Теоретические сведения

Усилителем называется устройство, предназначенное для увеличения параметров электрического сигнала (напряжения, тока, мощности).

В состав усилителя входят усилительный (активный) элемент, пассивные элементы и источник питания. Назначение усилительного элемента - преобразование электрической энергии источника питания в энергию усиливаемых сигналов. Усиливаемый сигнал, подаваемый на вход усилителя, осуществляет управление процессом преобразования этой энергии. В результате выходной сигнал является функцией входного сигнала.

Если один усилительный элемент усилителя не обеспечивает нужного усиления сигнала, используют несколько усилительных элементов, соединяя их между собой с помощью тех или иных элементов связи: резисторов, трансформаторов и др. Один усилительный элемент и отнесенные к нему элементы называют усилительным каскадом.

Усилительные каскады разделяют на каскады предварительного усиления и выходные каскады. Каскады предварительного усиления служат для повышения уровня напряжения сигнала, а выходные – для получения требуемых значений тока или мощности сигнала в нагрузке.

Усилитель (рисунок 21.1, а) имеет входную цепь, к которой подключается источник сигнала, подлежащего усилению, и выходную цепь, к которой подключается потребитель выходного сигнала.

Основными параметрами усилителя являются:

- коэффициент усиления по напряжению ,

- коэффициент усиления по току ,

- коэффициент усиления по мощности

.

- амплитудно-частотная характеристика каскада – зависимость коэффициента усиленения по напряжению от частоты входного сигнала.

Структурная схема предварительного усилителя показана на рисунке 21.1, б. Усилитель состоит из управляемого элемента УЭ, в качестве которого выступает транзистор и резистора R. Совместно с источником питания E данные элементы образуют выходную цепь усилителя. Подлежащий усилению входной сигнал поступает на вход УЭ. Ток, протекающий по УЭ, прямо пропорционален входному напряжению. Выходной сигнал напряжения снимается с выхода УЭ и, в соответствии со вторым законом Кирхгофа, определяется выражением

, (21.1)

где – ток, протекающий по УЭ.

Процесс усиления основывается на преобразовании энергии источника постоянного напряжения Е в энергию переменного напряжения в выходной цепи за счет изменения тока УЭ по закону, задаваемому входным сигналом. Как видно из (21.1) при увеличении входного напряжения, выходное напряжение уменьшается, а при уменьшении входного напряжения, выходное – увеличивается, поэтому подобные усилители получили название инвертирующих усилителей.

Практические схемы усилителей на биполярных транзисторах, включенных по схеме с общим эмиттером, показаны на рисунке 21.2.

а) б)

Рисунок 21.1 – Усилитель электрического сигнала:

а) условное обозначение на структурных схемах;

б) структурная схема усилителя

а) б)

Рисунок 21.2 – Практические схемы усилителей на биполярных транзисторах, включенных по схеме с общим эмиттером

Рассмотрим рисунок 21.2, а. Управляемым элементом является транзистор VT1. Роль резистора R (рисунок 21.2, а) играет резистор . Одновременно резистор служит для ограничения тока коллектора. Резистор предназначен для температурной стабилизации работы усилителя. На резисторах и собран делитель напряжения, обеспечивающий необходимое постоянное напряжение на базе транзистора. Конденсаторы и препятствуют прохождению постоянных токов усилителя к выходным цепям источника входного напряжения и входным цепям потребителя выходного напряжения . Усилители рассчитывают так, чтобы постоянное напряжение на коллекторе было равно половине напряжения питания.

При отсутствии входного сигнала в схеме протекают постоянные токи базы , коллектора и эмиттера , обеспечивающие активный режим работы транзистора. В этом режиме на p-n-переходе база-эмиттер транзистора падает постоянное напряжение В. В данном выражении сопротивление p-n-перехода база-эмиттер транзистора обозначено как .

Ток коллектора связан с напряжением следующей зависимостью:

, (21.2)

где – ток насыщения транзистора, – тепловой потенциал, при комнатной температуре В.

В активном режиме работы транзистора , следовательно, единицей в (21.2) можно пренебречь

. (21.3)

В соответствии с выражением (21.3) напряжение между базой и эмиттером «управляет» коллекторным током.

Выразим из выражения (21.3)

. (21.4)

Найдем сопротивление , продифференцировав (21.4) по ,

. (21.5)

Усилительные свойства транзистора характеризуются коэффициентом усиления по току в схеме с общим эмиттером . Данный коэффициент усиления достигает сотен единиц и приводится в паспортных данных транзисторов. Ток коллектора в раз больше тока базы : .

Между токами , и существует связь: . Пренебрегая током базы как величиной на два порядка меньшей, чем токи коллектора и эмиттера, можно записать .

Пусть ко входу усилителя подключен источник входного сигнала . При этом под действием напряжения входного сигнала на базе транзистора появится приращение входного напряжения . Это приращение вызовет сответствующее приращение напряжения база-эмиттер , а также приращения токов базы , коллектора и эмиттера , причем

.

В соответствии со вторым законом Кирхгофа для приращения входного напряжения можно записать

.

Выходное напряжение снимается с коллектора транзистора относительно точки с нулевым потенциалом. Учитывая уравнение (21.1) можно считать, что приращение выходного напряжения равно по величине и противоположно по знаку приращению напряжения на резисторе . При изменении входного напряжения на величину выходное напряжение получит приращение .

Коэффициент усиления по напряжению рассматриваемого каскада определяется как

. (21.6)

Коэффициент усиления по мощности для рассматриваемого каскада равен

. (21.7)

Входное сопротивление усилителя получим как дифференциальное сопротивление нелинейной электрической цепи

.

Выходное сопротивление усилителя определяется как дифференциальное сопротивление нелинейной цепи относительно выходных зажимов:

. (21.8)

Как следует из выражений (21.6) – (21.7), для получения высоких значений коэффициентов усиления по напряжению и по мощности необходимо увеличивать сопротивление коллекторной нагрузки , а для повышения КПД усилителя необходимо уменьшать его выходное сопротивление, то есть уменьшать сопротивление . Для повышения коэффициента усиления каскада можно было бы исключить и эмиттер транзистора соединить непосредственно с точкой с нулевым потенциалом. Однако этого делать нельзя, поскольку напряжение база-эмиттер транзистора существенно зависит от температуры, следовательно, от температуры зависит и постоянный ток коллектора транзистора. Изменения постоянной составляющей коллекторного тока приводит к искажениям выходного сигнала.

На практике, как правило, повышают КПД усилителя, а требуемое усиление сигнала получают за счет применения многокаскадных схем усилителей.

Выясним назначение элементов и , приведенных на схемах рисунка 21.2. Для постоянного напряжения входной цепи усилителя при наличии резистора можно записать

. (21.9)

Напряжение на базе транзистора , создаваемое делителем напряжения и , зависит только от сопротивлений резисторов и , и не зависит от температуры. Пусть под действием температуры напряжение увеличилось. Тогда увеличиться постоянный ток коллектора и возрастет падение напряжение на резисторе . Однако поскольку не изменяется, то уменьшиться напряжение и соответственно ток коллектора . То есть постоянная составляющая тока коллектора останется неизменной.

Для того чтобы не влиял на усилительные свойства каскада, его шунтируют по переменному току конденсатором (рисунок 21.2, б), сопротивление которого на частотах сигнала мало. В данном случае коэффициент усиления по напряжению определяется выражением:

. (21.10)