2.2 Работа усилительного элемента с нагрузкой

2.2.1 Анализ процесса усиления электрических сигналов

Одной из наиболее важных функций некоторых электронных приборов явля­ется усиление электрических сигналов. Усилить электрический сигнал — значит увеличить его мощность. Рассмотрим некоторые практические случаи, где тре­буется усиление электрических сигналов.

В сеть радиофикации крупного города включают тысячи громкоговорителей. Передача программы ведется с помощью микрофона, преобразующего звуковые колебания в электрические сигналы. Мощность на выходе микрофона составля­ет микроватты.

Эти очень слабые электрические сигналы подают на специаль­ные усилители, которые усиливают их до мощности, необходимой для питания всех громкоговорителей. Эта мощность составляет единицы и десятки киловатт.

При передаче телефонного разговора по междугородной кабельной линии связи имеет место аналогичное явление. На передающем конце происходит пре­образование речи в электрические сигналы, а на приемном конце — обратный процесс. В процессе передачи электрических колебаний по кабелю возникает за­тухание, то есть теряется мощность. Для нормальной работы телефонной между­городной связи эти электрические сигналы многократно усиливаются.

В телевизионных передающих трубках изображение преобразуется в элект­рические сигналы. Чтобы получить соответствующее изображение на экране ки­нескопа, требуется многократное усиление этих сигналов. Следовательно, усиле­ние электрических сигналов является одной из наиболее важных функций аппа­ратуры связи, вещания, телевидения.

Рисунок 3.1 – Структурная схема усилителя

Усилитель электрических сигналов представляет собой активный четырехпо­люсник (рисунок 3.1), к входным точкам которого подключается источник усиливае­мых сигналов с ЭДС EГ, к выходным точкам — потребитель усиленного сигнала, который будем называть нагрузкой усилительного элемента, — Rн. В качестве усилительных элементов (УЭ) используют биполярные и полевые транзисторы, и только для получения очень больших мощностей в нагрузке ис­пользуются электронные лампы. В цепь УЭ включается источник питания, который обеспечивает подачу по­стоянного напряжения на электроды УЭ.

ПОНЯТИЕ ОБ УСИЛЕНИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Рисунок 3.2 – Схема усилителя на биполярном транзисторе с ОЭ

Усилитель — это устройство, позволяющее получить мощность в нагрузке большую, чем подводимая к его входу, при сохранении информационных свойств сигнала. Напомним, что условием максимального выделения мощности в нагрузке яв­ляется согласование сопротивления Rн с выходным сопротивлением усилитель­ного элемента. Если выходное сопротивление усилительного элемента велико, то и сопро­тивление нагрузки Rн должно быть большим. Пусть УЭ — биполярный транзи­стор, работающий в активном режиме в схеме с ОЭ (рисунок. 3.2).

На вход транзистора, то есть на его эмиттерный переход, включенный в пря­мом направлении, подадим электрический сигнал u_вх. При этом изменения вход­ного напряжения Uвх вызовут значительные изменения входного тока I_Б. Ток коллектора на выходе получит, благодаря этому, приращение I_К =I_Бh_21Э. Этот ток вызовет на сопротивлении нагрузки приращение напряжения:

Uвых=I_КRн=I_Бh_21ЭRн. (9.1)

Напряжение Uвых больше, чем напряжение Uвх = I_БRвх, так как сопротивление Rн > Rвх, а ток I_К > I_Б.

Таким образом, схема обеспечивает усиление по току и по напряжению. Мощ­ность на входе Рвх = I²_БRвх, а мощность на выходе Рвых = I²_КRн; так как ток I_К > I_Б, a Rн > Rвх, то схема обеспечивает усиление и по мощности.

Аналогично можно пояснить принцип усиления с помощью полевого транзи­стора и электронной лампы. При этом в полевых транзисторах и лампах, работа­ющих обычно без входных токов, управление происходит эффективнее благода­ря тому, что у них большое Rвх и изменение тока на выходе при подаче входного сигнала происходит практически в отсутствие тока на входе.

Данный пример доказывает, что усилительные элементы действительно обла­дают способностью усиливать электрические сигналы.

Допустим, что на вход подан сигнал мощностью 1 Вт и усилен до 20 Вт. Мож­но ли считать, что затраченная мощность 1 Вт, а полезная мощность 20 Вт и КПД измеряется в тысячах процентов? Это — явный абсурд. Дело в том, что ма­лая мощность электрического сигнала на входе Рвх только управляет изменением тока и мощности на выходе Рвых, а затраченная мощность Ро создается источни­ком питания постоянного тока, который обязательно включен в данную схему. Чтобы получить на выходе требуемую полезную мощность Рвых, источник пита­ния должен затратить большую мощность Ро, и КПД усилителя, безусловно, бу­дет меньше 100 %.

Процесс усиления электрических сигналов по мощности является процессом преобразования мощности источника постоянного тока в мощность переменного тока, который меняется по закону изменения поданного на вход напряжения или тока усиливаемого электрического сигнала.

Существуют приборы, которые могут дать на выходе усиление либо по на­пряжению (например, повышающий трансформатор), либо по току (понижаю­щий трансформатор). Но в этих приборах не происходит усиления по мощности. Вследствие потерь в трансформаторе мощность на его выходе обязательно мень­ше, чем на входе.

Рисунок 3.3 – Схема включения транзистора в усилительный каскад (схема с ОЭ)

Характерная особенность электронных приборов, используемых для усиле­ния, заключается в том, что они всегда обеспечивают усиление входного сигна­ла по мощности. Рассмотрим еще один подход, поясняющий принцип усиления электрических сигналов. На рисунке 3.3 изображена схема усилительного каскада с транзистором типа nрn. Входное напряжение, которое необходимо усилить, подается от генератора сигналов на участок база-эмиттер. На базу подано также положительное смеще­ние от источника Е1, являющееся прямым напряжением для эмиттерного пере­хода. При этом в цепи базы протекает некоторый ток, а следовательно, входное сопротивление транзистора получается сравнительно небольшим.

Чтобы не происходила потеря части входного переменного напряжения на внутреннем сопротивлении источника Е₁, он зашунтирован конденсатором до­статочно большой емкости С₁. Этот конденсатор на самой низкой рабочей часто­те должен иметь сопротивление, во много раз меньшее входного сопротивления транзистора.

Цепь коллектора (выходная цепь) питается от источника Е2. Для получения усиленного выходного напряжения в эту цепь включена нагрузка Rн. Источник Е2 зашунтирован конденсатором С2 для того, чтобы не было потери части выходно­го усиленного напряжения на внутреннем сопротивлении источника Е2. На са­мой низкой частоте сопротивление этого конденсатора должно быть во много раз меньше сопротивления нагрузки Rн. В дальнейшем для упрощения схем конденсаторы С1 и С2 не всегда будут по­казаны. Можно считать, что они имеются внутри самих источников Е1 и Е2. Если эти источники являются выпрямителями, то в них всегда есть конденса­торы большой емкости для сглаживания пульсаций. Работа усилительного каскада с транзистором происходит следующим образом. Изобразим коллекторную цепи в виде эквивалентной схемы (рисунок 3.4).

Рисунок 3.4 – Эквивалентная схема коллекторной цепи усилительного каскада с транзистором

Напряжение источника Е₂ делится между сопротивлением нагрузки Rн и внутренним сопротивлением транзисто­ра r_о, которое он оказывает постоянному току коллектора.

Это сопротивление приближенно равно сопротивлению коллекторного перехода г_ко для постоянного тока. В дейст­вительности к сопротивлению г_КО еще добавляются неболь­шие сопротивления эмиттерного перехода, а также n- и p- об­ластей, но эти сопротивления можно не принимать во вни­мание.

Если во входную цепь включается генератор сигналов, то при изменении его напряжения изменяется ток эмиттера, а следовательно сопротивление г_КО. Тогда напряжение ис­точника Е₂ будет перераспределяться между Rн и г_ко.

При этом переменное напряжение на резисторе нагрузки может быть получено в де­сятки раз большим, чем входное переменное напряжение. Изменения тока кол­лектора почти равны изменениям тока эмиттера и во много раз больше изменений тока базы. Поэтому в рассматриваемой схеме получается значительное усиление мощности. Усиленная мощность является частью мощности, затрачиваемой ис­точником Е₂.