Понятие о резисторном каскаде.

Электрические колебания усиливаются с помощью специальных устройств – усилителей. В качестве усилительных элементов в которых используются электронные лампы, биполярные и полевые транзисторы. В усилительных элементах происходит преобразование энергии постоянного тока в энергию сигнала.

Процесс усиления сигнала рассмотрим с использованием в качестве усилительного элемента биполярного транзистора типа p-n-p (рисунок 1).

Основными носителями в транзисторе p-n-p являются дырки. Дырка – это атом, отдавший валентный электрон. Поэтому движение дырки можно рассматривать как ступенчатое движение электрона от одного атома к другому.

Дырка, под воздействием напряжения источника Е1 переходит из области эмиттера в область базы и становится неосновным носителем. Под воздействием источника Е2 дырка переходит в область коллектора. В схеме протекают токиI_Б и I_К. Сумма этих токов определяет ток эмиттера I_Э=I_Б+I_К.

Так как во входной цепи усилительного элемента протекает ток, то такая схема называется «с управлением по току». Эмиттер является общим электродом для входного и выходного тока, поэтому в рассматриваемой схеме транзистор включен по схеме с общим эмиттером.

Максимальное значение напряжения источника Е1 для германиевых транзисторов равно 0,72 В, а для кремниевых – 1,12 В. При бóльших значениях этих напряжений транзистор переходит в режим насыщения, т.е. при изменении тока I_Б ток коллектора остается практически постоянным.

Значения напряжения источника Е2 для германиевых и кремниевых транзисторов берется в пределах 9…24 В.

Значение напряжения источника Е1 (рисунок 2) определяет рабочую точку на входной характеристике транзистора и называется напряжением смещения: в цепи базы и коллектора транзистора протекают постоянные токи I_Б0 и I_К0 соответственно (рисунок 3, а).

Если на микрофон воздействовать звуковым давлением, изменяющимся по закону синусоиды, то сопротивление микрофона будет изменяться тоже по закону синусоиды, а следовательно аналогично будут изменяться ток базыi_Б и ток коллектора i_К. В динамике будет прослушиваться сигнал.

Если работу транзистора в усилительном режиме сравнить с дверью, то рабочую точку можно интерпретировать с углом отрывания в режиме покоя (U_C=0), а работу транзистора в режиме усиления с отклонением дверей от состояния покоя.

Чтобы успешно изучать предмет электронные усилители, необходимо ответить на следующие вопросы:

1. Что такое усиление?

Усиление – это увеличение мощности (а не только напряжения или тока) сигнала.

Пусть ток базы получит приращение ΔI_Б, то приращение тока коллектора будет равно ΔI_К= ΔI_Б·h_21ОЭ, где h_21ОЭ – коэффициент передачи по I в схеме с ОЭ. Тогда мощность сигнала на входе P_ВХ=ΔI_Б·Е1, а на выходе – P_ВЫХ=ΔI_К·Е2. Так как Е2>Е1, ΔI_К>ΔIб, то очевидно P_ВЫХ>> P_ВХ.

2. Где происходит усиление?

Усиление происходит в усилительном элементе.

3. За счет чего происходит усиление?

Усиление происходит за счет изменения внутреннего сопротивления усилительного элемента по закону сигнала. В рассматриваемой на рисунке 1 схеме это сопротивление между эмиттером и коллектором транзистора.

4. Возможно ли рассматривать усилитель как источник энергии?

Нет, в усилительном элементе происходит преобразование мощности источника постоянного тока в мощность сигнала, т.е. к.п.д. меньше 100%.

Наличие двух источников постоянного тока Е1≈1В и Е2≈9В создает трудности при эксплуатации рассмотренной схемы усиления. Поэтому целесообразно напряжение Е1 получить путем деления напряжения Е2. Для этого можно применить резисторный делитель напряжения (рисунок 4). Считаем, что внутреннее сопротивление источника Е2 равно нулю.

Если выбрать соотношение , то на сопротивленииR_Д2 выделится напряжение 1В.

Сучетом вышеизложенного в схеме усилителя (рисунок 1) источник Е1 можно заменить делителемR_Д1 и R_Д2 (рисунок 5).

Падение напряжения на резисторе R_Д2 плюсом приложено к эмиттеру, а минусом – к базе транзистора, т.е. падение напряжения на резисторе R_Д2 является напряжением смещения. Сопротивление резистора R_Д2 должно быть на порядок больше сопротивления перехода r_БЭ.

Усиление сигнала, создаваемое одним каскадом, не всегда обеспечивает заданную выходную мощность, т.к. коэффициент усиления по току h_21ОЭ и Е2 имеют фиксированное значение. Поэтому усилители изготовляются многокаскадными с нечетным количеством каскадов. Для этого нагрузку переносят в следующий каскад, а коллектору транзистора предыдущего каскада подключают следующий каскад (рисунок 6).

Чтобы переменная составляющая тока коллектора, т.е. сигнал (рисунок 3) поступал в следующий каскад, в цепь коллекторного тока транзистора VT1 необходимо включить сопротивление. Тип этого сопротивления определяет свойства и название каскада. Так, если взят резистор – то каскад называется резисторным, дроссель – дроссельным, трансформатор – трансформаторным, колебательный контур – резонансным, транзистор – каскад с активной нагрузкой.

Каким должно быть сопротивление элемента, включенного в цепь коллектора? Для постоянной составляющей коллекторного тока сопротивление должно быть минимальным, чтобы большая часть напряжения источника питания прикладывалась к коллектору транзистора. Для переменной составляющей коллекторного тока сопротивление должно быть максимальным, чтобы большая часть переменной составляющей коллекторного тока (т.е. сигнал) поступила в следующий каскад. Такими свойствами обладают дроссели, трансформаторы, транзисторы. Поэтому дроссельные, трансформаторные и каскады с активной нагрузкой обладают высоким КПД.

Чтобы изменяющееся сопротивление микрофона (рисунок 2) не изменяло положение рабочей точки, между микрофоном и входом усилителя включают конденсатор С_Р. Аналогично включается конденсатор между коллектором VT1 и базой транзистора VT2.

Значение емкости разделительного конденсатора выбирается таким, чтобы его сопротивление в рабочей полосе частот стремилось к нулю.

Так как генерация носителей в эмиттере (рисунок 1) зависит от температуры, то и усилительные свойства усилителя будут зависеть от температуры. Это явление крайне нежелательно. Для термостабилизации режима работы в цепь эмиттера транзистора включают R_Э, которое создает последовательную обратную связь по току. Тогда напряжение смещения определится U_БЭ=I_Д·R_Д2–I_ЭR_Э. При увеличении температуры генерация носителей в области эмиттера транзистора увеличится и возрастет ток I_Э, а следовательно уменьшится напряжение смещения U_БЭ. Ток коллектора I_К, а следовательно и выходная мощность останутся без изменения.

Введение обратной связи приведет к уменьшению выходной мощности каскада. Для устранения этого нежелательного явления параллельно R_Э подключается конденсатор С_Э. Значение емкости С_Э выбирается таким, чтобы реактивное сопротивление в рабочей полосе частот стремилось к нулю. В этом случае постоянная составляющая коллекторного тока будет протекать черезR_Э, а переменная составляющая – через С_Э. Так как Х_СЭ→0, то выходная мощность каскада не будет уменьшаться.

Чтобы не было влияния нестабильности источника питания Е2 (Е_К) и паразитных обратных связей между каскадами через внутреннее сопротивление источника питания Е2 применяют фильтры. Наиболее широкое применение получили фильтры типа RC.

Всвязи с вышеизложенным принципиальная схема двухкаскадного резисторного усилителя имеет вид (рисунок 7).

Рассмотрим цепи тока в двухкаскадном резисторном усилителе (рисунок 7). При отсутствии напряжения сигнала U_С=0 в усилителе протекают постоянные токи.

Цепи тока делителя:

1. в первом каскаде – плюс Е_К, корпус, резистор R2, резистор R1, резистор R5, минус Е_К.

2. во втором каскаде – плюс Е_К, корпус, резистор R7, резистор R6, минус Е_К.

Цепи тока эмиттера:

1. в первом каскаде – плюс Е_К, корпус, резистор R4, , резисторR5, минус Е_К.

2 во втором каскаде – плюс Е_К, корпус, резистор R9, , резисторR5, минус Е_К.

Проанализировав вышеизложенное, можно сделать вывод, что нагрузкой транзистора VT1 по постоянному току являются резисторы R3, R4, R5, а транзистора VT2 – R8, R9.

При подключении источника сигнала Uс во входной цепи транзистора VT1 протекают следующие токи.

1. +U_C, конденсатор С2, резистор R2, -U_C.

2. +U_C, конденсатор С2, резистор R1, конденсатор С1, корпус, -U_C.

3. +U_C, конденсатор С2, база-эмиттер VT1, конденсатор С4, -U_C.

Так как сопротивление конденсаторов С1, С2, С4 в рабочей полосе частот очень мало, то входное сопротивление первого каскада равно параллельному включению R1, R2 и сопротивлению открытого перехода r_БЭ. Но сопротивление R1 имеет значение десятки килом, R2 – единицы килом, r_БЭ – сотни Ом. Следовательно, входное сопротивление приблизительно равно r_БЭ.

В транзисторе происходит преобразование энергии постоянного тока в энергию сигнала. Под воздействием сигнала изменяется внутреннее сопротивление транзистора и в транзисторе протекают пульсирующие токи (рисунок 3, б). Поэтому транзистор можно рассматривать как генератор переменного напряжения изменяющегося по закону сигнала. Пусть полярность переменной составляющей тока коллектора имеет плюс на коллекторе и минус на эмиттере (рисунок 7). В выходной цепи транзистора VT1 протекают следующие токи:

1 Плюс U_К2, резистор R3, конденсатор С1, корпус, конденсатор С4, минус U_Э2.

2 Плюс U_К2, конденсатор С3, резистор R7, конденсатор С4, минус U_Э2.

3 Плюс U_К2, конденсатор С3, резистор R6, блокированный конденсатор С_Б в Е_К, корпус, конденсатор С4, минус U_Э2.

4 Плюс U_К2, конденсатор С3, r_БЭ транзистора VT2, конденсатор С5, конденсатор С4, минус U_Э2.

Через полупериод токи меняют свое направление.

Проведя анализ, можно утверждать, что нагрузкой по переменному току транзистора VT1 являются сопротивления R3 (R_К) и r_БЭ транзистора VT2.