2. Усилители на биполярном транзисторе

2.1. Общие сведения

Усилители электрического сигнала представляют собой устройства для его усиления по напряжению, току или мощности за счет преобразования энергии источника питания в энергию выходного сигнала. Они имеют входную цепь, к которой подключается источник усиливаемого сигнала, выходную цепь, к которой подключается нагрузка, потребитель усиленного сигнала, а также цепь питания, к которой подключается источник, за счет энергии которого происходит усиление сигнала.

Рис.2.1. К определению коэффициента

усиления усилителя.

Основными параметрами усилителя являются:

- коэффициент усиления по напряжению

K_u = ,

где U_вх иU_вых – напряжения на входе и выходе усилителя (см. рис.2.1),

- коэффициент усиления по току

K_I = ,

где I_вх иI_вых –токи на входе и выходе усилителя;

- коэффициент усиления по мощности

K_р = == K_u K_I,

где Р_вх иР_вых – входная и выходная мощности.

Усилители могут работать либо в линейном, либо в нелинейном режимах. В линейном режиме мгновенные значения выходного напряжения пропорциональны мгновенным значениям входного напряжения, а, следовательно, при усилении не вносятся искажения в спектр входного сигнала. В нелинейном режиме пропорциональность между мгновенными значениями выходного и входного напряжений отсутствует и спектр выходного сигнала не совпадает со спектром входного.

По диапазону усиливаемых частот усилители разделяют на усилители постоянного тока (УПТ), предназначенные для усиления сигнала, уровень которого медленно изменяется во времени, и усилители переменного тока, которые в свою очередь подразделяются на усилители низкой частоты, усилители высокой частоты, а также на широкополосные и узкополосные усилители.

2.1. Усилительный каскад на биполярном транзисторе

Схема усилительного каскада на биполярном транзисторе приведена на рис.2.2. В ней транзистор включен по схеме с общим эмиттером. Усиление осуществляется за счет преобразования энергии источника питания Е, который подключен к клеммам «Е- земля» в энергию выходного сигнала. Источник входного сигналае_гподключен к входным клеммам усилительного каскада, а к выходным клеммам подключена нагрузка (резисторR_н).

Рис.2.2. Схема усилительного каскада ОЭ

Преобразование энергии источника Ев энергию усиливаемого сигнала происходит в нелинейном элементе, каким является транзистор, сопротивление которого зависит от величины входного сигнала. Поскольку резисторRвключен последовательно с транзистором, то величина коллекторного тока, протекающего через этот резистор, изменяется при изменении входного напряжения. Поэтому и напряжение, снимаемое с точки «а» схемы рис.2.2, которое является выходным, также изменяется с изменением входного напряжения. Действительно, цепь, включающая транзистор, можно представить как делительную цепочку, приведенную на рис.2.3, к которой подводится напряжение Е, а с точки а снимается напряжениеU_вых. Эти напряжения связаны между собой как

U_вых= . (2.1)

Поскольку напряжение Е- постоянное, то при изменении сопротивления резистораR_трпроисходит изменение выходного напряжения. При переменном напряжении, подаваемом на вход каскада, выходное напряжение изменяется с частотой входного сигнала. Следовательно, наличие в схеме резистораRобуславливает усилительные свойства каскада. При отсутствии этого резистора выходное напряжение будет равно Е, величина которого не зависит от входного напряжения.

Рис.2.3. Эквивалентное представление цепи усилительного

каскада, содержащего транзистор

Входное переменное напряжение поступает на вход транзистора через конденсатор С. Этим конденсатором устраняется влияние цепи постоянного тока усилительного каскада на работу задающего генератора. Выходное переменное напряжение снимается с точки “а” схемы и через конденсатор Споступает на выход усилительного каскада. Конденсатор Собеспечивает пропускание лишь переменной составляющей напряжения от транзистора к нагрузке. Конденсаторы Си Сназываются разделительными.

Цепочка резисторов RиRявляется делителем напряжения источника питания Еи обеспечивает заданный режим базовой цепи транзистора по постоянному току (режим покоя). Этой цепочкой достигается питание входной и выходной цепей транзистора от одного источника.

Обоснование необходимости введения резистора Rи конденсатораСбудет проведено ниже.