Теоретические сведения. Во многих инженерно-технических задачах, решаемых с помощью электронной техники, возникает необходимость в усилении слабых электрических сигналов

Во многих инженерно-технических задачах, решаемых с помощью электронной техники, возникает необходимость в усилении слабых электрических сигналов. Такое усиление осуществляется электронными усилителями - устройствами, которые увеличивают мощность электрических сигналов посредством усиления либо напряжения сигнала, либо тока, либо того и другого вместе.

Электронный усилитель содержит усилительный прибор - актив­ный элемент (АЭ) с источником питания и ту или иную совокупность пассивных элементов. В качестве АЭ в настоящее время используют биполярные и полевые транзисторы; находят применение также традиционные усилительные приборы электронные лампы. Активный элемент АЭ под действием входного усиливаемого сигнала преобразует энергию источника питания в энергию выходного усиленного сигнала. Пассивные элементы усилителя (резисторы, конденсаторы и др.) служат для обеспечения исходного режима работы АЭ, температурной стабилизации этого режима и др. целей. Один АЭ (с источником питания) и относящиеся к нему пассивные элементы образуют отдельный усилительный каскад.

Главным параметром электронного усилителя является его коэффициент усиления. При усилении по напряжению этот коэффициент есть

Кu Uвых/Uвх

где Uвых, и Uвх - напряжения соответственно на выходе и на входе усилителя. Коэффициент усиления измеряют также в логарифмичес­ких единицах - в децибелах. Коэффициент усиления по напряжению, выраженный в децибелах, равен

Ku[дБ]= 20 lgKu, дБ

где Кu- исходный коэффициент усиления в разах.

Среди других параметров, определяющих технические характеристики усилителя, важными являются:

- рабочий диапазон частот или полоса пропускания усилителя;

- его входное и выходное сопротивления;

- уровень искажений сигнала в усилителе;

- динамический диапазон работы усилителя и др.

Рабочий диапазон частот или полоса пропускания усилителя Δƒ это такой интервал частот, в пределах которого коэффициент уси­ления усилителя изменяется лишь в сравнительно небольших допус­тимых пределах, стандартными являются пределы ± 3 дБ, т.е. из­менение усиления в √2 раз. Параметр Δƒ определяют по амплитуд­но-частотной характеристике (АЧХ) усилителя – зависимости коэффициента усиления KU от частоты сигнала

Обычно полоса пропускания усилителя Δƒ достаточно протяжен­ная, поэтому при построении АЧХ по горизонтальной оси частот ис­пользуется логарифмический масштаб. По вертикальной оси откладывается относительное усиление (КU/Ко), выраженное в децибелах, т.е. величина 20lg (КU/Ко ) где К0 - наибольший коэффициент усиления усилителя, имеющий место на средних частотах рабочего диапазона.

Типичная АЧХ усилителя низких частот приведена на рис. 2.1, отмечены средние частоты, на которых усилитель имеет практичес­ки неизменное и наибольшее усиление КU = К0; отмечена также по­лоса пропускания Δƒ0,7, взятая по уровню -3 дБ, т.е. по допустимому спаду усиления в - √2 раз по отношению к наибольшему значению Ko - до уровня 0,707Ko.

Рис.2.1

Усилительный каскад с общим эмиттером (ОЭ) является одним из наиболее распространенных транзисторных каскадов на биполярных транзисторах. В данном каскаде, рис.2.2, эмиттер транзистора VT1 "заземлен" (подключен к общей шине) по переменному току сигнала через конденсатор Сэ в эмиттерной цепочке Rэ÷Сэ термостабилизации рабочей точки транзистора. Такое "заземление" будет иметь место, если емкостное сопротивление Хс = 1/(ωСэ) конденсатора Сэ окажется пренебрежимо малым по сравнению с величиной Rэ во всем рабочем диапазоне частот. Отсюда следует, что значение Сэ должно быть выбрано из соотношения: 1/(ωСэ) « Rэ,

где ωн - нижняя граница рабочего диапазона частот. Отсюда

также следует и то, что влияние величины Сэ на усиление каскада наиболее заметно может проявляться именно в районе частоты ωн. Коллекторный резистор rk ограничивает ток каскада и определяет наклон линии нагрузки. Делитель Rl÷R2 устанавливает рабочую точку (исходный режим) транзистора. Конденсаторы С1 и С2 называются разделительными, т.к. разделяют цепи прохождения постоянного тока от источника питания и переменного тока сигнала. Действительно, конденсаторы не пропускают постоянный ток как из цепи базы транзистора к источнику входного сигнала (С1), так и с коллектора транзистора к нагрузке усилителя (С2). С другой стороны, значения емкостей С1 и С2 выбираются так, чтобы конденсаторы мало влияли (или влияли допустимым образом) на прохождение через них переменного тока сигнала во всем рабочем диапазоне частот. Для этого необходимо обеспечить низкие значения емкостных сопротивлении этих конденсаторов на нижней граничной частоте диапазона сон- Влияние конденсаторов С1 и С2 на спад усиления каскада наиболее заметно проявляется в области нижних частот, т.к. их емкостные сопротивления при снижении частоты сигнала возрастают, и все более и более препятствуют его прохождению. Этим и определяется "завал" АЧХ в области нижних частот рабочего диапазона усилителя.

"Завал" АЧХ в области верхних частот диапазона вызывается снижением усилительных свойств транзистора и шунтирующим действием так называемой "паразитной" емкости Со (рис. 2.2) в выходной цепи каскада. Название этой емкости связано с тем, что, во-первых, будучи включенной параллельно нагрузке усилителя, она снижает усиление каскада на высоких частотах, ибо шунтирует ("закорачивает") здесь нагрузку, во-вторых, такую емкость, естест­венно, не включают, но она присутствует из-за физически неуст­ранимых емкостей монтажных проводов, паек, выходной цепи тран­зистора, входной цепи нагрузки и т.п. Чем больше значение па­разитной емкости Со и чем выше частота сигнала со, тем меньше шунтирующее нагрузку усилителя емкостное сопротивление 1/(ωСо) и тем сильнее снижается усиление каскада.