Общие сведения. Усилителем называют устройство, позволяющее увеличить напряжение, ток, мощность слабых электрических сигналов

Усилителем называют устройство, позволяющее увеличить напряжение, ток, мощность слабых электрических сигналов. В усилителях используют биполярные и полевые транзисторы, а последние годы – интегральные микросхемы (ИМС). Усилители на ИМС обладают высокой надежностью и экономичностью, большим быстродействием, имеют малые размеры и массу, высокую чувствительность. Они обеспечивают усиление очень слабых сигналов (напряжение порядка 10^–13 В, токи до 10^–17 А, мощность порядка 10^–24 Вт).

Многие усилители состоят из нескольких ступеней, осуществляющих последовательное усиление сигнала и называемых каскадами. В зависимости от выполняемых функций усилительные каскады подразделяют на каскады предварительного усиления, предназначенные для повышения уровня сигнала по напряжению, и выходные каскады – для получения требуемых тока или мощности в нагрузке.

Рассмотрим принцип построения и работы усилительного каскада на структурной схеме рис. 4.1. Основными элементами являются управляемый элемент УЭ (биполярный или полевой транзистор) и резистор R, которые совместно с источником питания Е образуют выходную цепь каскада. Усиление выходного сигнала u_вых происходит за счет энергии источника постоянного напряжения Е. При подаче входного сигнала u_вх изменяются сопротивление УЭ и ток выходной цепи i_вых по закону, задаваемому u_вх. Переменная составляющая i_вых создает переменный сигнал u_вых. Усилительные свойства каскада зависят от степени влияния u_вх на ток управляемого элемента. Чем больше изменяется ток, тем больше будет падение напряжения на резисторе R, а значит, и сигнал u_вых, который также зависит и от величины R.

Основные параметры усилительного каскада:

- коэффициент усиления по напряжению

K_U = U_вых / U_вх;

- коэффициент усиления по току

K_I = I_вых / I_вх;

- коэффициент усиления по мощности

K_P = P_вых / P_вх = U_вых I_вых / U_вх I_вх = K_U K_I

(в соотношениях используются амплитуды тока и напряжения).

В настоящей работе исследуется усилитель на биполярном транзисторе, который выполняет роль управляемого элемента. Транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя p–n–переходами, имеющий три вывода. В зависимости от чередования областей полупроводников с различными типами электропроводности различают транзисторы типа p–n–p и типа n–p–n. Их схематическое устройство и условное графическое обозначение показаны на рис. 4.2.

Центральный слой транзистора называют базой (Б), наружный слой, являющийся источником зарядов (электронов или дырок), – эмиттером (Э), а наружный слой, принимающий заряды, –
коллектором (К).

На переход эмиттер – база напряжение источника Е_э подается в прямом направлении, и прямое сопротивление перехода мало, поэтому даже при малых Е_э возникает значительный ток эмиттер – база I_э. На переход коллектор – база напряжение источника Е_к подается в обратном направлении.

Рассмотрим работу транзистора типа p–n–p (рис. 4.2) (транзистор типа n–p–n работает аналогично). При отсутствии источника Е_э эмиттерный ток I_э = 0, и в транзисторе через коллекторный переход в обратном направлении протекает малый ток (у кремниевых транзисторов I_ко = 0,1...10 мкА).

Соотношение между приращениями эмиттерного и коллекторного токов характеризуют коэффициентом передачи тока

.

Так как DI_к < DI_э, то для биполярных транзисторов a = 0,9...0,995 и ток коллектора I_к = I_ко + a I_э » I_э.

Рассмотренная схема включения транзистора, где база является общим электродом для эмиттерной и коллекторной цепей, называется схемой с общей базой. Ее применяют крайне редко из-за низкого коэффициента передачи тока.

Существует три способа включения транзистора: с общей базой, с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (электрод, находящийся на входе и выходе схемы одновременно, определяет название схемы). Основной является схема с общим эмиттером (рис. 4.3,а), в которой входной ток равен току базы:

I_б = I_э – I_к = I_э – (I_ко + aI_э) = (1 – a) I_э – I_ко << I_э » I_к.

Широкое применение схемы с общим эмиттером обусловлено малым входным (управляющим) током I_б. Коэффициент передачи (усиления) тока для схемы с общим эмиттером b = DI_к / DI_б колеблется в пределах 10...200.

Входные характеристики транзистора с ОЭ (рис. 4.3, б) отражают зависимость тока базы от напряжения, приложенного между базой и эмиттером, при U_кэ = const. Они мало зависят от U_кэ, поэтому обычно приводят одну характеристику I_б(U_бэ).

Выходные характеристики отражают зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при I_б = const (рис. 4.3, в).

Рассмотрим один из наиболее распространенных усилительных каскадов на транзисторах – каскад с общим эмиттером (рис. 4.4, а).

Источник усиливаемого сигнала подключается к входной цепи каскада (между базой и эмиттером) через конденсатор С1, а нагрузка R_н – к выходу каскада через конденсатор С2. Конденсаторы С1 и С2 разделяют эти цепи по постоянному току и связывают их по переменному. В выходную цепь включается источник Е_к, за счет которого происходит усиление мощности выходного сигнала.

При подаче входного сигнала u_вх на постоянную составляющую тока I_бп накладывается переменная составляющая i_б~, и ток базы становится пульсирующим i_б (рис. 4.4, б). Он вызывает пульсацию тока коллектора i_к = bi_б и коллекторного напряжения u_к. Переменная составляющая напряжения u_к~ через конденсатор С2 передается в нагрузку: u_н = u_вых.

По второму закону Кирхгофа для выходной цепи

Е_к = u_к + R_к i_к = (U_кп + u_к~) + R_к (I_кп + i_к~).

Так как Е_к = const и режим по постоянному току не меняется, то видно, что с увеличением тока i_к~ напряжение u_к~ уменьшается, оно сдвинуто по фазе относительно входного напряжения на 180° (рис. 4.4, б).

Недостатком полупроводниковых усилителей является зависимость их параметров от температуры. Для уменьшения влияния температуры в рассмотренном усилительном каскаде с ОЭ применена эмиттерная температурная стабилизация: в цепь эмиттера включен резистор R_э, шунтированный конденсатором С_э. С увеличением температуры возрастают токи транзистора I_кп, I_эп, но возникающее падение напряжения на резисторе R_э уменьшает напряжение U_бэп = U_R2 – R_э I_эп (при U_R2 = const), что повлечет уменьшение токов I_бп, I_эп, I_кп. Стабилизация тем эффективнее, чем больше R_э.
Но падение напряжения на R_э уменьшает U_бэ и снижает коэффициент усиления, что нежелательно. Это явление называют отрицательной обратной связью (ООС). Для ослабления ООС по переменному напряжению резистор R_э шунтируют конденсатором С_э, сопротивление которого Х_сэ << R_э для всех частот u_вх. Тогда падение напряжения на участке R_э – С_э от переменной составляющей i_э незначительно, и усиливаемое напряжение практически не меняется: u_бэ » u_вх.

Основные характеристики усилителя: амплитудная U_вых (U_вх) и амплитудно-частотная К_U (f), определяющая зависимость модуля коэффициента усиления напряжения от частоты усиливаемого сигнала.

Амплитудная характеристика (рис. 4.5) позволяет определить диапазон входного напряжения, в пределах которого зависимость U_вых (U_вх) линейная. При большой амплитуде входного напряжения U_вх > U_вх.max появляются нелинейные искажения u_вых, обусловленные нелинейностью входной и выходной характеристик транзистора (рис. 4.3, б, в).

Амплитудно–частотная характеристика (рис. 4.6) важна при усилении несинусоидальных сигналов, так как гармонические составляющие u_вх усиливаются в различной степени, и форма u_вых искажается. По амплитудно-частотной характеристике определяют полосу пропускания усилителя – диапазон от низших f_н до высших f_в частот, в котором коэффициент усиления К_U ³ К₀ / , где К₀ – максимальный коэффициент усиления.

Уменьшение К_U при низших частотах обусловлено влиянием конденсаторов С1, С2, С_э. С понижением частоты увеличивается, и возрастают падения напряжения на конденсаторах. В диапазоне средних частот влиянием разделительных конденсаторов можно пренебречь из-за малости их сопротивления, и коэффициент усиления максимален. В области высших частот усилительные свойства ухудшаются, так как изменяется сопротивление межэлектродной емкости коллекторного перехода и уменьшается коэффициент усиления тока транзистора b.