Принцип работы усилителя низкой частоты на транзисторах

Рассмотрим работу усилительного каскада, выполненного на транзисторе, включенного по схеме с общим эмиттером (рис. 6).

Рис. 6. Усилительный каскад по схеме с общим эмиттером

При отсутствии входного сигнала усилитель находится в режиме покоя и так же будет равно нулю (этот режим называется статическим). При появлении сигнала усилитель будет работать в динамическом режиме, т.е. входной сигнал будет усиливаться.

В режиме покоя конденсаторы С₁ и С₂ отделяют вход усилителя и его выход от предыдущего и последующего каскадов. Если бы конденсаторов не было, то резисторы других каскадов были бы подключены параллельно к резисторам усилителя и поэтому режим усилителя по постоянному току был бы нарушен.

Режим постоянного тока необходим для выбора рабочей точки А (рис. 8) так, чтобы не было нелинейных искажений сигнала. При выборе рабочей точки пользуются входными и выходными характеристиками транзистора (рис. 7, 8).

Рис. 7. Входные характеристики транзистора

Р ис. 8. Выходные характеристики транзистора

Рабочая область выходных характеристик ограничена линией NG - CD. При работе транзистора ток его коллектора не должен превышать максимально допустимый ( ). Линия NG соответствует этому режиму.

Каждый транзистор способен рассеивать мощность на коллекторе не выше максимально допустимой ( ). Линия GC ограничивает область допустимых мощностей рассеяния на коллекторе. Транзистор работает при некотором вполне определенном напряжении между коллектором и эмиттером. При превышении этого напряжения транзистор выходит из строя. Линия CD определяет область допустимых напряжений .

Рабочую точку (А) на характеристиках следует выбирать так, чтобы она находилась на середине линейных участков входной и выходной характеристик, при этом нелинейные искажения будут минимальные. Рабочая точка характеризуется током коллектора и напряжения .

Из схемы на рис. 4 можно определить:

,

которое является уравнением динамической характеристики рассматриваемой схемы.

Динамическая характеристика в координатах представляет уравнение прямой линии, не проходящей через начало координат.

Динамическую характеристику (линию нагрузки) легко построить, зная две точки. Определим точку пересечения нагрузочной линии с осью . Для этого приравняем , тогда (точка F).

Вторую точку пересечения прямой с осью найдем из того, что при пересечении нагрузочной прямой с осью напряжение (точка К). Зная эти две точки, строим нагрузочную линию KF. Уравнение позволяет определить по двум известным величинам третью. Например, по известным напряжению источника питания и положению рабочей точки легко определить сопротивление нагрузи .

Рабочим участком нагрузки будет линия AB, т.к. на ней изменения тока базы от точки А в обе стороны вызывают одинаковые изменения тока коллектора.

При неправильном выборе рабочей точки, т.е. если положительная и отрицательная амплитуды выходного сигнала неодинаковы, в усилителе возникают нелинейные искажения.

Если режим усилительного каскада выбран правильно, то коэффициент нелинейных искажений не должен быть больше 5%.

Для создания режима покоя нужно в усилителе обеспечить определенный ток смещения (ток базы), при котором рабочая точка А находилась бы в середине нагрузочной прямой.

По входным характеристикам легко определить напряжение на базе транзистора. Для этого путем последовательного переноса точек выходной динамической характеристики строится входная динамическая характеристика, по которой и определяются пределы изменения тока базы под воздействием входного сигнала и соответствующие им точки коллектора.

Для получения необходимого смещения пользуются различными схемами. Схема, приведенная на рис. 6, называется схемой фиксированным током базы .

В этой схеме ток базы проходит через резистор , который легко определить:

,

.

В последнем выражении величиной можно пренебречь, так как Е_К>> . Резистор получается очень большим (сотни тысяч Ом). При смене транзистора положение рабочей точки изменится из-за разброса параметров транзистора и из-за влияния температуры окружающей среды. Поэтому эта схема не получила широкого распространения.

а б

Рис. 9. Усилительный каскад по схеме с общей базой (а)

и общим коллектором (б)

Схема рис. 9а называется схемой с фиксированным напряжением смещения на базе. Напряжение смещения снимается с резистора, входящего в делитель напряжения , . Ток делителя выбирается достаточно большим, значительно больше тока базы в режиме покоя. Это необходимо для того, чтобы температурные изменения токов эмиттера и коллектора незначительно влияли на ток базы. Резисторы делителя определяются из формул:

,

,

.

Схема рис. 9а менее экономична, чем схема рис. 4, но стабильность режима работы ее выше. Из схемы рис. 9а видно, что ее резистор подключен параллельно входному сопротивлению транзистора . Источник питания всегда имеет малое внутреннее сопротивление, поэтому, пренебрегая им, можно считать, что резисторы и включены между собой параллельно. Поэтому делитель , должен иметь большое сопротивление (несколько кОм) и обеспечивать выполнение условия:

>> .