1.1.1 Принцип работы усилительного каскада

Суть работы усилителя отражается рисунком 1.7 [2]. Функцию управляемого элемента (УЭ) может выполнять транзистор, электронно-вакуумная лампа или другой активный элемент. Выходная цепь каскада образована сопротивлением R и запитана от блока питания с напряжением Е. Выходной сигнал выделяется на сопротивлении R при протекании выходного тока i вследствие изменения внутреннего сопротивления УЭ. То есть изменение тока i в выходной цепи происходит под воздействием входного напряжения.

Процесс усиления основан на преобразовании энергии источника постоянного напряжения Е в энергию переменного напряжения в выходной цепи за счет изменения сопротивления УЭ по закону, задаваемому входным сигналом. Ток i в выходной цепи однонаправленный, так как для питания используется источник напряжения постоянного тока.

Рисунок 1.7 – Функциональное содержание усилительного каскада

Переменные ток и напряжение следует рассматривать как переменные составляющие тока и напряжения, накладывающиеся на постоянные составляющие тока, напряжения, рисунок 1.8.

Рисунок 1.8 – Постоянная и переменная составляющие выходного сигнала

Амплитудные значения переменных составляющих не должны превышать величин постоянных составляющих: I_п ³ I_m; U_п ³ U_m. Иначе будет искажение формы входного сигнала. Для обеспечения работы усилительного каскада при переменном сигнале на входе, в его выходной цепи должны быть созданы постоянные составляющие I_П; U_П. Так обеспечивается режим по постоянному току (режим покоя). Чтобы задать I_П, U_П в выходной цепи, во входной цепи задают U_ВХП (или I_ВХП), например, с помощью резистивного делителя напряжения.

1.2 Усилители на полупроводниковых компонентах

Схемы усилителей указанных типов включения БПТ и ПТ имеют схожий рисунок электрической принципиальной схемы, но отличаются по способу задания режима по постоянному току. Основной вариант схемы усилителя на БПТ с ОЭ приведён на рисунке 1.9.

В выходной цепи протекает ток, управляемый током базы. Переменная составляющая выходного тока протекает через компоненты: блок питания – управляемый элемент (транзистор) – параллельно соединённые по переменному току сопротивления R_k и R_Н.

На выходе каскада создается усиленное напряжение. Остальные элементы схемы играют вспомогательную роль.

С_Р1 – разделительный конденсатор, который исключает шунтирование входной цепи каскада источником входного сигнала по постоянному току. С_Р2 – разделительный конденсатор, который пропускает в нагрузку только переменную составляющую выходного напряжения. Без этих конденсаторов был бы нарушен режим БПТ транзистора по постоянному току.

Сопротивления R₁ и R₂ необходимы для задания режима покоя. I_КП – задается током базы покоя I_БП, который протекает через сопротивление R₁. Совместно эти два резистора обеспечивают исходное напряжение покоя на базе U_БП – под его воздействием течет ток I_БП.

Сопротивление R_Э – это сопротивление отрицательной обратной связи (ООС), за счёт которой стабилизируется режим покоя каскада в диапазоне температур. С_Э шунтирует R_Э по переменному току, устраняя ООС по переменному току, которая привела бы к уменьшению коэффициента усиления каскада.

Термин ОЭ в данной схеме означает, что вывод эмиттера БПТ по переменному току является общим для входной и выходной цепей каскада.

Рисунок 1.9 – Основная схема усилителя с ОЭ

Для режима по постоянному току характерно:

U_КЭП = E_К – I_КПR_К – I_ЭПR_Э = E_К – I_КПR_К - I_КПR_Э/a . (1.4)

Так как a®1, то U_КЭП = E_К – I_КП (R_К + R_Э), – это графическое уравнение прямой, или линии нагрузки каскада по постоянному току. Нагрузочная прямая по постоянному току проводится по двум точкам: первая точка – для режима холостого хода: I_КП = 0; вторая точка – для режима короткого замыкания по выходу: U_КЭП = 0, I_КП = E_К / (R_К + R_Э). I_БП выбирается по входной характеристике: I_Б = f(U_ЭБ).

Для определения переменных составляющих используют линию нагрузки по переменному току R_Н~: так как R_Э||X_СЭ » 0, R_Н~ = R_К||R_Н, C_Р2 » 0; внутреннее сопротивления источника питания R_{i (Ek)} = 0, отсюда: R_Н~ = R_К||R_Н; R_{Н_}= R_К +R_Н .Так как ток коллектора – это сумма переменных и постоянных составляющих, то обе нагрузочные прямые проходят через точку покоя. При воздействии на базу входного сигнала рабочая точка от точки покоя перемещается по прямой R_Н~, отражая изменение мгновенных значений тока коллектора i_К(t). Амплитуда выходного тока определяется: I_Кm = U_ВЫХm/R_Н~; R_К » (3¸5)R_Н..

Ток базы в рабочей точке можно определить как I_БП = (I_КП–I_КО(Э))/b, а по входным характеристикам определяется U_БЭП. Следует помнить, что b = a/(1–a). Для термостабилизации режима по постоянному току выбирают U_ЭП » (0,1¸0,3)E_К .

Типичное значение тока резистивного делителя в цепи базы соответствует: I_Д = (2¸5)I_БП. Отсюда:

R₂ = U_БП/I_Д = (U_ЭП + U_БЭП)/I_Д; R₁ = (E_К – U_БП)/(I_Д + I_БП) . (1.5)

Выбор транзистора производят с учётом следующих факторов:

а) с учетом частотного диапазона по граничной частоте усиления по току (f_a для схемы с ОБ или f_b для схемы с ОЭ). Для схемы с ОЭ: f_b >> f_{верх.рабоч.}; следует помнить, что f_b = f_a/(1 + b);

б) с учетом максимально допустимого коллекторного тока I_Кmax:

I_КДОП > I_Кmax = I_КП + I_Кm ; (1.6)

в) по максимально допустимому коллекторному напряжению: U_КЭ(доп) > U_К ;

д) по мощности, рассеиваемой на коллекторе: P_К = U_КПI_КП < P_Кдоп.