Таким образом, каждый каскад усилителя состоит из минимально не­обходимого набора активных и пассивных элементов.

    Структурная схема типичного многокаскадного усилителя приведена на рис. 2.

Рисунок 2. - Схема многокаскадного усилителя

    Входной каскад и предварительный усилитель предназначены для усиления сигнала до значения, необходимого для подачи на вход усилителя мощно­сти (выходного каскада). Количество каскадов предварительного усиления оп­ределяется необходимым усилением. Входной каскад обеспечивает, при необ­ходимости, согласование с источником сигнала, шумовые параметры усилителя и необходимые регулировки.

    Выходной каскад (каскад усиления мощности) предназначен для отдачи в нагрузку заданной мощности сигнала при минимальных искажениях его формы и максимальном КПД.

    Источни­ками усиливаемых сигналов могут быть микрофоны, счи­тывающие головки магнитных накопителей информации, различные преобразователи неэлектрических парамет­ров в электрические.

    Нагрузкой являются громкоговорители, электриче­ские двигатели, сигнальные лампы, нагреватели и т. д. Источники питания вырабатывают энергию с заданными параметрами — номинальными значениями напряжений, токов и мощности. Энергия расходуется в коллекторных и базовых цепях транзисторов, в цепях накала и анод­ных цепях ламп; используется для поддержания задан­ных режимов работы элементов усилителя и нагрузки. Нередко энергия источников питания требуется и для работы преобразователей входных сигналов.