Практически на всех частотах существует воздействие выходных

цепей на входные цепи через междуэлектродные сопротивления.

Для уменьшения этого воздействия в схемах транзисторных уси-

лителей предусматривают меры, повышающие устойчивость их ра-

боты. Велика зависимость параметров транзисторов от температу-

ры. Это вынуждает принимать специальные меры для стабилизации

режима работы усилительных каскадов, что усложняет их схемы.

7.3. Обратные связи в усилителях

Под обратной связью (ОС) понимают передачу части напряже-

нияилитокасвыходаусилителянаеговход. ОСможетбытьполез-

ной, еслионасоздаётся искусственно ислужитдляулучшения каче-

ства усилителя, и паразитной, если возникает из-за самопроизволь-

ного влияния выходной цепи на его входные цепи. Структурная

схема усилителя с ОС на рис. 7.5. Усилитель с коэффициентом уси-

ления К и звено ОС с коэффициентом передачи ОС β показаны в

виде четырёхполюсников.

Коэффициент передачи об-

ратной связи β показывает,

какую часть от выходного

напряжения Uвых составляет

напряжение обратной связи

Uос, передаваемое на вход

усилителя. Обычно β < 1, по-

этому Uос = = βUвых. Схемы

Рис. 7.5. Обратная связь в усилителях

обратной связи бывают пос-

(структурная схема)

ледовательными, когда на-

F

пряжение ОС подаётся на

вход усилителя последовательно с входным сигналом (рис. 7.5), и

параллельными, когда напряжение ОС подаётся на вход усилителя

параллельно входному сигналу (рис. 7.6). Обратная связь может

быть положительной (ПОС) и отрицательной (ООС): при ПОС

напряжение UОС совпадает по фазе с входным напряжением Uвх, в

результате чего к входной цепи прикладывается напряжение

U′вх=Uвх+ UОС; приООСнапряжениеUОС находитсявпротивофа-

зе с входным напряжением Uвх. В результате к входной цепи при-

кладывается напряжение U′вх = Uвх – UОС. В зависимости от спосо-

136

ба подключения звена ОС к

выходу усилителя различают

ОСпонапряжениюипотоку.

В схемах усилителей с ОС по

напряжению

напряжение

UОС, передаваемое на вход

усилителя с его выхода, про-

порциональновыходномуна-

Рис. 7.6. Обратная связь, параллельная

пряжению U

(рис. 7.7), а в

вых

по напряжению

схемах усилителей с ОС по

току — пропорционально

токунагрузкиIннавыходеус-

тройства (рис. 7.8).

Если напряжение ОС со-

стоит из двух составляю-

щих, одна из которых про-

порциональна входному на-

пряжению, а другая — току,

тополучаетсясмешаннаяОС.

Коэффициент усилителя,

Рис. 7.7. Обратная связь, последова-

охваченногоцепьюОС, пред-

тельная по напряжению

ставляетсобойотношениевы-

ходногоUвых напряженияквходномуUвх, подаваемомуотисточника

сигнала.

КОС = Uвых /Uвх = Uвых/(U′вх − (±βUвых)).

7.21

После преобразований

K

КОС= 1 −(±βK ),

7.22

где K = Uвых /Uвх.

Произведение ±βK есть

факторОС, знакегонесо-

впадает со знаком самой

обратнойсвязи. ПриПОС

коэффициент усиления

возрастает, а при ООС —

уменьшается. Однако про-

Рис. 7.8. Обратная связь последовательная

игрыш в усилении при

по току

137

ООС компенсируется значительным качественным выигрышем —

уменьшаются частотные и нелинейные искажения и влияние вся-

кого рода помех, поступающих на вход усилителя, так как на-

пряжение ОС находится в противофазе с ними.

7.4. Каскады предварительного усиления

Эмиттерный повторитель

Эмиттерный повторитель — это усиленный каскад, у которого

нагрузка включена в цепь эмиттера (рис. 7.9). Исходное состояние

транзистора — открыт или закрыт — зависит от функции, выполня-

емой эмиттерным повторителем в схеме какого-либо устройства.

На рис. 7.9, а в исходном состоянии транзистор VT эмиттерного

повторителя открыт отрицательным напряжением смещения, пода-

ваемымнабазутранзистораот— ЕК черезрезисторRсм. Дляоткры-

того состояния транзистора характерно малое сопротивление пере-

хода эмиттер-база, падение напряжения на котором незначительно

(0,2—0,3 В), поэтомунапряжениенаэмиттере(навыходе) равнопри-

мерно напряжению на базе, т.е на входе схемы. Когда на вход посту-

паетуправляющийимпульсположительнойполярности, транзистор

закрывается и потенциал эмиттера (выхода) становится нулевым

(+ЕК), т.е. повышается. Для эмиттерного повторителя характерно,

чтополярность выходного импульса совпадает сполярностью вход-

ногоимпульса. Коэффициентусиленияпонапряжениюэмиттерного

повторителя равен kU = Uвых /Uвх ≈ 1, так как Uвых ≈ Uвх; коэффици-

ент усиления по току k1

= IЭ / IБ = β + 1. Так как

ток эмиттера во много

раз больше тока базы,

эмиттерный повтори-

тель представляет собой

усилитель тока.

В схеме на рис. 7.9, б

Рис. 7.9. Схема эмиттерного повторителя:

в исходном состоянии

а— савтоматическимсмещением; б— сфик-

транзистор VT закрыт

сированным смещением)

напряжением положи-

138

тельногосмещения+Ucм, подаваемымчерезRсмнаегобазу. Дляпере-

ключениятранзисторавоткрытоесостояниенаегобазуподаютотри-

цательныйуправляющийимпульсинаеговыходе, какинавходе, об-

разуетсяотрицательныйимпульс. Положительноенапряжениесмеще-

ния обычно выбирают небольшой величины, чтобы оно было

достаточно только для ограничения входного импульса по миниму-

му. Эмиттерныйповторительвотличиеотинвертора-усилителянетре-

буетзащитыотнулевоготокаколлектораIК0. ТокIК0 обычносоздает

насопротивлениивцепибазынебольшоепадениенапряжения, состав-

ляющее несколько вольт, и в инверторах такое значение напряжения

можетоказатьсядостаточным, чтобыполностьюоткрытьтранзистор.

В эмиттерном повторителе такое изменение напряжения на входе не

приведет к значительному изменению напряжения на выходе, так как

kU ≈ 1; оно будет равноценно помехе, значение напряжения которой

навыходеоченьмалопосравнениюснапряжениемполезногосигнала.

Резисторные усилители напряжения на транзисторах

с фиксированным током базы

Схема усилителя напряжения с фиксированным током базы

(рис. 7.10, а) — простейшая из схем с питанием от одного источни-

канапряжения ЕК. Приотсутствии сигнала навходечерез эмиттер-

но-базовую цепь протекает ток IБ0. Силу тока покоя IБ0 выбирают

всерединединамическойвыходнойхарактеристики(точкаАна рис.

7.10, б), чтобы обеспечить усиление входного сигнала с наимень-

Рис. 7.10. Схема резистивного усилителя напряжения с фиксированным

током базы (а), его выходные характеристики (б)

139

базы приводит к значительно

меньшему перемещению рабочей

точки ( значительно ниже точки

А', показанной на рис. 7.10, б). За-

висимость между током IБ0

и ре-

зистором RБ

базы находится из

следующегоуравнения(рис. 7.11):

UКЭ

= UБЭ + URБ= = UБЭ

+ IБ0RБ,

откуданеобходимаявеличинаRБ

Рис. 7.11. Схема стабильного уси-

привыбранномтокеIБ0 будетRБ=

= (U

КЭ

– U

БЭ

) /I

Б0

≈ U

КЭ

/I

Б0

(так

лителя с отрицательной обратной

связью по напряжению

как UБЭ << UКЭ).

Анализ формулы показывает,

что уменьшение напряжения на коллекторе UКЭ, вызванное увеличе-

ниемтокапокояколлектораипадениемнапряженияURК нарезисто-

ре RК, приводит к уменьшению тока отрицательного смещения эмит-

терного перехода, т.е. к снижению поступления основных носителей

тока из эмиттера в базу и уменьшению токов базы и коллектора.

Рассмотренная на рис. 7.11 схема усилителя отличается от уси-

лителя, изображенного нарис. 7.10, а, наличиемотрицательной об-

ратной связи по напряжению, так как выходное напряжение через

сопротивление обратной связи RБ вводится во входную цепь.

Схемастабильногоусилителясотрицательнойобратнойсвязью

по постоянному току и делителем напряжения приведена на рис.

7.12. В этой схеме в цепи эмиттера включен стабилизирующий ре-

зисторRЭ, падениенапряжения

UЭ на котором, пропорцио-

нальноетокуэмиттераIЭ, явля-

ется обратным для перехода

эмиттер — база (полярность

URЭ

показананарезистореRЭ).

Это означает, что в схеме суще-

ствуетотрицательнаяобратная

связь по току, которая автома-

тически стабилизирует режим

Рис. 7.12. Схема стабильного усили-

работы усилителя при измене-

ниях параметров транзистора.

теля с делителем напряжения

142

торое составляет примерно 0,2ЕК. Сопротивление резисторов R1 и

R2 находят по следующим выражениям:

R

= EК − IЭ0 RЭ −UБЭ ; R

2

= IЭ0 R0 +UБЭ.

7.23

1

IБ0 + Iд

Iд

Здесь рассмотрены схемы усилителей напряжения на резисторах

с использованием транзисторов типа p-n-p, однако в устройствах

защиты, автоматики и телемеханики нередко применяют усилите-

ли на транзисторах типа n-p-n.

Отличие усилителя на транзисторе типа n-p-n состоит в том, что

коллектор присоединен к + ЕК, а эмиттер к – ЕК. Ток коллектора IК

будет иметь наибольшее значение, когда от датчика сигналов на

базу будет подаваться положительный потенциал относительно

эмиттера. В этом случае возрастает потенциал базы относительно

эмиттераибольшееколичествоэлектроновинжектируетсяизэмит-

тера в базу и соответственно большее количество электронов по-

ступает избазывколлектор поддействием +ЕК. Врезультате полу-

чаем увеличение тока коллектора и выходного напряжения. При

подаче отрицательного сигнала на вход усилителя понижается по-

тенциал базы относительно эмиттера, уменьшается инжекция элек-

тронов из эмиттера в базу и поступление их в коллектор, что при-

водиткуменьшениюколлекторноготокаивыходногонапряжения.

Резисторные усилители на полевых транзисторах

Полевойтранзисторможновключитьвусилительнуюсхемутре-

мя способами: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и об-

щим затвором (ОЗ). Наибольшее применение на практике получи-

ла схема с ОИ, аналогичная би-

полярному

транзисторному

варианту с общим эмиттером.

Схемаусилительногокаскада

на полевом транзисторе с затво-

ром в виде p-n перехода и p ка-

налом изображена на рис. 7.13.

В ней использован один источ-

Рис. 7.13. Усилительный каскад на

ник питания ЕС для стока и зат-

вора. Начальный режим работы

полевом транзисторе с ОИ

144

и в усилителе на биполярном транзисторе, падение напряжения на

резисторе RС имеет постоянную и переменную составляющие. Па-

дение напряжения на резисторе RС от переменной составляющей

представляет выходное напряжение Uвых, которое конденсатором

Ср2 отводится на резистор нагрузки Rн.

Трансформаторные усилительные каскады

Отличие трансформаторного усилителя (рис. 7.14) от усилителя

на резисторах (рис. 7.12) в том, что в коллекторную цепь транзисто-

ра вместо резистора включена первичная обмотка трансформато-

ра Т. Коллекторный ток IК, состоящий из постоянной и перемен-

нойсоставляющей, протекаетпопервичнойобмоткеI исоздаетдва

магнитныхпотокавсердечникетрансформатора: постоянныйипе-

ременный. Во вторичной обмотке трансформатора Т наводится

ЭДСтолькопеременныммагнитнымпотоком; постоянныймагнит-

ный поток, хотя и охватывает вторичную обмотку, но, не изменя-

ясь во времени по величине и знаку, не наводит в ней ЭДС. Через на-

грузкуRн, подключеннуюковторойобмоткетрансформатора, про-

текают токи усиливаемых сигналов. В данном усилителе не надо

ставить разделительного конденсатора, так как трансформатор по

принципу своейработынепропускает вовторуюобмоткупостоян-

нуюсоставляющуюколлекторноготока. Коэффициентусилениятранс-

форматорногоусилителя, какидляусилителянарезисторах, представ-

ляетотношениенапряжений

выходного Uвых к входному

Uвх.

Трансформаторныеуси-

лители находят широкое

применение, так как позво-

ляют легко согласовывать

сопротивление выходной

цепи с низкоомным сопро-

тивлением нагрузки, что

достигается подбором ко-

эффициента трансформа-

Рис. 7.14. Схема трансформаторного уси-

ции. Оченьважноедостоин-

ство трансформаторного

лителя

146

Рис. 7.15. Характеристики трансформаторного усилителя мощности:

а — выходные; б — входная

мальный ток базы IБmax, при котором ток коллектора достигает

значения Iкmax (в нашем случае при IБ5).

7. По площади треугольника АВС определим выходную мощ-

ность каскада при максимальном уровне входного сигнала (пико-

вую мощность) с учетом КПД выходного трансформатора

Рвыхmax = ηтIК0UКк0/2,

(7.27)

где IК0 — амплитуда тока коллектора, соответствующая макси-

мальному уровню входного сигнала. Из рис.7.15, а видно, что

IК0 = IКmax − IКmin

и UК0 = UКЭmax −UКЭmin ,

(7.28)

2

2

поэтому

Pвых max = ηт(IКmax − IКmin ) (UКЭmax −UКЭmin ) / 8.

(7.29)

8. По входной характеристике транзистора (рис. 7.15, б) найдем

максимальное напряжение базы UБЭ, представляющие собой раз-

ность напряжений UБЭmax и UБЭmin, найденных соответственно по

току IБmax и току IБmin. Тогда амплитуды переменного тока и на-

пряжения на базе:

IБ = (IБmax – IБmin)/2 и UБ = (UБЭmax – UБЭmax)/2.

(7.30)

9. Входнуюмощностьусилителя, которуюдолженразвиватьпре-

дыдущий усилительный каскад, определяем по площади треуголь-

ника А'В'C':

148