Электронные усилители

Схема и принцип действия электронных

Усилителей

Усилителем называется устройство, предназначенное для повышения мощности входного сигнала. В линейном усилителе сходном сигнал усиливается без искажения его формы.

►Повышение мощности сигнала на выходе усилители достигается преобразованием энергии источника питания постоянного тока в энергию переменного сигнала.

Такое преобразование энергии осуществляется с помощью активных компонентов — транзисторов или электронных ламп. Соответственно усилители подразделяют на полупроводниковые и ламповые. В настоящее время применяют в основном полупроводниковые усилители в интегральном исполнении.

В общем случае электронные усилители являются многокаскадными устройствами. Отдельные каскады связаны между собой цепями, по которым передается переменный (усиливаемый) сигнал и не пропускается постоянный сигнал. Каскады выполняют по схеме с общим эмиттером (см. рис. 74, а) и с общим истоком, с общим коллектором (см. рис. 74, б) и с общим стоком, с общей базой (см. рис. 73, а) и с общим затвором.

Каскады с общим эмиттером я общим истоком называются усилительными каскадами, с обшим коллектором я общим стоком — повторителями напряжения, с общей базой и общим затвором — повторителями тока.

ЗАПОМНИТЕ

Схема любого каскада состоит из источника питания, транзистора и цепей смещения, обеспечивающих режим транзистора по постоянному току (режим покоя).

Принципиальная электрическая схема усилительного каскада на биполярном транзисторе приведена на рис. 91. В этой схеме транзистор включен в цепь источника питания последовательно с резисторами R_K и R_Э. Режим покоя усилителя задается входным делителем R₁-R₂ совместно с резисторами R_K и R_Э Кроме того, резисторы R₁, R₂, R_Э стабилизируют коллекторный ток покоя при изменении окружающих условий.

Стабилизация будет тем лучше, чем меньше сопротивления R₁ и R₂ и чем больше R_Э.

Резистор R_Э создает сильную отрицательную обратную связь, препятствующую изменению коллекторного тока покоя. Однако стабилизирующее действие R_Э на ток I_К проявляется и при усилении переменного сигнала, что приводит к снижению коэффициента усиления. В усилителях переменного тока это нежелательное явление исключают, шунтируя резистор R_Э конденсатором большой емкости С_Э так, чтобы его реактивное сопротивление на частоте переменного сигнала было ничтожным по сравнению с R_Э. Конденсаторы С₁ и С₂ являются разделительными. Они разделяют по постоянному току соответственно цепь источника сигнала (С₁) и выход усилителя (С₂).

Принцип усиления переменного сигнала и определение рабочей точки в усилительном каскаде иллюстрируется рис. 92. На рисунке приведено семейство выходных характеристик транзистора I_К =f(U_КЭ,I_Б). В отсутствие входного сигнала устанавливается режим покоя. В первом приближении можно считать, что постоянный ток коллектора примерно равен току эмиттера. Это позволяет определить напряжение между коллектором и эмиттером U_КЭ в режиме покоя, как U_КЭ=Е_К — I_К(R_К + R_Э). Функция U_КЭ =f(I_К) описывает нагрузочную прямую каскада для постоянного тока. Она проходит через точку С, в которой U_КЭ=0 и I_К=E_К/(R_К + R_Э), а также точку В, в которой I_К=0 и U_КЭ=E_K. Точки пересечения нагрузочной прямой с характеристиками семейства I_K(U_КЭ,I_Б) соответствуют режиму покоя транзистора. Если с помощью R₁, R₂, R_Э задан ток базы /ба, то, построив выходную характеристику I_к(U_кэ)/I_ба, получим точку пересечения А, которая и является рабочей точкой в режиме покоя. Проекция точки А на ось ординат дает значение тока I_КА, а на ось абсцисс (точка F) — значение напряжения U_КА в режиме покоя.

При действии переменного входного сигнала ток базы изменяется в некоторых пределах при возрастании от I_БА до I_Бmax и при убывании от I_БА до I_{БА min} (соответственно I_Б5 и I_Б1 на рис. 92).

Мгновенное значение переменной составляющей тока коллектора связано с переменными значениями тока базы соотношением i_к=βi_б. Эти изменения сказываются как в цепи R_К, так и R_н. Это означает, что эквивалентной нагрузкой каскада является параллельное соединение резисторов R_К, и R_н [R_Кн= R_КR_н/(R_К+R_н)].

Линия нагрузки по переменному току проходит через точку А под большим углом ψ. Эта линия пересекает вольт-амперную характеристику в точке D, а для минимального тока — в точке Е. На рис. 92 приведено построение i_K(t). Переменная составляющая коллекторного напряжения u_K(t)=i_K(t)R_K является выходным сигналом усилителя. Сопоставляя кривые тока i_к(t) и напряжения u_К(t), можно отметить, что i_K и u_K имеют противоположные фазы(знаки). В то же время нетрудно установить, что сигнал i_К(t) совпадает по фазе с входным сигналом u_вх(t)

► Таким образом, усилительный каскад с общим эмиттером инвертирует фазу входного сигнала.

Для характеристики усилителя в динамическом режиме работы вводят следующие основные параметры: коэффициент усиления напряжения К_U = U_вых/U_вх, коэффициент усиления тока

K_I = i_вых/i_вх и коэффициент усиления мощности К_P=Р_вых/Р_вх= K_UK_I.

В некоторых случаях усиление удобно выражать в логарифмических единицах — децибелах: К_U,I (дБ)=201gК_U,I; К_Р(дБ) =101gK_P.

► По отношению к источнику входных сигналов усилительный каскад характеризуется входным сопротивлением R_вх, а по отношению к нагрузке — выходным сопротивлением R_вых.

В рассматриваемой схеме входное сопротивление переменному сигналу определяется сопротивлением резисторов R₁, R₂, соединенных параллельно с входным сопротивлением транзистора, а выходное R_вых — сопротивлением резистора R_K.