3.2 Електронні підсилювачі

Самими поширеними електронними пристроями, які застосовуються в системах автоматики є підсилювачі, призначені для підсилення відносно малих сигналів. Розрізняють підсилювачі напруги, струму і потужності, а також підсилювачі попередні (підсилювачі напруги) і підсилювачі потужності. Попередні транзисторні підсилювачі, складаються з одного або декількох каскадів підсилення. При цьому всі каскади підсилювача характеризуються загальними властивостями. Відмінність між ними може бути тільки кількісна: різні струми, напруги, різні значення резисторів, конденсаторів і т.п.

У попередніх підсилювачах застосовуються резистивні схеми каскадів (із реостатно-ємнісним зв'язком). В залежності від способу подачі вхідного сигналу і отримання вихідного підсилювальні схеми отримали наступні назви:

із спільним емітером – СЕ (рисунок 3.3 а); із спільною базою - СБ (рисунок 3.3 б); із спільним колектором (емітерний повторювач) - СК (рисунок 3.3 в).

Найбільш поширеною є схема із СЕ. Схема з СБ в попередніх підсилювачах використовується рідко. Емітерний повторювач має найбільший вхідний і найменший вихідний опір, тому його застосовують при роботі з високоомними перетворювачами як перший каскад підсилювача, а також для узгодження з низькоомним резистором навантаження.

Рисунок 3.3 - Схеми однокаскадних підсилювачів

Приклад 3.2.1 Здійснити розрахунок однокаскадного підсилювача низької частоти на біполярному транзисторі. Вихідні дані: тип транзистора; схема підсилювача (із спільним емітером, рисунок 3.3 а); робоча точка транзистора в стані спокою; опір навантаження підсилювача, R_н; опір резистора в колі колектора, R_К; найменша гранична частота сигналу підсилення, f_н; спад напруги на резисторі R_Е, яку вибирають у відповідності до вимог температурної стабільності підсилювача.

Деякі значення є загальними для всіх варіантів: колекторний струм транзистора І_К=1 мА; напруга між колектором та емітером транзистора U_КЕ=5 В у стані спокою. Опір навантаження R_н беруть таким, як попередньо розрахований вхідний опір підсилювача R_вx, тобто вважають, що даний підсилювач має в якості навантаження такий самий каскад підсилення.

Розрахувати:

• напруги на елементах схеми підсилювача;

• струми, що протікають через елементи схеми;

• коефіцієнт підсилення за напругою в області середніх частот К₀.

Розв’язок

1 Спад напруги на колекторному резисторі у стані спокою

U_К = I_К ·R_К.

2 Струм бази транзистора у стані спокою

І_Б = І_К/h_21E.

3 Струм дільника, який протікає через резистори R₁ i R₂, беруть в п’ять разів більшим від струму бази

І_П = 5 ·І_Б.

4 Розраховують напругу живлення схеми як суму трьох напруг

Е_К = U_КЕ + U_К + U_Е.

5 Визначають спад напруги на резисторі R₂ дільника напруги як суму двох напруг

U₂ = U_E + U_БЕ.

Напругу U_БЕ вважають однаковою для всіх варіантів і вона дорівнює 0,2 В.

6 Визначають спад напруги на резисторі R₁ як різницю напруги живлення Е_К і спаду напруги на резисторі R₂

U₁ = Е_К – U₂.

7 Розраховують опір резистора R₂ за законом Ома

R₂ = U₂ / І_П.

8 При розрахунку опору резистора R₁ необхідно враховувати, що через нього протікає сума струмів

R₁ = U₁ / (І_П + І_Б).

9 Визначають вхідний опір підсилювача R_вx, як еквівалентний опір трьох паралельно ввімкнених резисторів R₁, R₂ i h_11E.

10 Опір навантаження підсилювача вибирають такий самий, як вхідний опір:

R_н =R_вx.

11 Розраховують опір резистора R_Е за законом Ома

R_Е = U_Е / (І_К + І_Б).

12 Визначають ємність шунтуючого конденсатора С_Е в емітерному колі за наближеною формулою

С_Е = 1 / (2 · ·ƒ_н ·R_Е),

де R_E = 2 h_12E / h_22E.

13 Визначають ємність роздільного конденсатора на вході схеми за наближеною формулою

С_Б = 1 / (f_н ·R_вх).

14 Ємність роздільного конденсатора на виході схеми розраховують аналогічно, але замість R_вх беруть R_н

С_К = 1 / (ƒ_н ·R_н).

15 Визначають коефіцієнт підсилення за напругою в області середніх частот

K₀ = h_21E ·R_кн / h_22E,

де R_кн – еквівалентний опір паралельно ввімкнених резисторів R_К, R_н і R_вих; R_вих = 1 / h_22E – вихідний опір транзистора.

16 Потужність Р_К=U_КЕ·I_К, яка розсіюється на колекторі не повинна перевищувати максимально допустимої потужності Р_Кmax, і приведена в таблиці 3.7. Здійснюють перевірку цього співвідношення. При перевищені потужності необхідно змінити режим роботи транзистора, зменшивши струм колектора до 0,5 мА.

17 Потужність, яка розсіюється окремо на резисторах R_К і R_Е, вибирається у два рази більшою за розрахункову. Приводять отримані значення потужностей.

18 Привести опис роботи схеми підсилювача та призначення окремих елементів схеми.

Приклад 3.2.2 Розрахунок транзистора в ключовому режимі

Визначити, при якій мінімальній вхідній напрузі транзистор буде працювати в режимі насичення (рисунок 3.4). Прийняти, що на границі режиму насичення = 0.9 ( - коефіцієнт підсилення за струмом в схемі зі спільним емітером).

Рисунок 3.4 – Схема ввімкнення транзистора в ключовому режимі