Глава 27. Самопроверка

1. Какие четыре параметра надо учитывать при выборе трансформатора для блока питания?

2. Каково назначение трансформатора в блоке питания?

3. Для каких целей служит выпрямитель в блоке питания?

4. Каковы достоинства и недостатки двухполупериодного и мостового выпрямителей?

5. Опишите процесс, с помощью которого фильтрующий конденсатор преобразует пульсирующее постоянное на­пряжение в сглаженное.

6. На основе каких соображений выбирается величина фильтрующего конденсатора?

7. Как последовательный стабилизатор поддерживает вы­ходное напряжение на постоянном уровне?

8. Какие характеристики цепи должны быть известны при выборе стабилизирующей цепи?

9. Для каких целей служат умножители напряжения?

10. Каковы преимущества двухполупериодного удвоителя напряжения по сравнению с однополупериодным удво­ителем напряжения?

11. Какие устройства используются для защиты от превы­шения напряжения?

12. Какие устройства используются для защиты от превы­шения тока?

ЦЕЛИ

После изучения этой главы студент должен быть в со­стоянии:

• Описать назначение усилителя.

• Перечислить три основных типа транзисторных усили­тельных цепей.

• Перечислить классы усилителей.

• Описать работу усилителей с непосредственной связью, усилителей звуковой частоты, видеоусилителей, усили­телей радиочастоты, усилителей промежуточной часто­ты и операционных усилителей.

• Нарисовать принципиальные схемы усилителей различ­ных типов.

Усилители — это электронные цепи, используемые для увеличения амплитуды электрического сигнала. Цепь, рас­считанная на преобразование низкого напряжения в вы­сокое, называется усилителем напряжения. Цепь, рассчи­танная на преобразование слабого тока в большой по ве­личине, называется усилителем тока.

28-1. ТИПЫ УСИЛИТЕЛЕЙ

Для обеспечения усиления транзистор должен принять входной сигнал и выдать выходной, значительно больший, чем входной.

Входной сигнал управляет током, текущим через тран­зистор. Этот ток, в свою очередь, управляет напряжением на нагрузке. Транзисторная цепь рассчитана таким обра­зом, чтобы брать напряжение от внешнего источника пи­тания (V_cc) и подавать его на резистор нагрузки (RJ в виде выходного напряжения.

Транзистор используется, главным образом, как усили­тельное устройство. Существует несколько способов вклю-

чения в цепь транзистора: схема с общей базой, схема с общим эмиттером и схема с общим коллектором. В каж­дой из этих схем один из выводов транзистора служит об­щей точкой, а два других являются входом и выходом. Каждая схема может быть собрана как с р-п-р, так и с п- р-п транзистором. В каждом случае на переход эмиттер- база подается напряжение смещения в прямом направле­нии, а на переход коллектор-база — в обратном. Каждая схема имеет преимущества и недостатки.

В схеме с общей базой (рис. 28-1) входной сигнал пода­ется в цепь эмиттер-база, а выходной наблюдается в цепи коллектор-база. База является общим элементом для вхо­да и выхода.

В схеме с общим эмиттером (рис. 28-2) входной сигнал подается в цепь эмиттер-база, а выходной сигнал снимается

Рис. 28-1. Схема уси­лителя с общей базой.

Рис. 28-2. Схема усили­теля с общим эмиттером.

Рис. 28-3. Схема усилите­ля с общим коллектором.

с нагрузки в цепи коллектор-эмиттер. Эмиттер является об­щим для входа и выхода. Этот способ включения транзи­стора используется наиболее широко.

Третий тип соединения (рис. 28-3) — это схема с общим коллектором. В этой схеме входной сигнал подается в цепь база-коллектор, а выходной сигнал снимается с цепи эмит- тер-коллектор. Здесь коллектор является общим для вхо­да и выхода. Эта схема используется для согласования им- педансов.

Тнп цепн	Входное	Выходное	Усиление	Усиление	Усиление
	сопротив­	сопротив­	по напря­	по току	по мощ­
	ление	ление	жению		ности
Общая база	Низкое	Высокое	Высокое	Меньше 1	Среднее
Общий эмиттер	Среднее	Среднее	Среднее	Среднее	Высокое
Общий коллектор	Высокое	Низкое	Меньше 1	Среднее	Среднее

Рис. 28-4. Характеристики усилительных цепей.

В таблице, изображенной на рис. 28-4, приведены вход­ные и выходные сопротивления, а также величина усиле­ния по напряжению, току и мощности для трех схем вклю­чения транзистора. На рис. 28-5 показаны фазовые соот­ношения входного и выходного сигналов для трех схем включения транзистора. Заметим, что схема с общим эмит-

Тип усилителя	Форма вход­ного сигнала	Форма выход­ного сигнала
Общая база	Г\ ,	Г\ ,
		и
Общий	r\ J	k Г\
эмиттер	и	и
Общий	О .	л ,
коллектор	и	V

Рис. 28-5. Фазовые соотношения между входным и выход­ным сигналами уси­лительных цепей.

тером обеспечивает изменение фазы выходного сигнала на 180° по отношению к фазе входного.

28-1. Вопросы

1. Нарисуйте схемы трех основных конфигураций транзи­сторных усилительных цепей.

2. Перечислите характеристики:

а. Цепи с общей базой;

б. Цепи с общим эмиттером;

в. Цепи с общим коллектором.

3. Составьте таблицу, показывающую фазовые соотноше­ния входного и выходного сигналов для трех схем вклю­чения транзистора.

4. Составьте таблицу, показывающую входные и выходные сопротивления для трех схем включения транзистора.

5. Составьте таблицу, показывающую усиление по напря­жению, току и мощности для трех схем включения транзистора.

28-2. ЦЕПИ СМЕЩЕНИЯ УСИЛИТЕЛЯ

Основными конфигурациями транзисторных усилитель­ных цепей являются схемы с общей базой, с общим эмит­тером и с общим коллектором. Для подачи правильного напряжения смещения на п-р-п или р-п-р переходы все они требуют двух источников тока. На переход база-эмиттер должно быть подано смещение в прямом направлении, а на переход база-коллектор — в обратном направлении. Однако оба напряжения смещения могут быть обеспечены с помощью одного источника тока.

Поскольку цепи с общим эмиттером используются наи­более часто, они детально описываются. Те же принципы применимы и к цепям с общей базой и общим коллектором.

Вход

Ф Земля

Рис. 28-6. Усилитель с об­щим эмиттером и одним источником питания.

Выход

Рис. 28-7. Схематическое представление усилителя с общим эмиттером и од­ним источником питания.

На рис. 28-6 изображен транзисторный усилитель с об­щим эмиттером, использующий один источник питания. Эта же цепь схематически изображена на рис. 28-7. Источ­ник питания обозначен +V_CC. Символ заземления является

отрицательным выводом источника питания V_cc. Один ис­точник питания обеспечивает подачу правильного напря­жения смещения для переходов база-эмиттер и база-кол­лектор. Два резистора (R_B и R_L) используются для распре­деления напряжения, обеспечивающего правильную работу транзистора. Резистор R_L, сопротивление нагрузки коллек­тора, соединен последовательно с коллектором. Когда через коллектор течет ток, на резисторе R_L появляется падение на­пряжения. Падение напряжения на резисторе R_L и падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора должны в сумме равняться приложенному напряжению.

Резистор R_B, соединяющий базу с источником питания, управляет величиной тока базы. Ток базы, текущий через резистор R_B, создает на нем падение напряжения, состав­ляющего большую часть напряжения источника питания. Меньшая часть этого напряжения падает на переходе база- эмиттер транзистора, обеспечивая правильное прямое сме­щение.

Один источник питания может обеспечить необходимые напряжения прямого и обратного смещения. В случае п-р-п

транзистора потенциал на базе и коллекторе транзистора должен быть положительным по отношению к эмиттеру. Следовательно, источник питания может быть связан с базой и коллектором через резисторы R_B и R_L. Эту цепь ча­сто называют цепью смещения базы, так как ток базы уп­равляется величиной резистора R_B и напряжением источ­ника питания.

Входной сигнал подключается между базой транзисто­ра и его эмиттером или между выводом входа и землей. Значение входного сигнала либо складывается с прямым смещением на эмиттерном переходе, либо вычитается из него. Это служит причиной изменения коллекторного тока, что, в свою очередь, приводит к изменению падения напря­жения на резисторе R_L. Выходной сигнал появляется меж­ду выводом выхода и землей.

Цепь, изображенная на рис. 28-6, является нестабильной, так как она не может компенсировать изменения тока сме­щения при отсутствии сигнала. Изменения температуры приводят к изменению внутреннего сопротивления транзи­стора, что заставляет изменяться ток смещения и сдвигает рабочую точку транзистора, уменьшая его усиление. Этот процесс называется температурной нестабильностью.

Существует возможность компенсации температурных изменений в схеме транзисторного усилителя посредством организации отрицательной обратной связи в нем. Если часть нежелательного выходного сигнала подать на вход цепи, этот сигнал будет противодействовать изменениям в транзисторе. Такой процесс называется отрицательной об­ратной связью (рис. 28-8). В цепи, использующей отрица­тельную обратную связь, базовый резистор R_B соединен не­посредственно с коллектором транзистора. Если температура увеличивается, то ток коллектора и падение напряжения на резисторе R_L тоже увеличиваются. Напряжение коллек- тор-эмиттер уменьшается, уменьшая также напряжение приложенное, к R_B. Это уменьшает ток базы, что служит причиной уменьшения тока коллектора. Таким образом действует коллекторная цепь обратной связи.

<		,+Ч;с
о — *	(Р	Выход

Рис. 28-8. Усилитель с об­щим эмиттером и коллек­торной обратной связью.

Рис. 28-9. Усилитель с общим эмиттером и эмит- терной обратной связью.

с
	:вв :
0—1	■ СР	Ч Выход

Вход

Увеличение температуры служит причиной увеличения коллекторного тока. Ток эмиттера также увеличивается, увеличивая падение напряжения на резисторе R_E и умень­шая падение напряжения на резисторе R_B. Ток базы умень­шается, что уменьшает как ток коллектора, так и ток эмит­тера. Поскольку сигнал обратной связи создается на эмит­тере транзистора, эта цепь называется цепью эмиттерной обратной связи.

В цепи этого типа происходит уменьшение общего усиле­ния цепи, связанное с тем, что входной сигнал переменного тока появляется как на резисторе R_L, так и на резисторе R_e и на транзисторе. При подсоединении конденсатора па­раллельно резистору R_e (рис. 28-10), сигнал переменного тока обходит резистор R_E, так как сопротивление конден

На рис. 28-9 показан другой тип обратной связи. Эта цепь похожа на цепь, изображенную на рис. 28-7, за ис­ключением того, что последовательно с выводом эмиттера включен резистор R_E. Резисторы R_B и R_E и переход тран­зистора эмиттер-база соединены последовательно с источ­ником питания У_сс.

Рис. 28-10. Эмиттерная обратная связь с блокиро­вочным конденсатором.

Вход

Выход

сатора существенно меньше R_r Этот конденсатор часто на­зывают блокировочным конденсатором.

Блокировочный конденсатор устраняет любые быстрые изменения напряжения на резисторе R_E, благодаря тому, что он обладает низким импедансом для переменного тока. Блокировочный конденсатор удерживает напряжение на резисторе R_E неизменным, в то же самое время не мешая работе цепи обратной связи, обеспечиваемой R_E.

Цепь обратной связи с делителем напряжения обеспе­чивает большую стабильность транзистора (рис. 28-11). Эта цепь используется наиболее широко. Резистор R_B заменя­ется двумя резисторами, R, и R₂. Эти соединенные после­довательно резисторы подключены параллельно источни­ку питания У_сс. Резисторы делят напряжение питания на два напряжения, образуя делитель напряжения.

Выход

Рис. 28-11. Усилитель с общим эмиттером и об­ратной связью на основе делителя напряжения.

На резисторе R₂ падает меньшее напряжение, чем на резисторе R_r Напряжение на базе по отношению к земле равно падению напряжения на резисторе R₃. Цель дели­теля напряжения — установить постоянное напряжение на базе транзистора по отношению к земле. Ток, текущий

через резистор R₂, направлен к базе. Следовательно, под­соединенный к базе конец резистора R₂, имеет положитель­ный потенциал по отношению к земле.

Так как через резистор R_E течет ток эмиттера, то на кон­це резистора R_E, подсоединенном к эмиттеру, положитель­ный потенциал по отношению к земле. Напряжение на переходе эмиттер-база является разностью двух положи­тельных напряжений — напряжения на резисторе R₂ и на­пряжения на резисторе R_E. Для того, чтобы на транзисто­ре имело место правильно приложенное прямое смещение, положительный потенциал базы должен быть немного выше положительного потенциала эмиттера.

При увеличении температуры токи коллектора и эмит­тера также увеличиваются. Увеличение тока эмиттера приводит к увеличению падения напряжения на резисто­ре R_E. Это приводит к тому, что положительный потенци­ал эмиттера по отношению к земле увеличивается. Тогда прямое смещение перехода эмиттер-база уменьшается, что приводит к уменьшению тока базы. Уменьшение тока базы уменьшает токи коллектора и эмиттера. Противодействие также имеет место и при погижении температуры: ток базы увеличивается, что приводит к увеличению токов эмиттера и коллектора.

Усилители, обсуждавшиеся до сих пор, имели такое напряжение смещения, что выходной сигнал был таким же, как и входной сигнал в течение всего периода, только величина его была больше. Усилитель, смещение которо­го такое, что ток через него течет и усиливается во время всего периода сигнала, называется усилителем, работаю­щим в классе А (рис. 28-12).

Усилитель, смещение которого таково, что выходной ток через него течет и усиливается в течение времени меньшем, чем полный период, но большем половины периода, назы­вается усилителем, работающим в классе АВ (рис. 28-13).

Усилитель, смещение которого такое, что выходной ток через него течет только половину периода входного сигна­ла — это усилитель, работающий в классе В. Только во вре-

Выход

Вход

Рис. 28-12. Выход­ное напряжение уси­лителя класса А.

,ЁЬ

^ctr

Рис. 28-13. Выход­ное напряжение уси­лителя класса АВ.

Выход

Вход

о

Выход

Рис. 28-14. Выходное напряжение усилителя класса В.

Вход

>lov-

V

Рис. 28-15. Выход­ное напряжение уси­лителя класса С.

Выход

Вход

мя половины периода входной сигнал переменного тока усиливается в режиме класса В (рис. 28-14).

Усилитель, смещение которого такое, что выходной ток через него течет меньше, чем половину периода входного сигнала переменного тока — это усилитель, работающий в классе С. Меньше, чем половина периода входного сиг­нала усиливается в режиме класса С (рис. 28-15).

Усилители класса А создают наименьшие искажения и называются линейными. Они также имеют самую низкую выходную мощность и наименее эффективны. Усилители класа А находят широкое применение в тех случаях, когда требуется точное сохранение входного сигнала, как, напри­мер, при усилении сигналов звуковой частоты в радиопри­емниках и телевизорах. Однако из-за высоких требований по мощности, транзисторы обычно работают в режиме класса АВ или класса В.

JqI Раздел 4

¹—-лгжз/ ни.

Усилители классов АВ, В и С вносят значительные ис­кажения. Это обусловлено тем, что они усиливают толь­ко часть входного сигнала. Для усиления полного вход­ного сигнала переменного тока необходимы два транзис­тора, соединенные в двухтактную схему (рис. 28-16). Усилители класса В используются в качестве выходных каскадов в стереосистемах и мощных концертных усили­телях, а также в промышленности. Усилители класса С используются в качестве усилителей высокой мощности в передатчиках, где необходимо усиление только одной частоты, например в радио и телевизионных передатчи­ках.

О

Рис. 28-16. Схема двухтактного усилителя.

28-2. Вопросы

1. Нарисуйте схему транзисторного усилителя с общим эмиттером, использующего один источник питания.

2. Как компенсируются изменения температуры в транзи­сторном усилителе?

3. Нарисуйте схему цепи обратной связи с делителем на­пряжения.

4. Перечислите классы усилителей и укажите их выход­ные мощности.

5. Перечислите применения усилителей каждого класса.

28-3. СОЕДИНЕНИЕ УСИЛИТЕЛЕЙ

Для получения большого усиления, транзисторные усилители могут быть соединены вместе. Однако для из­бежания влияния смещения одного усилителя на работу другого, они должны соединеняться специальным образом. Используемый метод соединения усилителей не должен на­рушать работу какой-либо цепи. Возможны следующие методы соединения усилителей: посредством резистивно­емкостной, импедансной, трансформаторной и непосред­ственной (гальванической) связей.

Резистивно-емкостная связь или RC связь состоит из двух резисторов и конденсатора, соединенных как показа­но на рис. 28-17. Резистор R₃ является коллекторной на­грузкой первого каскада. Конденсатор С_х является блоки­рующим для постоянного тока и конденсатором связи для переменного тока. Резистор R₄ является входной нагруз­кой, а также замыкает по постоянному току цепь перехо­да база-эмиттер второго каскада. Резистивно-емкостная связь используется, главным образом, в усилителях низ­кой частоты.

Конденсатор связи С_х должен иметь низкое реактивное сопротивление для минимизации ослабления сигнала на низких частотах. Обычно используется емкость в пределах от 10 до 100 микрофарад. Конденсатор связи обычно бы­вает электролитическим.

Реактивное сопротивление конденсатора связи увеличи­вается при уменьшении частоты. Низкочастотная грани­ца определяется величиной емкости конденсатора связи. Высокочастотная граница определяется типом использо­ванного транзистора.

Импедансная связь подобна RC связи, только вместо ре­зистора в качестве нагрузки коллектора первого каскада усиления используется катушка индуктивности (рис. 28-18).

Рис. 28-18. Импе­дансная связь.

Импедансная связь работает совершенно аналогично RC связи. Ее преимуществом является то, что катушка индук­тивности имеет очень низкое сопротивление постоянному току. Выходной сигнал переменного тока на катушке индук­тивности такой же, как и на нагрузочном резисторе. Одна­ко катушка индуктивности потребляет меньшую мощность, чем резистор, что увеличивает общую эффективность цепи.

Недостатком импедансной связи является то, что индук­тивное сопротивление увеличивается при увеличении ча­стоты. Поэтому коэффициент усиления по напряжению изменяется при изменении частоты. Этот тип связи идеа­лен для одночастотного усиления, то есть при усилении очень узкой полосы частот.

В цепи с трансформаторной связью два усилительных каскада связаны между собой через трансформатор (рис. 28-19). Трансформатор может эффективно согласовать высокоим- педансный источник с низкоимпедансной нагрузкой. Не­достатком этого метода является то, что трансформаторы громоздки и дороги. Кроме того, как и усилитель с импе-