Принцип построения усилительных каскадов

Схемы усилительных каскадов очень разнообразны, но принцип построения у них один и тот же. Рассмотрим это на примере структурной схемы (рисунок 2.2).

Основными элементами каскада являются усилительный элемент УЭ, которым является биполярный или полевой транзистор, или лампа, резистор R и источник питания Е.

На вход подается синусоидальный сигнал, выходной сигнал снимается с выхода УЭ или с резистора R. Выходной сигнал создается в результате изменения сопротивления УЭ или R и, следовательно, тока i в выходной цепи под воздействием входного напряжения. Т. е. процесс усиления основывается на преобразовании энергии источника постоянного напряжения Е в энергию переменного напряжения в выходной цепи за счет изменения сопротивления УЭ по закону, задаваемому входным сигналом.

УЭ

U_вых

U_вх

Рисунок 2.2 – Структурная схема

Одним из наиболее распространенных усилительных каскадов является каскад с общим эмиттером ОЭ (рисунок 2.3).

C_р₂

C_р₁

U_вых

U_вх

R_н

R₂

R_к

R₁

-E_к

E_г

R_г

Рисунок – 2.3 – Схема усилительного каскада с ОЭ

Основные элементы схемы:

Е_к – источник питания (положительный Е_к для n-p-n, отрицательный E_к для p-n-p);

VT – биполярный транзистор n-p-n типа;

R_к – сопротивление в цепи коллектора, с помощью которого создается выходное напряжение.

Эти элементы образуют главную цепь усилительного каскада, в которой за счет протекания управляемого по цепи базы коллекторного тока создается усиленное напряжение на выходе схемы.

Остальные элементы каскада выполняют вспомогательную роль:

С_p₁ – разделительный конденсатор, который не пропускает;
постоянную составляющую тока, т. е. исключает шунтирование входной цепи каскада цепью источника питания по постоянному току;
С_p₂ – разделительный конденсатор, не пропускает постоянную составляющую напряжения в нагрузку или в следующий каскад;
R₁ / R₂ – делитель напряжения, включенный в цепь базы.

Обеспечивает требуемую работу транзистора в режиме покоя, т. е. в отсутствие входного сигнала. Благодаря этим резисторам можно получить оптимальные значения I_б и U_б, соответствующие середине линейного участка входной характеристики, т. е. рабочей точке П, а также середине переходной характеристики и середине рабочего участка нагрузочной прямой на выходной характеристике (рисунок 2.4).

При подаче на вход усилительного каскада переменного напряжения U_вх, I_б будет изменяться в соответствии с входной характеристикой, т. е. кроме постоянной составляющей I_бп он будет иметь переменную составляющую i_б. Одновременно с этим в транзисторе будут изменяться эмиттерный I_Э и коллекторный I_К токи.

Переменная составляющая коллекторного напряжения представляет собой выходное напряжение усилительного каскада, которое численно равно и противоположно по фазе переменной составляющей падения напряжения на резисторе R_к:

U_вых = − R_к i_к;

U_вх = R_вх i_вх,

где R_вх – входное сопротивление усилительного каскада (УК), которое примерно равно входному сопротивлению транзистора;

i_вх ≈ i_б – входной ток, примерно равный току базы.

I_к