Усилители_теория (Лабораторные работы с официального сайта с примерами)

1УСИЛИТЕЛИУсилителем называют устройство для увеличения напряжения, тока или мощности электрического сигнала [1,2]. Усилитель, рис. 1, имеет входную цепь, к которой подключается усиливаемый сигнал, и выходную цепь, с которой выходной сигнал подается в нагрузку.Основными параметрами усилителя являются коэффициенты усиления по напряжению K U , токуK I и мощности K P .UIPU IK U  вых ; K I  вых ; KP  вых  вых выхU вхI вхPвхU вх I вхЗдесь U, I – действующие значения напряжения и тока.Рис. 1. Входные и выходные цепи усилителя.Для усилителя возможны различные значения коэффициентов усиления, но принципиально важно то, что коэффициент усиления по мощности K P больше единицы.В общем случае коэффициенты усиления по напряжению и току являются комплексными величинами.

Однако на практике их обычно определяют для области средних частот, вкоторой между входными и выходными напряжениями и токами фазовые сдвиги отсутствуют, а коэффициенты усиления являются действительными величинами, что упрощает выражения, не искажая существа вопроса.Входное и выходное сопротивления усилителя могут быть активными или комплексным. Усилитель, рис. 1, можно рассматривать как активный четырехполюсник, к входным зажимам которого подключается источник усиливаемого сигнала eг , а к выходным – сопротивление нагрузки Rн .Источник входного сигнала показан в виде генератора напряжения eг с внутренним сопротивлением Rг . Со стороны выхода усилитель представлен в виде генератора напряжения с ЭДС eвых и внутренним сопротивлением Rвых .

Усилитель одновременно является нагрузкой для источника сигнала иисточником сигнала для внешней нагрузки Rн , причем нагрузкой усилителя может быть не только потребитель, но и вход следующего каскада усилителя.Входное сопротивление усилителя в любом случае представляет собой сопротивлениемежду входными зажимами усилителя. Оно равно:URвх  вх .RвыхВыходное сопротивление Rвых определяют между выходными зажимами усилителя при отключенном сопротивлении нагрузки.К усилителям с линейным режимом работы предъявляются требования получения выходногосигнала, близкого по форме к входному.Схемы усилителей отличаются числом и режимом работы транзисторов.

Вместе с тем принциппостроения главных цепей усилительных каскадов один и тот же. Покажем его на примере структурнойсхемы, рис. 2, действительной для усилительных каскадов на одном транзисторе [1].Основными элементами каскада являются управляемый элемент УЭ, функции которого выполняет биполярный или полевой транзистор, и резистор R. Совместно с источником постоянного напряжения Е эти элементы образуют выходную цепь каскада.

Процесс усиления основывается на преобразо12вании энергии источника постоянного напряжения Е в энергию переменного напряжения за счет изменения сопротивления УЭ по закону, задаваемому входным сигналом.При подаче на управляемый элемент напряжения входного сигнала в токе выходной цепи создается переменная составляющая, вследствие чего на управляющем элементе образуется аналогичная составляющая напряжения, превышающая переменную составляющую напряжения на входе.Ввиду использования для питания источника постоянного напряжения Е ток iвых в выходной цепи является однонаправленным, рис. 2.

При этом ток и напряжение выходной цепи следует рассматривать как сумму переменных составляющих, накладывающихся на их постоянные составляющие Iвых п иUвых п. Связь между постоянными и переменными составляющими должна быть такой, чтобы амплитудные значения переменных составляющих не превышали постоянных составляющих, т.е.

Iвых п ≥ Im, Uвых п≥ Um.Рис. 2. Принцип построения и временные диаграммы усилительного каскада.Если эти условия не будут выполняться, ток iвых в выходной цепи на отдельных интервалах будетравен нулю, что приведет к искажению формы выходного сигнала.Таким образом, для обеспечения работы усилительного каскада при переменном входном сигнале в его выходной цепи должны быть созданы постоянные составляющие тока Iвых п и напряжения Uвыхп.

Эту задачу решают путем подачи во входную цепь каскада помимо усиливаемого сигнала соответствующего постоянного напряжения Uвх п.Постоянные составляющие тока и напряжения определяют так называемый режим покоя усилительного каскада. Параметры режима покоя по входной цепи(Iвх п, Uвх п) и по выходной цепи (Iвых п,Uвых п) характеризуют состояние схемы в отсутствие входного сигнала.1.1. Усилительные каскады на биполярных транзисторахПоказатели усилительных каскадов зависят от способа включения транзистора, играющего рольуправляющего элемента [3]. Наибольшее применение нашел способ включения по схеме с общим эмиттером (ОЭ).

Рассмотрим особенности усилительных каскадов с ОЭ на примере схемы рис. 3 [1].Усилитель реализован на транзисторе n – p – n типа. Резисторы R1 и R2 используются для установки режима покоя каскада. Резистор R1 предназначен для создания цепи протекания тока покоя базытранзистора Iб п. Совместно с R2 резистор R1 обеспечивает исходное напряжение на базе Uб п.Конденсаторы Ср1 и Ср2 являются разделительными.

Конденсатор Ср1 исключает шунтированиевходной цепи каскада, что позволяет, во-первых, исключить протекание постоянного тока через источник входного сигнала по цепи Eк - R1 - Rг и, во-вторых, обеспечить независимость напряжения на базе врежиме покоя от внутреннего сопротивления этого источника Rг. Функция конденсатора Ср2 сводится кпропусканию в цепь нагрузки переменной составляющей тока и задержанию постоянной составляющей.Резисторы Rэ1 и Rэ2, включенные по постоянному току последовательно, Rэ = Rэ1 + Rэ2 являютсяэлементами отрицательной обратной связи и служат для стабилизации режима покоя при изменениитемпературы.

В некоторых вариантах выполнения каскадов с ОЭ резистор Rэ1 отсутствует, однако егоналичие придает схеме ряд достоинств, в частности, повышает входное сопротивление со стороны базы23по переменному току и обеспечивает предсказуемый коэффициент усиления по напряжению всего каскада.Рис. 3. Усилитель с общим эмиттером.Конденсатор Сэ шунтирует резистор Rэ2 по переменному току, ослабляя (а в случае Rэ1 = 0 и исключая) проявление отрицательной обратной связи по переменным составляющим. Отсутствие конденсатора Сэ приводит к уменьшению коэффициентов усиления каскада.Анализ работы каскада проведем графоаналитическим методом.

На выходных статических характеристиках транзистора, рис. 4, проводят линию нагрузки каскада по постоянному току (а – б), представляющую собой геометрическое место точек, координаты Uкэ и Iк которых соответствуют возможным значениям точки покоя. Аналитическую зависимость линии нагрузки находят, записав второй закон Кирхгофа для выходной цепи:IU кэ п  Ек - I к п Rк - I э п Rэ  Ек - I к п R - к п Rэ(1)αПоскольку коэффициент α близок к единице, без особой погрешности можно записатьU кэ п  Ек - I к п ( Rк  Rэ );(2)где Rк  Rэ  Rк  Rэ1  Rэ2  R - сопротивление каскада по постоянному току.Выражение (2) является уравнением прямой. В связи с этим построение линии нагрузки каскадапо постоянному току удобно провести по двум точкам, характеризующим режим холостого хода (точка“а”) и короткого замыкания (точка “б”) выходной цепи каскада.

Для точки “а” Iк п =0, Uкэ п= Eк и дляточки “б” Uкэ п=0, Iк п = Eк/(Rк+ Rэ)= Eк/R= . Наклон линии нагрузки по постоянному току определяетсявеличиной R=.Выбрав по входной (базовой) характеристике транзистора необходимое значение тока базы покоя Iб п, определим тем самым координаты точки П' - пересечения соответствующей выходной характеристики при Iб = Iб п с линией нагрузки каскада по постоянному току.Обычно точка покоя П' располагается приблизительно посередине между точками “а” и “б” линии нагрузки. При этом напряжение на коллекторе транзистора в режиме покоя равно примерно половине питающего напряжения Eк, т.е.

Uк п≈ Eк/2.Для определения переменных составляющих выходного напряжения используют линию нагрузки каскада по переменному току. Необходимо учесть, что по переменному току сопротивление в цепиэмиттера транзистора приближенно равно Rэ1, так как резистор Rэ2 шунтируется конденсатором Сэ. Сопротивление коллекторной цепи по переменному току также будет меньше Rк. Действительно, коллекторное сопротивление Rк через разделительный конденсатор Ср2 соединено с нагрузкой.