Электроника

81

ток, протекающий от источника питания с напряжением EП в цепь, состоящую из R и АЭ. В результате будет меняться падение напряжения на элементах схемы, а, следовательно, и выходное напряжение Uвых . В правильно спроектированном усилителе напряжения нетрудно получить

Uвых Uвх .

2.1. Основные параметры и характеристики

Рассмотрим структурную схему усилительного каскада, приведенную на рис. 2.2. Здесь усилитель представлен как активный четырехполюсник с общей шиной для входа и выхода. Входной сигнал от генератора

напряжения EГ , имеющего внутреннее сопротивление RГ , подается на вход усилителя, а на выходе усилителя подключено сопротивление нагрузки RН .

Рис. 2.2.Структурная схема однокаскадного усилителя.

Генератор и нагрузка не являются частями усилительного каскада, но часто играют значительную роль в его работе. Усилитель на рис. 2.2 представляется своими входным Rвх и выходным Rвых сопротивлениями.

По роду усиливаемой величины различают усилители напряжения, тока и мощности. Все усилители усиливают мощность, но усилитель напряжения главным образом усиливает напряжение, а в усилителе тока в большей степени усиливается ток.

Удобно подразделять усилительные каскады по соотношениям величин Rвх и RГ . Если в усилителе Rвх RГ , то он имеет потенциальный вход и

является усилителем напряжения. В усилителе тока Rвх RГ , т.е. имеет место токовый вход и усилители мощности, которые работают на согласованную нагрузку ( Rвых RН ).

Как правило, усилитель состоит из нескольких усилительных каскадов (рис. 2.3). Каскады нумеруются в возрастающем порядке от входа. Нагрузкой первого каскада является входное сопротивление второго каскада, а источником входного сигнала для второго каскада является выход первого каскада и т. д. Первый каскад называется входным, а последний - выходным или оконечным. Входной каскад осуществляет согласование усилителя с источником входного сигнала, поэтому для усилителя напряжения требуется

83

логарифмическим законом слухового восприятия. Ниже приведены сравнительные значения Ku , выраженные в дБ и относительных

единицах. Если коэффициент усиления каждого каскада выражен в дБ , то

общее усиление многокаскадного усилителя равно сумме коэффициентов усиления каскадов.

Помимо усиления сигнала необходимо, чтобы усилитель не изменял его формы, т. е. в идеальном случае точно повторял все изменения напряжения (или тока). При этом допускается некоторый сдвиг сигнала по времени. Отклонение форм выходного и входного сигналов принято называть искажениями. Они бывают двух видов: нелинейные и линейные. Нелинейные искажения определяются нелинейностью ВАХ транзисторов, на которых собран усилитель; Так, при подаче на вход сигнала синусоидальной формы выходной сигнал не будет чисто синусоидальным, а будет содержать составляющие высших гармоник. Это просто получается с помощью входной ВАХ биполярного транзистора, которая имеет форму экспоненты, а не прямой линии. Искажения этого вида оцениваются коэффициентом гармоник (коэффициентом нелинейных искажений)

К Г Р2 Р3 ... Рn Р1 I22m I32m ... Inm2 I12m

U22m U32m ... Unm2 U12m ,

где Рn - мощность n – й гармонической составляющей выходного сигнала; U nm , Inm - амплитуды напряжений и токов n – й гармонической составляющей выходного сигнала.

В многокаскадных усилителях общий коэффициент K Г можно

принять равным сумме коэффициентов гармоник всех каскадов. На практике же основные искажения обычно вносятся выходным каскадом, который работает на больших амплитудах сигналов.

Для оценки нелинейных искажений можно воспользоваться амплитудной характеристикой усилителя (рис. 2.4), представляющей собой

зависимость амплитуды выходного напряжения Uвых от амплитудного значения входного сигнала Uвх неизменной частоты. При небольших напряжениях Uвх амплитудная характеристика практически линейна. Угол ее наклона определяется коэффициентом усиления на данной частоте.

84

Изменения угла наклона при больших Uвх указывает на появление искажений формы сигнала.

Линейные искажения определяются зависимостями параметров транзисторов от частоты и реактивными элементами усилительных устройств. Эти искажения зависят лишь от частоты усиливаемого сигнала.

Зависимость Ku усилителя от частоты входного сигнала принято называть

амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ). С помощью АЧХ (рис. 2.5)

можно представить коэффициенты частотных искажений на низшей M н и

высшей M в частоте заданного диапазона работы усилителя в виде:

может составлять несколько десятков МГц.

Необходимо отметить, что в усилителях имеют место фазовые сдвиги между входным и выходным сигналами, которые могут привести к появлению фазовых искажений. Фазовые искажения проявляются лишь при нелинейной зависимости фазового сдвига от частоты. Эту зависимость принято называть фазо-частотной (фазовой) характеристикой (ФЧХ).

Частотные и фазовые искажения являются линейными искажениями и

85

обусловлены одними и теми же причинами, причем большим частотным искажениям соответствуют большие фазовые искажения, и наоборот.

Помимо рассмотренных параметров и характеристик часто необходимо знать коэффициент полезного действия усилителя, коэффициент шума, стабильность, устойчивость работы, чувствительность к внешним помехам и др.

Одним из основных параметров выходного каскада усилителя является коэффициент полезного действия:

усилителя определяется главным образом выходного каскада.

Параметры и характеристики усилителей зависят как от числа каскадов, так и от активного элемента (транзистора) и способа его включения в усилительном каскаде.

2.2. Усилители на биполярных транзисторах

Среди многочисленных вариантов усилительных каскадов самое широкое применение находит каскад на биполярном транзисторе, включенном по схеме ОЭ. Принципиальная схема упрощенного варианта такого каскада приведена на рис. 2.6. В качестве разделительных элементов

здесь использованы конденсаторы С1 и С2 , т. е. источник входного сигнала EГ и сопротивление нагрузки RН подключены соответственно ко входу и выходу каскада посредством емкостной связи. Основой усилительного

следовательно, и ток коллектора. В результате напряжение на резисторе Rк

86

увеличится, а напряжение на коллекторе транзистора уменьшится, т. е. произойдет формирование отрицательной полуволны выходного напряжения. Таким образом, каскад ОЭ инвертирует входной сигнал,

осуществляет сдвиг фазы между Uвых и Uвх на 180°

Рис. 2.7. Вольт-амперные характеристики транзистора ( а -

входная, б - выходная ).

.

Рассмотрим работу усилительного каскада ОЭ по входным и выходным характеристикам. На входной ВАХ биполярного транзистора (рис. 2.7, а)

выбираем на линейном участке (для получения минимального KГ ) рабочую точку (ток Iб0 и напряжение Uбэ0 покоя). Затем прикладываем переменный входной сигнал Uвх . В результате ток базы станет изменяться от Iб1 до Iб2 .

Такой режим работы усилительного каскада принято называть режимом (или классом) А. Это самый распространенный режим для усилителей напряжения. Другие режимы работы каскадов чаще используются в усилителях мощности (см. раздел 2.5).

На выходных ВАХ транзистора (рис. 2.7, б) проводим линию нагрузки по постоянному току Rк , представляющую собой зависимость тока в цепи коллектора от напряжения Uкэ при заданном напряжении источника питания

наклон линии нагрузки определяется номиналом резистора Rк . Пересечение линии нагрузки с характеристикой, соответствующей Iб0 , определяет точку

покоя на выходных ВАХ, т. е. Iк0 и Uкэ0 .

Теперь можно определить изменение тока коллектора при изменении тока базы от Iб1 до Iб2 . Изменяющийся ток коллектора создает переменное

напряжение на резисторе Rк и, соответственно, на выходе усилительного каскада Uвых . Обращает на себя внимание, что Uвых и Uвх будут

87

находиться в противофазе, т. е., как уже отмечалось выше, рассматриваемый каскад инвертирует сигнал.

для области средних частот, когда сопротивления разделительных ёмкостей

транзистора, которая дополнена пассивными элементами усилительного

88

коллектора Iк еIб , а Iб EГ (RГ Rвх ) . Следовательно, проведя подстановки и преобразования, можно записать:

Эта формула является одной из самых распространенных в полупроводниковой электронике. Знак « - » указывает на инвертирование

произведение Ku и Ki . Из всех усилительных каскадов на биполярных транзисторах каскад ОЭ обладает лучшими усилительными свойствами. Он хорошо усиливает напряжение, ток и мощность (K p 103) .

транзистора, близким к rк* . Поскольку обычно rк* Rкн , то можно считать,

что Rвых Rк и составляет единицы кОм.

Рассматриваемый до сих пор вариант усилительного каскада ОЭ (см. рис. 2.6) был удобен для проведенного анализа. Однако на практике он используется довольно редко из-за низкой стабильности режима покоя и коэффициентов усиления. Лучшей стабильностью обладает каскад ОЭ, принципиальная схема которого приведена на рис. 2.9. Все изложенное выше относительно параметров каскада ОЭ (см. рис. 2.6) справедливо и для каскада ОЭ (рис. 2.9).

внешних воздействиях. Отметим, что для поддержания постоянного напряжения на базе необходимо иметь Rвх Rб2 .

Если Rэ создает отрицательную обратную связь, как по постоянному, так и по переменному току, то первая, как отмечалось выше, стабилизирует режим покоя усилителя, а вторая - снижает Ku .

Для устранения снижения Ku в устройство введен конденсатор Сэ , который для переменного тока устраняет отрицательную обратную связь, шунтируя Rэ . Отметим, что Сэ влияет на работу каскада на низких частотах.

На рис. 2.9 изображена и емкость нагрузки Сн , которая в некоторых

случаях может быть подключена к выходу усилительного каскада.

При работе в области средних частот рассматриваемый усилительный каскад (рис. 2.9) может быть представлен с помощью эквивалентной схемы рис. 2.8. Однако при работе в области низких частот наблюдается спад коэффициента усиления (см. рис. 2.5), что обусловлено влиянием

конденсаторов С1, С2 и Сэ , поскольку при уменьшении частоты их сопротивление возрастает.