16.9. Усилители электрических сигналов

16.9.1. Переменная электрическая величина подается на вход усили­теля электрических сигналов. С помощью энергии источника питания усилитель обеспечивает на нагрузке форму входного сигнала, величи­на которого повышается. Условно усилители разделяются на такие виды:

усилители напряжения;

усилители тока;

усилители мощности.

Необходимо помнить, что усилители напряжения и тока усиливают также мощность.

Для обеспечения нужного усиления усилители состоят из несколь­ких каскадов, которые имеют общие свойства. Усилительный каскад представляет собой одну из схем включения транзистора.

16.9.2. Различают три схемы включения транзисторов: с общей базой;

с общим эмитером;

с общим коллектором.

Название схемы показывает, какой электрод является общим для вход­ной и выходной цепей. Схемы имеют свои особенности, но принцип включения подчиняется общим правилам транзистора (эмиттерный пе­реход открыт, а коллекторный — закрыт).

16.9.3. Схема с общей базой (рис. 16.16) в перечисленных усилителях использует­ся очень редко. Эта схема имеет коэффи­циент усиления тока близкий к единице.

Схема с общим коллектором (рис. 16.17) имеет коэффициент усиления напря­жения близкий к единице и очень большое сопротивление входной цепи. Выходная цепь обладает малым сопротивлением. По­этому схема с общим коллектором используется для согласования сопротив­ления высокоомного преобразователя с низкоомной нагрузкой. Эта схема имеет специальное название -—эмиттерный по­вторитель. Входное сопротивление эмит-терного повторителя может достигать 500 кОм, а выходное 50... 100 Ом.

4. Наибольшее распространение получила схема с общим эмиттером (рис. 16.18). Коэффициент усиления по току этой схемы достигает 10...200. Небольшой ток базы (входного сигнала) управляет боль­шим током выходной цепи (выходной сиг­нал на сопротивлении нагрузки). На рис. 16.19 приведены входные статические характеристики транзисторар-п-р-тяпа., который включен по схеме с общим эмит­тером. Входная характеристика (вольт-ам­перная характеристика эмиттерного пере­хода) представляет собой обычную правую ветвь вольт-амперной характеристики ди­ода. Полупроводниковый транзистор нельзя представлять чисто механически в виде двух диодов, так как процессы в од­ном переходе влияют на процессы в дру­гом. Вид входной характеристики зависит от напряжения между эмиттером и кол­лектором.

Выходная характеристика напомина­ет вольт-амперную характеристику ди­ода, который включен обратно (рис. 16.20). На ток коллектора в значитель­ной мере влияет ток базы. В рабочей области ток коллектора незначительно зависит от напряжения между коллек­тором и эмиттером. Т ранзисторную схему можно включить от одного источника питания (рис. 16.21 ). Сопротивления это делитель напряжения. Он обеспечи­вает потенциал базы больший, чем по­тенциал коллектора, и меньший, чем потенциал эмиттера, т. е. при этом эмиттерный переход будет включен прямо, а коллекторный — обратно.

Резистор в цепи эмиттера создает отрицательную обратную связь. Пере­менное напряжение лучше снимать через конденсатор, что задерживает постоянную составляющую выходного сигнала. С той же целью во вход­ную цепь ставят конденсатор С\. Схема инвертирует, т. е. выходный сигнал имеет обратную полярность.

16.9.6. Обратные связи обеспечивают необходимые характеристики усилителей.

Обратной связью называют действие выходного сигнала на входной сигнал усилителя. Обратные связи создают специально. Самовозникаю­щие обратные связи называют паразитными. Обратная связь может быть:

положительной;

отрицательной.

^{На рис. 16.22 приведена структурная схема усилителя с обратной связью, где Uc — напряжение источника сигнала; — напряжение на входе усилителя; — напряжение обратной связи; — напря­жение на выходе усилителя.}

Вводят величины: — коэффициент переда­чи четырехполюсника обратной связи (коэффициент обратной связи); — коэффициент усиле­ния усилителя без звена обратной связи; — коэффициент уси­ления усилителя с обратной связью.

Обратная связь может усиливать на­пряжение на входе и уменьшать ее ф < 0).

В первом случае обратная связь называется положительной. При обратная связь называется отрицательной.

Положительная обратная связь повышает коэффициент усиления. Одновременно уменьшается стабильность усилителя и повышается уро­вень нелинейных искажений. Поэтому положительная обратная связь в усилителях практически не применяется.

Отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления.

При этом также:

повышается стабильность коэффициента усиления;

снижается уровень нелинейных искажений;

уменьшается выходное и повышается входное сопротивление.

Отрицательная обратная связь применяется очень часто.

В общем случае сигнал на входе усилителя

где верхний знак берется при положительной, а нижний при отрица­тельной обратной связи. Если это уравнение разделить на

и ис­пользовать введенные коэффициенты, можно получить

и ли

где коэффициент обратной связи берется по модулю, так как знак уже учтен в выражении для входного напряжения усилителя. Верхний знак («-») отвечает положительной обратной связи. При этом коэффициент усиления увеличивается. Знак «+» отвечает отрицательной обратной связи, наличие которого уменьшает коэффициент усиления усилителя. Положительная обратная связь, при которой называют критическим. В этом случае

Это значит, что даже при отсутствии сигнала на входе на выходе уси­лителя появляется переменное напряжение, т. е. усилитель превраща­ется в генератор гармонических колебаний.