Лекция 13 Электронные усилители и генераторы гармонических колебаний

13.1 Основные технические характеристики электронных усилителей

При измерении электрических и неэлектрических величин, приеме радиосигналов, контроле и автоматизации технологических процессов, возникает необходимость в усилении электрических сигналов. Для этого служат усилители, то есть, устройства, которые предназначены для усиления напряжения, тока, мощности. В современных усилителях обычно используют биполярные и полевые транзисторы, ИМС. Простейшим усилителем является усилительный каскад, содержащий нелинейный управляющий элемент УЭ, как правило, биполярный или полевой транзистор, резистор R и источник электрической энергии Е. Ниже приведена принципиальная схема усилительного каскада.

Рисунок 13.1 – Схема усилительного каскада

Увеличение мощности входного сигнала (усиление) осуществляется за счёт источника электрической энергии Е. Усиление происходит благодаря изменению электрического сопротивления нелинейного УЭ и соответствующего изменения тока в выходной цепи.

Основными техническими характеристиками усилителей являются:

1. Коэффициент усиления по току

.

2. Коэффициент усиления по напряжению

.

3. Коэффициент усиления по мощности

Обычно в усилительных каскадах все три коэффициента усиления больше 1. Коэффициент усиления многокаскадного усилителя

Усилители тока применяют в тех случаях, когда нагрузка обладает малым сопротивлением (реле, индикатор тока) и требуется получить значительный ток.

Усилителями мощности обычно являются выходные (конечные) каскады многокаскадных усилителей.

Классифицируют усилители:

1.По диапазону частот входных сигналов [усилители постоянного тока УПТ для усиления медленно меняющихся сигналов; усилители низкой частоты: УНЧ – от 10Гц 15(20)кГц; усилители высокой частоты: 20кГц 100МГц; импульсные усилители (широкополосные) ШПУ; узкополосные (избирательные) усилители].

2.По способу соединения (связи) каскадов усиления [усилители с резистивной связью, когда каскады присоединены друг к другу с помощью резисторов; усилители переменного напряжения (УНЧ, УВЧ, ШПУ), где используют конденсаторы и резисторы для соединения каскадов усиления; усилители с трансформаторной связью (это избирательные усилители].

3.По способу включения усилительного элемента различают три основных типа усилительного каскада в зависимости от того, какой электрод транзистора является общим для входной и выходной цепи (усилители с общим эмиттером, общим коллектором и общем базой).

13.1.1 Усилительный каскад с общим эмиттером, его температурная стабилизация

В этом каскаде эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей, а нагрузка включается в коллекторную цепь транзистора.

Полярность источника питания с Э.Д.С. Е_К зависит от типа транзистора, для усилительного каскада на биполярных транзисторах.

Схема усилительного каскада с транзистором типа n-p-n имеет вид:

Рисунок 13.2 - Схема усилительного каскада с общим эмиттером

Вольтамперная характеристика коллекторного резистора R_К является линейной, а вольтамперные характеристики транзистора являются нелинейными. Расчет этой нелинейной цепи проводят графическим способом.

Входное сопротивление усилительного каскада с общим эмиттером обычно равно от сотен Ом до нескольких кОм. Выходное сопротивление обычно больше входного. Низкое входное и высокое выходное сопротивления создают снижение коэффициентов усиления при работе усилительного каскада с высокоомным источником е_ВХ и низкоомным нагрузочным устройством. Следует отметить, что этот усилительный каскад усиливает не только напряжение, но и мощность.

Существенным недостатком транзисторов является зависимость их характеристик от температуры. При повышении температуры транзистора увеличивается коллекторный ток за счет возрастания числа неосновных носителей заряда в полупроводнике. Это явление может вывести рабочую точку за пределы линейного участка переходной характеристики и нормальная работа усилителя нарушается.

Для уменьшения влияния температуры на характеристику усилительного каскада с общим эмиттером включают резистор R_Э, шунтированный конденсатором С_Э (рисунок 13.3).

Рисунок 13.3 - Усилительный каскад с эмиттерной температурной стабилизацией

Увеличение эмиттерного тока I_Э=I_Б+I_К приводит к уменьшению U_БЭ и уменьшению токов I_Э и I_K из-за снижения потенциала базы. При этом, влияние температуры на I_К уменьшается, правда, без полной компенсации этого влияния. Емкость С_Э выбирают таким образом, чтобы для всех частей усиливаемого напряжения Х_С<<R_Э, тогда U_Rэ-Сэ будет незначительным и U_БЭ≈U_ВХ, такой способ температурной стабилизации называется эмиттерной стабилизацией. Недостатком его является необходимость повышения питания коллекторной цепи.

Рисунок 13.4 - Усилительный каскад с коллекторной температурной

стабилизацией

13.1.2 Усилительные каскады с общим коллектором и

общей базой

Усилительный каскад с общим коллектором применяют для согласования высокоомного источника усиливаемого напряжения с низкоомным нагрузочным устройством, например, высокоомный датчик – усилитель – низкоомный вход регулятора.

Рисунок 13.5 - Усилительный каскад с общим коллектором

Основной резистор, с которого снимается U_ВЫХ, включается в эмиттерную цепь, а коллектор по переменной составляющей тока и напряжения соединен непосредственно с общей точкой усилителя. В усилительном каскаде с общим коллектором . Так как U_ВЫХ мало отличается от U_ВХ по значению и фазе, то такой каскад называется эмиттерным повторителем.

Усилительный каскад с общей базой применяется очень редко, так как коэффициент усиления такого каскада по мощности значительно меньше, чем у эмиттерного повторителя.

Рисунок 13.6 - Усилительный каскад с общей базой

Широкое распространение получили усилительные каскады на полевых транзисторах, так как они обладают существенно большим входным сопротивлением в сравнении с усилительными каскадами на биполярных транзисторах. Аналогично предыдущему наиболее часто применяется усилительный каскад с общим истоком. Усилительный каскад с общим стоком напоминает эмиттерный повторитель, а каскады с общим затвором практически не применяются. Схема усилительного каскада с общим истоком приведена ниже.

Рис 13.7 - Усилительный каскад с общим истоком

Резистор R_C, с помощью которого осуществляется усиление, включается в цепь истока. создаёт падение напряжения в режиме покоя U_ЗИ, являющееся напряжением смещения между затвором и истоком. R_З обеспечивает в режиме покоя равенство потенциалов затвора и общей точки усилительного каскада.

_.

Это явление называется отрицательной обратной связью и приводит к уменьшению коэффициента усиления усилительного каскада. Для его устранения параллельно R_И включается С_И, сопротивление которого на низкой частоте значительно ниже R_И. При выполнении этого условии R_И∙I_И→0.

Из условия Е_С=U_C+R_C∙I_C можно построить линию нагрузки полевого транзистора (вольтамперную характеристику R_C):

Её строят по двум точкам: для U_С = 0 при и для U_C=E_C при I_С = 0.

Рисунок 13.8 – Вольтамперная характеристика полевого транзистора