2. Принцип действия усилителя

Принцип действия усилителя иллюстрирует схема (рисунок 10.6.) простейшего усилительного каскада, включенного по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Источник усиливаемого сигнала – источник с внутренним сопротивлением R_вн и ЭДС е_С=u_С., а источником питания служит ЭДС Е_к. В схеме усилителя для переменных составляющих положительное направление тока нагрузки i_Н принято к общей точке транзистора (эмиттеру).

Основными элементами схемы являются транзистор VT и резистор R_К. Конденсаторы С₁ и С₂ отделяют цепь постоянного тока (цепь питания) от цепи источника сигнала и приемника с сопротивлением нагрузки R_н. Резисторы R₁ и R₂ составляют цепь делителя напряжения, назначение которого установить постоянное напряжение на базе транзистора по отношению к земле. Резистор R_Э и конденсатор С_Э составляют цепь эмиттерной обратной связи. Напряжение на переходе эмиттерном переходе является разностью двух положительных напряжений: на резисторе R₂ и резисторе R_Э: .

Рисунок 10.6 – Усилительный каскад на биполярном транзисторе по

схеме включения с общим эмиттером (ОЭ)

Резисторы R₂ и R_Э, необходимы для стабилизации положения рабочей точки А при изменениях температуры окружающей среды, которая влияет на параметры транзистора: увеличиваются токи базы, эмиттера и коллектора. Ввод резистора R_Э в цепи эмиттера приводит к увеличению на нем напряжения, а одновременно к снижению напряжения U_БЭ и тока базы. Таким образом, реализуется отрицательная обратная связь и стабилизация режима покоя. Блокировочный конденсатор С_Э устраняет быстрые изменения напряжения на резисторе R_Э.

При поступлении на вход усилителя сигнала, он усиливается и снимается с выхода в противофазе по отношению к входному (рисунок 10.8).

Работу усилителя можно представить в виде наложения двух режимов: а) режима покоя, когда в цепи действует только постоянный ток от источника питания с ЭДС Е_к;

б) режима с переменными составляющими токов базы i_Б, коллектора i_К и нагрузки i_Н при источнике ЭДС е_С=u_С.

Режимы работы усилительных каскадов. В зависимости от положения рабочей точки в режиме покоя на входных и выходных характеристиках, а также величины усиливаемого напряжения различают основные режимы работы усилительных каскадов (классов усиления): А, В, АВ, С и D. Основными характеристиками режимов являются величины нелинейных искажений и КПД.

Режим А характеризуется выбором рабочей точки (рисунок 10.8) на линейном участке входной (в средней точке режима покоя выходной) характеристик транзистора. В этом случае нелинейные искажения усиливаемого напряжения минимальны, т.е. ток в выходной цепи протекает в течение всего периода изменения входного напряжения. Режим А применяют в маломощных каскадах (предварительных усилителях напряжения), но он имеет существенный недостаток – КПД≤50%.

В режиме В рабочую точку выбирают вначале выходной характеристики транзистора, называемой точкой отсечки. В этом режиме переменные составляющие тока и напряжения усилительного элемента возникают лишь в положительные полупериоды входного напряжения, т.е. нелинейные искажения очень большие. Для усиления как положительной, так и отрицательной полуволны входного сигнала применяются двухтактные усилители, которые изготавливаются в виде интегральной схем, что обеспечивает идентичность параметров транзисторов. Класс В используется в усилителях средней и большой мощности и характеризуется высоким КПД≈70%.

Режим АВ занимает промежуточное положение между А и В режимами, и характеризуется тем, что ток в выходной цепи протекает больше половины периода изменения входного напряжения. Используется при построении выходных каскадов усилителей мощности, т.к. имеет небольшие искажения выходного сигнала и достаточно высокий КПД.

В режиме С рабочую точку выбирают за точкой отсечки и ток в усилительном элементе возникает в течение некоторой части положительного полупериода входного напряжения. Этот режим сопровождается большими искажениями усиливаемого напряжения, и его применяют в избирательных усилителях (радиопередающих устройствах), которые благодаря наличию колебательных контуров выделяют из несинусоидального напряжения лишь основную гармонику, а КПД≈100%.

В режиме D усилительный элемент может находиться только в состоянии включено (режим насыщения транзистора) или выключено (режим отсечки). Данный ключевой режим используется в устройствах, основным требованием которых является получение максимального КПД, т. е устройства с автономным питанием, рассчитанные на длительный режим работы.

Выходное напряжение усилителя, работающего в режиме D, всегда имеет форму прямоугольного импульса, или его длительности, фазы и т.п.

Усилитель постоянного тока (УПТ) – устройство, предназначенное для усиления медленно изменяющихся сигналов вплоть до нулевой частоты, отличительной особенностью которого является отсутствие разделительных элементов, предназначенных для отделения усилительных каскадов друг от друга, а также от источника сигнала и нагрузки по постоянному току, т. е. используется непосредственная (гальваническая) связь.

Характерной чертой УПТ является также дрейф нуля – самопроизвольное отклонение выходного сигнала при ∆U_вх = 0, причинами возникновения которого являются нестабильность источников питания усилителей и изменение параметров полупроводниковых приборов и других элементов схемы в результате изменения температуры или старения элементов.

Для снижения дрейфа нуля в УПТ используются следующие способы: применение отрицательных обратных связей ООС; использование термокомпенсирующих элементов; преобразование постоянного тока в переменный; усиление переменного тока с последующим выпрямлением и применение дифференциальных каскадов.

Рисунок 10.8 – Выходные (а) и входные (б) характеристики транзистора