1. Усилители переменного тока

1.1. Краткие теоретические сведения об усилителях переменного тока

Усилитель переменного тока – это устройство, предназначенное для усиления входного сигнала, как правило, синусоидальной формы. Такие усилители в основном выполняются на транзисторах, как биполярных, так и полевых, причем используются различные схемы их включения.

Усилители, как правило, выполняют из нескольких каскадов, осуществляющих последовательное усиление сигнала. В зависимости от выполняемых функций усилительные каскады разделяют на каскады предварительного усиления и выходные каскады. Каскады предварительного усиления предназначены для повышения уровня сигнала по напряжению, а выходные каскады – для получения требуемых значений тока или мощности сигнала в нагрузке.

Простейший усилитель на одном биполярном транзисторе, включенном по наиболее распространенной схеме с общим эмиттером, представлен на рис 1.1.

Рис. 1.1. Структурная схема (а) и временная диаграмма (б) усилительного каскада

Особенностью этой схемы является малые нелинейные искажения и низкий коэффициент полезного действия (КПД), который зависит от величины входного сигнала и колеблется в пределах (0 … 25 %). Такой режим усилителя с малыми нелинейными искажениями называется режимом класса А. Усилители могут работать еще в нескольких классах – В, АВ, С и Д.

Основными элементами каскада являются управляемый элемент (УЭ), функцию которого выполняет биполярный или полевой транзистор, и резистор R. Совместно с источником питания Е, эти элементы образуют выходную цепь каскада. Усиливаемый сигнал U_вх принятый для простоты синусоидальным, подается на вход УЭ. Выходной сигнал напряжения снимается с выхода УЭ или с резистора R.

Выходное напряжение создается за счет падения напряжения на резисторе R при протекании по нему выходного тока усилительного элемента УЭ. Поскольку ток УЭ изменяется по закону, заданному входным напряжением, то и падение напряжения на резисторе R изменяется во времени по такому же закону. В соответствии со структурной схемой рис. 1.1, а закон изменения выходного напряжения определяется выражением

u_вых = Е − i(u_вх)·R,

где второе слагаемое определяет переменную составляющую выходного сигнала.

При подаче переменного напряжения на вход УЭ происходит изменение тока в его цепи, а, следовательно, и напряжения на резисторе R. Таким образом, происходит процесс преобразования энергии источника постоянного напряжения Е в энергию переменного напряжения в выходной цепи за счет изменения тока УЭ по закону, задаваемому входным сигналом.

Выходное сопротивление каскада равно сопротивлению резистора R и параллельно соединенного выходного сопротивления УЭ. Однако выходное сопротивление транзисторов очень велико, поэтому оно практически не оказывает влияния на выходное сопротивление.

Для обеспечения работы усилительного каскада при переменном входном сигнале в его выходной цепи должны быть созданы постоянные составляющие тока I₀ и напряжения U₀ (рис. 1.1,б). Эту задачу решают путем подачи во входную цепь каскада кроме переменного усиливаемого сигнала соответствующего постоянного напряжения U_0вх (рис. 1.1,а), или постоянного входного тока I_0вх.

Постоянные составляющие тока и напряжения определяют так называемый режим покоя усилительного каскада. Параметры режима покоя во входной цепи (U_0вx и I_0вх) и в выходной цепи (U₀ и I₀) характеризуют состояние схемы в отсутствие входного сигнала.

Показатели усилительных каскадов зависят от способа включения транзистора, исполняющего роль управляемого элемента. В связи с этим анализ усилительных каскадов на биполярных транзисторах проводится для трех способов включения: с общим эмиттером ОЭ, общим коллектором ОК и общей базой ОБ. Однако наибольшее распространение для усиления напряжения получила схема с ОЭ (рис. 1.2) как имеющая максимальный коэффициент усиления по мощности.