УСИЛИТЕЛИ И ГЕНЕРАТОРЫ НА ТРАНЗИСТОРАХ

1. Общие сведения

Усилители электрического сигнала представляют собой устройства для его усиления по напряжению, току или мощности за счет преобразования энергии источника питания в энергию выходного сигнала. Как иллюстрируется структурной схемой на рис.2.1, усилители имеют входную цепь, к которой подключается источник усиливаемого сигнала, выходную цепь, к которой подключается нагрузка, потребитель усиленного сигнала, а также цепь питания, к которой подключается источник, за счет энергии которого происходит усиление сигнала. Характер усиливаемого сигнала определяется его источником. Преобразование энергии источника питания под действием входного сигнала осуществляется за счет управляемого нелинейного элемента, на базе которого строится усилитель. В транзисторных усилителях в качестве такого элемента используются транзисторы.

Рисунок 2.1. Структурная схема усилителя

Основными параметрами усилителя являются:

- коэффициент усиления по напряжению

Ku = ,

где Uвх и Uвых – напряжения на входе и выходе усилителя (см. рис.2.1),

- коэффициент усиления по току

KI = ,

где Iвх и Iвых –токи на входе и выходе усилителя;

- коэффициент усиления по мощности

Kр = = = Ku KI,

где Рвх и Рвых – входная и выходная мощности.

Усилители могут работать либо в линейном, либо в нелинейном режимах. В линейном режиме мгновенные значения выходного напряжения пропорциональны мгновенным значениям входного напряжения, а, следовательно, при усилении не вносятся искажения в спектр входного сигнала. В нелинейном режиме пропорциональность между мгновенными значениями выходного и входного напряжений отсутствует и спектр выходного сигнала не совпадает со спектром входного.

По диапазону усиливаемых частот усилители разделяют на усилители постоянного тока (УПТ), предназначенные для усиления сигнала, уровень которого медленно изменяется во времени, и усилители переменного тока, которые в свою очередь подразделяются на усилители низкой частоты, усилители высокой частоты, а также на широкополосные и узкополосные усилители. Частотные свойства усилителя определяются по амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристикам, т.е. частотным зависимостям коэффициента усиления и изменения фазы сигнала при его усилении.

По виду усиливаемого сигнала усилители делятся на усилители аналоговых и импульсных сигналов. В общем случае в самом усилителе происходят переходные процессы, приводящие к искажению сигнала при его усилении. Влияние этих искажений при усилении аналогового сигнала мало, поскольку параметры такого сигнала изменяются в течение времени существенно медленнее переходных процессов в усилителе. Одной из важных проблем, которые должны решаться при создании импульсных усилителей, является сведение к минимуму искажений сигнала при его усилении.

Анализ работы аналогового усилителя гармонического сигнала является более простым по сравнению с анализом работы импульсного усилителя. В последнем случае используется частотный метод, при котором усиливаемый сигнал представляется набором гармонических составляющих и рассматривается процесс усиления отдельных гармоник, а затем оценивается суммарный результат. Такой подход возможен при работе усилителя в линейном режиме, где можно использовать принцип суперпозиции. Очевидно для усиления импульсных сигналов должны использоваться широкополосные усилители.

Генераторы, как усилители, являются преобразователями энергии источника постоянного напряжения в энергию выходного сигнала определенного спектра. Однако это преобразование происходит без подачи входного сигнала от внешнего источника. Поэтому в генераторе имеются лишь клеммы для подключения источника постоянного напряжения и вывода выходного сигнала.

2. Усилительный каскад на биполярном транзисторе

Усилители, как правило, состоят из ряда каскадов. Поэтому анализ работы усилителя целесообразно начать с рассмотрения принципа работы отдельного его каскада, в основу которого положено функционирование схемы, приведенной на рис.2.2. В состав этой схемы входит управляемый элемент УЭ, сопротивление RУЭ которого изменяется при изменении величины входного напряжения uВХ, резистора R и источника постоянного напряжения ЕП, включенных последовательно. Выходное напряжение снимается с точки «а» соединения элемента УЭ и резистора R, так что схема рис.2.2 представляет собой делитель напряжения источника ЕП и выходное напряжение равно

(2.1)

Рисунок 2.2. Схема, иллюстрирующая принцип построения

усилительного каскада

Очевидно, при изменении сопротивления управляемого элемента происходит изменение выходного напряжения. В частности, если под действием гармонического входного напряжения с частотой сопротивление управляемого элемента изменяется как

RУЭ = RУЭ0 + RУЭm sin t

и если R + RУЭ0 >> RУЭm, то выходное напряжение во времени также будет изменяться по гармоническому закону с частотой входного сигнала.

Из соотношения (2.1) также следует, что отсутствие в схеме рис.2.2 резистора R выходное напряжение будет равно ЕП, т.е. не будет зависеть от входного напряжения. Этим объясняется необходимость наличия в схеме усилительного каскада резистора в цепи управляемого элемента, котрым обычно является биполярный или полевой транзистор.

Рассмотренный принцип работы усилительного каскада реализуется в схеме, приведенной на рис.2.3, в которой биполярный транзистор типа n-p-n включен по схеме ОЭ. С использованием подобных схем обеспечивается усиление в частности гармонических сигналов. Источник постоянного напряжения ЕК подключается к клеммам «ЕК – земля». Резистор RК в коллекторной цепи транзистора – аналог резистора R схемы рис.2.2.

Рисунок 2.3. Схема усилительного каскада ОЭ

Входное переменное напряжение подается на вход каскада с задающего генератора е и через конденсатор С поступает на базу транзистора. Этим конденсатором устраняется влияние цепи постоянного тока усилительного каскада на задающий генератор. Усиленное переменное напряжение снимается с точки “а” схемы рис.2.3 и через конденсатор С поступает на выход усилительного каскада. Конденсатор С обеспечивает пропускание лишь переменной составляющей напряжения от транзистора к нагрузке (резистору R на рис.2.3)*/. Конденсаторы С и С называются разделительными.

Цепочка резисторов R и R является делителем напряжения источника питания Е и обеспечивает заданный режим базовой цепи транзистора по постоянному току (режим покоя). Этой цепочкой достигается питание входной и выходной цепей транзистора от одного источника. Очевидно, цепь с резисторами R и R выполняет вспомогательную функцию. Основной цепью усилительного каскада, отвечающей за процесс усиления, является та цепь, которая включает выходную цепь транзистора и резистор RК.

Обоснование необходимости введения в схему усилительного каскада резистора R и конденсатора С будет проведено ниже.

3. Токи в схеме усилительного каскада

Поскольку усилительным каскадом осуществляется преобразование энергии источника постоянного напряжения в энергию переменного тока, по ветвям схемы каскада протекают как постоянный, так и переменный токи. Из-за наличия в схеме конденсаторов эти токи протекают по разным цепям.

Цепь постоянного тока показана на рис.2.3. Она состоит из двух параллельно включенных ветвей. Одна из них включает транзистор, другая – делительную цепочку R - R. Через резистор R протекают два тока: ток базы IБ и ток делительной цепочки I. Оба эти тока существенно меньше тока коллектора I.

В отсутствии входного сигнала в схеме протекают только постоянные токи, а транзистор пребывает в «режиме покоя». Уравнение состояния цепи постоянного тока, необходимое для определения значений электрических параметров транзистора в этом режиме, записывается на основе второго закона Кирхгофа для контура, в который входят транзистор, резисторы R и R, а также источник Е. С учетом малой величины внутреннего сопротивления этого источника и малого отличия токов эмиттера и коллектора уравнение состояния можно представить как

Е = U + I( R + R). (2.2)

Откуда

U = Е - I( R + R). (2.3)

Поскольку транзистор является нелинейным элементом, решение уравнения (2.3) проводится методом пересечения характеристик: внешние характеристики источника Е, в состав которого входят резисторы R и R, определяемой правой частью уравнения, и выходной вольтамперной характеристикой транзистора (левая часть уравнения). Необходимые построения в соответствии с этим методом решения представлены на рис.2.4.

Линия нагрузки по постоянному току, построенная в координатах I - U, пересекает оси в точках Е (режим холостого хода) и

I =

(режим короткого замыкания). Тангенс ее угла наклона к оси ординат может быть выражен как

Рисунок 2.4. Линии нагрузки на выходной характеристике

транзистора: 1 - по постоянному току, 2 - по переменному току

= R + R = R . (2.4)

Величина R - определяет сопротивление, на которое нагружен выход транзистора по постоянному току. Действительно, с учетом малых величин токов делительной цепочки и базы, а также сопротивления источника ЕК, можно считать, что в коллекторную цепь транзистора входят два резистора R и R, включенные последовательно. В связи с этим прямая, соответствующая правой части уравнения (2.3) , отмеченная на рис.2.4 цифрой «1», получила наименование линии нагрузки по постоянному току.

Выходная вольтамперная характеристика транзистора, пересечение с которой линии нагрузки дает точку покоя, определяющую значения коллекторного тока и напряжения коллектор-эмиттер в режиме покоя, зависящую от величины тока базы. На рис.2.4 отмечены значения тока коллектора I и напряжения коллектор-эмиттер U, соответствующие точке покоя. Точка покоя, кроме значения тока базы IБП, определяет и величину напряжения база-эмиттер UБЭП (по входной характеристике транзистора). В связи с этим постоянные токи и напряжения транзистора на рис.2.3 обозначены с индексом “п”.

Значения электрических параметров транзистора в режиме покоя связаны с величинами сопротивлений схемы усилительного каскада. Второй закон Кирхгофа, с учетом того, что IБ << IК, позволяет записать:

(2.5)

(2.6)

Переменная составляющая коллекторного тока транзистора, как видно из рис.2.3, состоит из двух частей. Первая часть тока протекает через резистор R, источник питания Е и конденсатор С; вторая часть – через конденсатор С, сопротивление нагрузки R и конденсатор С*/. Таким образом, если пренебречь величинами сопротивлений для переменного тока конденсаторов С и С и внутренним сопротивлением источника Е, то выход транзистора по переменному току оказывается нагруженным на два сопротивления R и R, включенными параллельно.

R = RR. (2.7)

Соотношение (2.7) определяет угол наклона к оси ординат, с которым линия нагрузки по переменному току (прямая 2 на рис.2.4) проходит через точку покоя. При этом

R = = < R+ R.

Следовательно, линия нагрузки по переменному току для схемы усилительного каскада на рис.2.3 через точку покоя должна проходить под большим углом к оси напряжения, чем линия нагрузки по постоянному току. Линия нагрузки по постоянному току является геометрическим местом точек покоя, определяющих постоянные значения напряжений и токов транзистора. Линия нагрузки по переменному току определяет режим работы транзистора в фиксированный момент времени, т.е. его мгновенные значения токов и напряжений на выходной характеристике.

*/ Выходное напряжение транзистора, кроме переменной, содержит постоянную составляющую.

*/ В соответствии с соотношением (2.10).

УСИЛИТЕЛИ И ГЕНЕРАТОРЫ НА ТРАНЗИСТОРАХ