Простейший усилительный каскад.

Схема простейшего усилителя (усилительного каскада) приведена на рис.8.21.

В режиме покоя, то-есть, когда U_вх=0, в схеме протекают постоянные составляющие токов, обусловленные источниками E_К, E_Э. При наличии входного сигнала к постоянным составляющим добавляются переменные составляющие, пропорциональные U_вх:

U=U⁰+U, I=I⁰+I

Совокупность постоянных составляющих и определяют рабочую точку транзистора, они задаются заранее, как и E_К. Отсюда определяется также . Сопротивление R_Э обеспечивает последовательно-последовательную ООС Значения E_Э и R_Э выбираются достаточно большими, так чтобы неизбежные изменения  и U^* не оказывали заметного влияния на . Кроме этого должно выполняться условие

R_Э>>(1-)R_б, где R_б=r_б+R_Г (8.16)

для того, чтобы коэффициент усиления не зависел от R_б.

Н а рис.8.22 приведена эквивалентная схема усилителя для постоянных составляющих, где U^* – падение напряжения на открытом p-n-переходе, а на рис.8.23  для переменных составляющих (для малого сигнала). Переменные составляющие обозначены теми же буквами только без верхнего индекса, r_б – сопротивление базы транзистора, r_э – дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода, дифференциальное сопротивление коллекторного перехода считается бесконечно большим (r_к=). Для переменных составляющих получаем:

U_вх=(R_Г+r_б)I_б+(r_э+R_Э)I_Э (8.17)

I_б=(1-)I_Э (8.18)

В отсутствие нагрузки (R_Н=)

U_вых=I_ЭR_К (8.19)

Отсюда, подставив (8.18) в (8.17), получаем коэффициент усиления

(8.20)

При выполнении условия (8.16) эта формула упрощается:

(8.21)

При наличии нагрузки R_К заменяется на параллельное соединение R_К и R_Н (R_К||R_Н ):

(8.22)

Входное сопротивление находится из (8.17) и (8.18) при R_Г=0:

(8.23)

Выходное сопротивление R_вых=R_К. Выходное сопротивление характеризует нагрузочную способность каскада – чем меньше R_вых, тем больший ток можно отбирать в нагрузку.

Каскадирование.

Поскольку для обеспечения стабильности рабочей точки усилителя приходится выбирать R_Э достаточно большим, коэффициент усиления простейшего усилителя получается небольшим – K_U=45. Значения K_U 10⁴10⁵ можно получить только соединив несколько УК в последовательную цепочку. Тогда для N каскадов K=K₁K₂K_N. Если каскады одинаковые (K_i=K₁), тогда K=K₁^N.

Дифференциальный усилитель.

Дифференциальный усилитель (ДУ) (рис.8.24) состоит из двух параллельно соединенных идентичных плеч, каждая из которых содержит транзистор и сопротивление нагрузки в цепи коллектора. Питание осуществляется генератором тока I₀, где R_i – внутреннее сопротивление генератора (в простейшем случае вместо генератора может использоваться резистор). Входным сигналом является разность базовых потенциалов, выходным – разность коллекторных потенциалов. В идеальном ДУ плечи абсолютно идентичны. Идеальный ДУ обладает следующими свойствами:

1 . Отсутствует дрейф нуля выходного напряжения – U_вых=0 при U_вх=0, независимо от изменения температуры, напряжения питания, тока I₀ и т.п., хотя в каждом из плеч изменение может быть значительным.

2. Синфазные сигналы U_б1=U_б2 не влияют на выходное напряжение. При R_i= I_к=0 и U_к1=U_к2=0, отсюда U_вых=0; при R_i U_к1=U_к20, но U_вых=U_к1U_к2=0.

3. Выходное напряжение зависит только от дифференциального сигнала U_б1=U_б2, тогда I₁=I₂ и U_к1=U_к2 и U_вых=U_к1U_к2=2U_к1.

Реальный ДУ обладает некоторой асимметрией и необходимо рассматривать его реакцию на синфазные и дифференциальные сигналы. Любую комбинацию напряжений U_б1, U_б2 можно представить в виде суммы синфазной и дифференциальной составляющих:

U_б1=U_вх.с+0,5U_вх.д,

U_б2=U_вх.с0,5U_вх.д,

где

U_вх.с=0,5(U_б1+U_б2),

U_вх.д=U_б1U_б2,