1. Классификация усилителей

Усилителями называются устройства, в которых сравнительно маломощный входной сигнал управляет передачей значительно большей мощности из источника питания в нагрузку. Все многообразие усилителей разделяют по ряду признаков.

1.По типу применяемого активного элемента выделяют

– усилители на электронных лампах;

– усилители на транзисторах;

– магнитные усилители;

– параметрические усилители;

– молекулярные усилители.

Усилители на электронных лампах в последние годы применяются ограниченно из – за больших габаритов, большой потребляемой мощности, малого срока службы. Магнитные усилители чаще используются в устройствах автоматики, параметрические и молекулярные – в технике СВЧ. Наиболее широкое применение в промышленной электронике нашли транзисторные усилители и усилители на ИМС.

2. В зависимости от полосы усиливаемых частот различают

– усилители постоянного тока (УПТ);

– усилители низкой частоты (УНЧ);

– избирательные усилители.

УПТ усиливают постоянную составляющую сигналов и колебания до некоторой, обычно не очень высокой, верхней частоты (рис. 21.1, а).

УНЧ предназначены для усиления сигналов в диапазоне от f_н до f_в (рис 21.1, б)

Избирательные усилители обеспечивают усиление сигналов со спектром, достаточно узким относительно средней частоты f₀. Для них справедливо условие (рис 21.1, в).

3. По назначению усилители делятся на

– усилители тока;

– усилители напряжения;

– усилители мощности.

Усилители тока предназначены для усиления до заданного значения протекающего через нагрузку тока.

В усилителе напряжения режим работы выбирается так, чтобы напряжение сигнала на его выходе было больше входного. При этом величина мощности сигнала на выходе усилителя не имеет существенного значения.

В усилителе мощности основной задачей является выделение заданной мощности сигнала на полезной нагрузке. При этом выходное напряжение может быть меньше, чем на входе.

4. По виду нагрузки активного усилительного элемента различают

– резистивные усилители;

– трансформаторные;

– резонансные.

5. В зависимости от способа включения усилительного элемента различают схемы:

– с общим эмиттером (истоком);

– с общей базой (затвором);

– с общим коллектором (стоком).

Для полной характеристики усилителя необходимо использование всех признаков. Например, резистивный усилитель низкой частоты на полевом транзисторе по схеме с общим истоком.

2. Принцип работы резистивного усилителя

ПО СХЕМЕ С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ

Простейший усилительный каскад по схеме с общим эмиттером приведен на рис. 21.2, а. В качестве усилительного элемента в схеме используется биполярный транзистор n – p – n типа. Источник питания Е_к связан с коллектором транзистора через сопротивление нагрузки R_к. Входной сигнал подается на базу транзистора. Его параметры определяют напряжение U_бэ и ток i_б. Выходной сигнал снимается с участка коллектор – эмиттер транзистора и определяется напряжением U_кэ. Для анализа принципа работы каскада построим его передаточную характеристику (рис. 21.2, б).

С увеличением входного сигнала (U_бэ) растет ток базы I_б, а значит, и ток коллектора, причем,

.

Ток коллектора создает падение напряжения на резисторе :

,

а также на дифференциальном сопротивлении участка коллектор-эмиттер транзистора - , причем, всегда

.

Рост тока коллектора означает уменьшение R_кэ, а значит, и U_кэ. При этом на постоянном сопротивлении резистора падение напряжения увеличивается. Так как дифференциальное сопротивление R_кэ вычислять сложно, падение напряжения на участке коллектор-эмиттер транзистора находят как разность

.

Итак, с увеличением тока коллектора I_к увеличивается падение напряжения на резисторе R_к и уменьшается напряжение U_кэ, т.е. выходное напряжение каскада (рис. 21.2, б).

Когда ток коллектора достигает насыщения (т.е. максимального значения), напряжение на участке коллектор-эмиттер транзистора достигает наименьшего значения. Это значение называют напряжением насыщения - U_кэн, причем,

.

Как правило, напряжение U_кэн пренебрежимо мало в сравнении с Е_к, поэтому иногда им пренебрегают, полагая . Дальнейшее увеличение

U_бэ не может вызвать изменений тока транзистора I_к и напряжения U_кэ.

Анализ передаточной характеристики позволяет выделить три характерных участка (они обозначены римскими цифрами). На участке I через транзистор протекает только неуправляемый обратный ток коллекторного перехода. Сопротивление . Практически все напряжение источника Е_к падает на сопротивление R_кэ, т.е. .

На участке II напряжение на коллекторе транзистора можно изменять в пределах , а ток – в пределах . Эти изменения являются результатом регулировки параметров U_бэ, и I_б маломощного источника сигнала. Например, , а . Отношение обозначают К_U и называют коэффициентом усиления по напряжению. В нашем примере К_U=50. Кроме того, увеличение напряжения U_бэ приводит к пропорциональному уменьшению напряжения U_кэ, т.е. знаки приращений входного и выходного сигналов противоположны. Такие усилители называют инвертирующими.

На участке III . Транзистор теряет свойства усилительного элемента.

Передаточная характеристика позволяет рассмотреть различные режимы работы усилительного каскада (классы усиления). При работе в классе «В» напряжение (см. график пунктирной линией на рис. 21.2, б). На выход передается сигнал только одной полярности. При подаче на вход двухполярного сигнала часть информации будет потеряна.

При работе в классе «А» напряжение (см. график сплошной линией на рис. 21.2, б). Здесь U_см – напряжение смещения, постоянная величина, не зависящая от U_вх. Когда U_вх = 0, U_бэ = U_см. Такой режим называют режимом покоя, а токи I_б, I_к и напряжения U_бэ и U_кэ называют токами и напряжениями покоя и обозначают I_бп; I_кп; U_бэп; U_кэп. Напряжение смещения U_см выбирают так, чтобы рабочая точка транзистора Т находилась в середине линейного участка II. В этом случае любое приращение входного напряжения вызовет пропорциональное инверсное приращение выходного напряжения , где К_U – коэффициент усиления каскада по напряжению.

При работе в классе D на вход каскада подается большой сигнал (см. график штрих пунктирной линией на рис. 21.2, б). Передаваемый сигнал ограничивается сверху и снизу. Такой режим широко применяется в импульсной технике.