Усилители электрических сигналов [1] чаще всего выполняют на биполярных или полевых транзисторах, а также на электронных лампах, туннельных диодах и других приборах, имеющих на вольт-амперной характеристике участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Независимо от типов активных электронных приборов, применяемых в усилителе, принцип усиления остается единым и сводится к тому, что в цепи, в состав которой входит активный электронный прибор, устанавливаются определенные постоянные токи. Этот режим работы называют статическим (режим по постоянному току, режим покоя). Он характеризуется постоянным падением напряжения на компонентах, входящих в состав усилительного каскада. При подаче сигнала переменного тока на управляющие электроды активного прибора ток в цепях начинает изменяться в соответствии с приложенным сигналом. Этот переменный ток создает переменное падение напряжения на компонентах, входящих в состав усилительного каскада. Значение выходного сигнала обычно значительно больше входного сигнала. Когда рассматривают приращения токов или напряжений, вызванные входным сигналом, то говорят, что это режим работы по переменному току или режим малого сигнала.
Статический режим определяют в зависимости от значения входного сигнала, который необходимо усиливать.
В зависимости от постоянного тока и падения напряжения на активном приборе усилительного каскада, а также от значения входного усиливаемого сигнала принято различать следующие режимы работы: A, B, C, D; промежуточные режимы, например, АВ.
Режим А – это режим работы активного прибора, при котором ток в выходной цепи I протекает в течение всего периода входного сигнала.
Положение рабочей точки выбирают так, что амплитуда переменной составляющей выходного тока Im, появившегося вследствие воздействия входного сигнала (рисунок 3.1), в режиме А не может превышать ток покоя I0. Ток через активный элемент протекает в течение всего периода изменения входного сигнала.
Рисунок 3.1 – Изменение токов активного элемента в зависимости от входного сигнала: а – входной сигнал усилителя; б – режим А; в – режим В и АВ; г – режим С
Режим В – это режим работы активного прибора, при котором ток через него протекает в течение половины периода входного сигнала (угол отсечки q = p/2).
В режиме АВ угол отсечки q несколько больше p/2, и при отсутствии входного сигнала через активный элемент протекает ток, равный 5 – 15% максимального тока при заданном входном сигнале. Такой выбор статического режима позволяет уменьшить нелинейные искажения при использовании двухтактных выходных сигналов.
Режим С – это режим работы активного прибора, при котором ток через него протекает в течение промежутка времени, меньшего половины периода входного сигнала, т.е. при q < p/2. Ток покоя в режиме С равен нулю. Этот режим используют в мощных резонансных усилителях, где нагрузкой является резонансный контур.
Рисунок 3.2 – Общая эквивалентная схема усилительных каскадов для режима большого сигнала
Режим D (или ключевой) – это режим, при котором активный прибор находится только в двух состояниях: или полностью закрыт и его электрическое сопротивление велико, или полностью открыт и имеет малое открытое электрическое сопротивление.
Трем возможным схемам включения транзисторов соответствуют три типа усилительных каскадов: с общим эмиттером (рисунок 3.3) (или с общим истоком); с общей базой (или с общим затвором); с общим коллектором (или с общим стоком).
Рисунок 3.3 – Схема усилительного каскада с общим эмиттером
Для нормальной работы любого усилительного каскада необходимо при отсутствии входного сигнала установить определенные токи и напряжения на активном приборе (обеспечить требуемый режим). Ток и падение напряжения на активном приборе зависят от выбора рабочей точки на семействе его входных и выходных характеристик. Для их определения все усилительные каскады на одном активном приборе приводятся к эквивалентной схеме (рисунок 3.2), состоящей из последовательно соединенных резисторов R1, R2 и активного нелинейного прибора, токи и напряжения которого зависят от управляющего сигнала. Резистор R1 представляет собой эквивалентное активное сопротивление, через которое один из электродов электронного прибора (коллектор, сток, анод) подключен к источнику питания. Резистор R2 – эквивалентное сопротивление, через которое второй электрод электронного прибора подключен к другому полюсу источника питания.
Рисунок 3.4 – Графоаналитический анализ из статического режима
Расчет трехкаскадного усилителя переменного тока с RC – связями
Схема трехкаскадного усилителя переменного тока с RC – связями
Исходные данные:
В
1. Рассчитаем каскад на транзисторе . Максимальный эмиттерный ток транзистора определим в предположении, что на рабочей частоте резисторы и включены параллельно
.
Минимальное падение напряжения на резисторе
.
Сопротивление резистора
, где коэффициент нестабильности. Тогда, так как для каскада на транзисторе , получаем
= .
Для выбора типа выходного транзистора допустим . Тогда транзистор должен отвечать следующим требованиям
;
;
;
По приведенным данным выбираем транзистор КТ815А: ; ; ; ; .
Полагая ; ; , с учетом выражения для минимального напряжения на резисторе найдем
Принимаем .
2. Рассчитаем каскад на транзисторе :
Принимаем .
Ток покоя транзистора
Принимаем .
Транзистор должен отвечать следующим требованиям:
;
Выбираем транзистор КТ503Б: ; ; ; ; .
Согласно выражению получим
Принимаем .
Тогда
Из приведенных выражений при условии найдем
Ток покоя базы транзистора
Ток делителя на резисторах ,
>> – отвечает условию независимости выходного напряжения делителя от тока базы .
Сопротивление нагрузки каскада на транзисторе
Коэффициент усиления каскада на транзисторе без учета действия цепи местной ООС( )
Кuк = Rк h21э/Rвх=1525*80/ 185=660.
Сопротивление нагрузки для каскада на транзисторе VT1 по переменному току
1/Rн2=1/Rбз+1/Rб4+1/Rвх=1/2+1/0,27+1/0,185;
Rн2=104 Ом.
3. Рассчитаем каскад на транзисторе VT1.
Резистор Rк1 определяют из условия
Rк1=>>Rн2.
Принимаем Rк1=1 кОм.
Ток покоя транзистора VT1 в предположении , что Uк1=Uп/2, равен
Принимаем ток делителя на резисторах Rб, Rб2 равным Iдел1 = 10 Iб1п.
Тогда
Rб1+Rб2=Uп/Iдел1=24/(10 ·0,6)=4 кОм.
Значение Rэ1=R′э1+R″э найдем из условия Rб=Rэ(Si-1) в предположении Si=5,5 и Uбэ1=0,75В
Rб1·Rб2/(Rб1+Rб2) = Rэ1(Si-1);
Uп Rб2/(Rб1+Rб2) = Uбэ1+IкRэ1.
Решая приведенные уравнения и округляя полученные значения до ближайших из стандартного ряда величин, найдем Rэ1= 47 Ом;
Принимаем .
Rб1=4000 – Rб2=3780 Ом
Принимаем .
Для введения общей цепи ООС резистор Rэ1 разделяем в соотношении R′э1=37 Ом; R″э1=10 Ом. Тогда коэффициент усиления каскада транзистора VT1 по переменному току
Кu1=Rн2║Rк1/R״э1=9,4
Входное сопротивление усилителя для переменной составляющей найдем из условия
1/Rвх=1/Rб1+1/Rб2+1/Rб2+1/(h21э1 R״э1), откуда Rвх=102 Ом.
4. Рассчитывают цепи связи и конденсаторы цепи местной ООС
Расчет конденсаторов схемы выполним, полагая что разделительные и эмиттерные конденсаторы формируют значение fн, а конденсатор Cос – значение fв усилителя. Так как усилитель трехкаскадный, то для получения требуемого значения ωн необходимо, чтобы частота среза каждого каскада была равна ωсрн<ωн/2. Тогда суммарный коэффициент усиления на частоте ωн достигнет 3 дБ.
Используя выражения для усилителя с RC-связями, получим
R2=(Rб Rc)/(Rб+Rс);
(Rc+Rб)Ср=RэСэ.
Тогда соответственно получим для каскада на транзисторе VT1:
Конденсатор Ср3 выбираем в предположении, что выходное сопротивление эмиттерного повторителя равно нулю. Тогда для выходной цепи справедлива передаточная функция
W(p)=T1p/(T1p+1), где, T1=Rн Cр3.
Отсюда
Ср3=1/ωсрRн=1/30π·50=212 мкФ.
Принимаем Ср3=220 мкФ.
5. Рассчитывают цепи общей ООС. Цепь общей ООС имеет передаточную функцию W(p)оос=К(T1p+1)/(T2p+1), где: К=R″э1/(R″э1+Rос); T1=Rос·Cос; T2=Rос·R″э1·Сос/(Rос+R″э1).
Для расчета цепи ООС определим частоты среза для каждого каскада характеризующихся собственными частотными свойствами транзисторов.
Для каскада на VT1: fср1=250·106/90=2 778 кГц.
Для каскада на VT2: fср2=5·106/120=42 кГц.
Для каскада на VT3: fср3=5·106/40=125 кГц.
Следовательно, цепь ООС должна обеспечить спад частотной характеристики в диапазоне частот fн<f<fср2.
Суммарный коэффициент усиления усилителя без цепи ООС
КΣ=Кu1·Кu2=9,4·660=6204
Требуемый коэффициент усиления КuΣ=50. Тогда коэффициент передачи цепи по постоянному току
В
. Максимальный эмиттерный ток транзистора 
и 
включены параллельно
.
.
, где 
коэффициент нестабильности. Тогда, так как для каскада на транзисторе 
, получаем
= 
.
. Тогда транзистор должен отвечать следующим требованиям
;
;
;
; 
; 
; 
; 
.
; 
; 
, с учетом выражения для минимального напряжения на резисторе 
найдем
.
:
.
.
;
; 
; 
; 
; 
.
найдем
, 
>> 
– отвечает условию независимости выходного напряжения делителя 
от тока базы 
)
.
.
мкФ; Cр1=37· 
мкФ.
