Усилители на биполярных и полевых транзисторах

Усилителем называют устройство для увеличения параметров электрического сигнала (напряжения, тока, мощности).

Основными параметрами усилителя являются:

- коэффициент усиления напряжения К_U = U_выхмах/U_вхмах

- коэффициент усиления тока К_i = I_выхмах/I_вхмах;

- коэффициент усиления мощности

К_р = Р_выхмах/Р_вхмах = U_выхмах I_выхмах/ U_вхмах I_вхмах = К_U К_i

Коэффициент усиления мощности K_P обязательно > 1, а значит K_U

или K_I > 1.

Усилители состоят из нескольких ступеней, называемых каскадами, которые осуществляют последовательное усиление сигнала. Число каскадов зависит от требуемых K_U, K_I, K_P. Каскады предварительного усиления предназначены для усиления напряжения, а выходные каскады − для получения требуемой ими мощности или тока в нагрузке.

Основными элементами каскада являются управляемый элемент УЭ (биполярный или полевой транзистор), резистор R_K, источник E_K, образующие выходную цепь.

а б

Схема и характеристики усилителя: а - схема усилителя; б - характеристики

Усиление происходит за счет преобразования энергии источника постоянной ЭДС E_K в энергию переменчивого напряжения в выходной цепи за счет изменения сопротивления R_ЭК транзистора по закону, задаваемому входным сигналом U_вх. Для оптимальной работы транзистора (чтобы не было искажения формы U_вых), в выходной цепи должны быть постоянные составляющие тока и напряжения. Для этого во входную цепь, кроме усиливаемого сигнала, подают постоянное напряжение. Постоянные составляющие І_кп, U_вх.п, U_вых.п определяют режим покоя каскада.

Усилительный каскад на биполярном транзисторе с общим эмиттером

За счет величины E_K происходит усиление выходного сигнала. Разделительные конденсаторы С1, С2 на переменном токе имеют сопротивления Х_С1, Х_С2 близкие к нулю, их назначение: С1 не пропускает постоянный ток во входной источник U_вх (от E_K через R₁) (рис. 2.48).

Схема усилителя с ОЭ

Конденсатор С2 не пропускает постоянный ток в нагрузку; R_Э, С_Э − звено автоматической термостабилизации (для компенсации влияния температуры), которое обеспечивает отрицательную обратную связь, т. е. часть U_вых подается на вход вызывая уменьшение U_вх; R1, R2 − делитель напряжения, для задания нужного напряжения U_БЭП покоя (І_в течет через R1), он создает постоянное смещение на переходе Б−Э, который приоткрывается и создает коллекторный ток покоя І_кп (чтобы транзистор работал, не искажая форму U_вх).

Для статического режима (U_вх = 0).

Расчет параметров резисторов:

Е_к = (R_э + R_к)I_кп + U_кэп

R_э + R_к= (Е_к – U_кэп)/ I_кп

Схема усилителя в статическом режиме

R₂ = (U_бэп + R_эI_эп)/I₁, где I₁ = (2…5)I_бп; R₁ = (Е_к + R₂I₁)/(I₁ + I_бп)

Графоаналитический анализ работы каскада на биполярном транзисторе с общим эмиттером

Пренебрегаем влиянием вспомогательных элементов (R_Э, R_Э, R₁, R₂). Расчет нелинейной цепи (определение I_K, U_RK, U_K для различных I_Б, R_K) выполняем графически Для этого на семействе выходных характеристик проводим ВАХ резистора R_K , удовлетворяющую уравнению

U_кэп = Е_к – (R_K + R_Э) I_кп

или

U_кэ Е_к – R_K I_к

Характеристики усилителей с ОЭ

Этот график называют статической линией нагрузки и строят по двум точкам:

1) I_к = 0; Е_к = U_кэ (точка N на линии статической нагрузки);

2) U_кэ = 0; I_к = Е_к/R_к (точка М).

За счет смещения базы резисторами R1, R2 обеспечивают опти­мальные значения U_бп, I_бп, чтобы рабочая точка покоя А находилась на середине линейного участка переходной характеристики, которая строится по точкам пересечения линии нагрузки с выходными характеристиками. При подаче на вход U_вх ток І_Б будет изменяться, иметь переменную составляющую. Одновременно будут изменяться эмиттерный и коллекторный токи транзистора. Перенеся изменения на линию нагрузки, получаем U_вых. Благодаря тому, что коллекторный ток i_k>>i_б, а R_K > R_вх, выходное напряжение каскада ОЭ значительно больше U_вх.

Динамический режим каскада (U_вх ¹ 0). Электрическая схема замещения

U_вх = U_махsinωt

(пренебрегаем)

R ; .

Схема усилителей в динамическом режиме