L_6 (Конспекты лекций)

1Лекция № 6.УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ ПЕРЕМЕННОГО И ПОСТОЯННОГО ТОКА НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХПлан1. Введение.2. Классификация усилителей.3. Технические характеристики и параметры усилительного каскада.4. Режимы усиления.5. Усилители напряжения звуковых и средних частот.6. Теоретическое обобщение по теме.1. Введение.Усилителем называется устройство, предназначенное для усилениявходного электрического сигнала по напряжению, по току или по мощностиза счёт преобразования энергии источника питания в энергию выходногосигнала.I1I2ЕсU1УСИЛИТЕЛЬU2ЕпZсРис.6.1.Zн2На рис.6.1 дана обобщённая функциональная схема электронного усилителяУсилитель имеет две основные цепи ─ входную, куда включается источник усиливаемого сигнала Е с , и выходную, куда включается нагрузка Z н .Последовательно с усилителем включен источник питания Е п .

Схема любогоусилителя модулирует энергию этого источника входным управляющим сигналом. Чтобы этот процесс выполнить, схема усилителя должна содержатьнелинейный элемент, управляемый входным сигналом U 1 . В качестве нелинейных управляемых элементов в современных усилителях используют, какправило, биполярные и полевые транзисторы (потому их обычно и называюттранзисторными усилителями).В разделе «Элементная база электроники» мы рассматривали биполярный транзистор в статическом режиме ─ в режиме без нагрузки. Это былонеобходимо для того, чтобы выявить собственные возможности транзистора:его основные параметры, характеристики. После статического режима рассмотрим работу транзистора под нагрузкой ─ в режиме усиления.2. Классификация усилителейКлассификация усилителей идёт по нескольким признакам:По роду усиливаемого сигнала:• усилители гармонических сигналов (непрерывных колебаний);• усилители импульсных сигналов.• усилители постоянного тока (УПТ);По функциональному назначению:• усилители напряжения;• усилители тока;• усилители мощности.По диапазону усиливаемых частот:• усилители напряжения звуковой частоты ─ УЗЧ (прежнее название ─усилители напряжения низкой частоты (УНЧ)).

Диапазон частот таких усилителей ─ от десятков Гц до десятков или сотен кГц;3• усилители напряжения радиочастот УРЧ (прежнее название ─ усилители напряжения высокой частоты (УВЧ));• избирательные (резонансные) усилители (узкополосные);• широкополосные усилители (от сотен кГЦ до сотен Мгц).По виду соединительных цепей усилительных каскадов:• усилительные каскады с гальваническими междукаскадными связями(непосредственные связи);• усилительные каскады с емкостными связями;• усилительные каскады с индуктивными (трансформаторными) связями ( в настоящее время индуктивная связь применяется крайне редко).По характеру нагрузки:• усилители с активной нагрузкой;• усилители с ёмкостной нагрузкой;• усилители с индуктивной нагрузкой.3. Технические характеристики и параметры электронного усилителя.3.1.

АЧХ ─ амплитудночастотная характеристика усилителя ─ зависимость коэффициента усиления от частоты (рис.6.2.а);3.2. ФЧХ ─ фазочастотная характеристика ─ зависимость угла сдвигафаз между входным и выходным напряжениями от частоты. Фазовые искажения оцениваются по тем же причинам, что и частотные (рис.6.2.б).К0ϕ0,707К0КнКвfвffнfнfсра).fвб)Рис. 6.2..Характеристики усилителя: а ─ типовая АЧХ; б─ типовая ФЧХf4Если усиливается сигнал небольшой амплитуды, то заметного искажения выходного полезного сигнала не происходит.

Но если сигнал достаточносложной формы, с «большим набором» гармоник, то на выходе будем наблюдать большие искажения: в схеме усилителя всегда имеют место реактивные элементы, которые реагируют неодинаково на частоту. Такие искажения в выходном сигнале получили название частотных и оцениваются оникоэффициентом частотных искажений:КМ = 0;н КнКМ = 0 ,в Квгде М н и М в ─ коэффициенты частотных искажений на нижних и верхних граничных частотах соответственно; К н и К в ─ коэффициенты усиленияна нижних и верхних частотах соответственно; К 0 ─ коэффициент усиленияна средних частотах.3.3. Передаточная характеристика ─ это зависимость амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного.UвыхИдеальнаяEАРеальнаяUвыхUвых.максРТОВИдеальнаяUвх.максUвхUвх.миневх.Uвых.минАВUвхUвх.минUвх.максРис.6.4. Передаточная характеристикаинвертирующего усилителяРис.6.3.

Передаточная характеристиканеинвертирующего усилителя5На рис.6.3 показана передаточная характеристика усилителя, которыйфазу входного сигнала на выходе не изменяет, а на рис.6.4 усилитель фазувходного сигнала на выходе изменяет на противоположную. Но для обоихвариантов усилителей рабочим участком является участок «АВ». Линия идеальной передаточной характеристики (пунктиром) практически совпадает срабочим участком характеристики.Точка «О» на рис.6.3. ─ это точка уровня напряжения шумов. Различитьполезный сигнал на фоне шумов можно только после точки «В».После точки «А» ─ явно выраженные нелинейные искажения входногосигнала.

Уровень нелинейных искажений оценивается коэффициентом нелинейных искаженийКНИ =22U22 max + U 3 max + ...U n maxU1 maxгде U 1max , U 2max, U 3max …., U nmax ─ амплитуды гармоник, из которых основной является первая гармоника (U 1max ,).Входная характеристика у транзистора имеет нелинейный характер, поэтому поданный на вход усилителя сигнал синусоидальной формы претерпевает изменения и на выходе он уже отличается от синусоидального. Такимобразом, сам транзистор является источником нелинейных искажений. Еслиамплитуда входного сигнала остаётся в пределах прямолинейного участка«АВ», то искажения полезного выходного сигнала будут минимальными, поэтому многокаскадные усилители строят таким образом, чтобы первые каскады усиления работали при низких уровнях входного сигнала.

Нелинейныеискажения, в этом случае, появятся только в выходном каскаде, который работает в режиме большого сигнала, и нелинейные искажения не получатдальнейшего усиления.3.4. Параметры усилителя:• коэффициент усиления по напряжению KU =∆I• коэффициент усиления по току K I = 2 ;∆I1∆U∆U2;16∆P• коэффициент усиления по мощности K p = 2 ;∆P1• коэффициент полезного действия η =PнPзатр.;• входное и выходное сопротивления усилителя по переменной составляющей сигнала.Коэффициенты усиления могут быть выражены как в относительныхединицах, так и в логарифмических ─ децибелах.Для получения достаточно большого коэффициента усиления используют включение нескольких каскадов, так как в этом случае общий коэффициент усиления (если он будет выражен в относительных единицах) будет равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов. Если жекоэффициент усиления выражен в децибелах, то в многокаскадном усилителеобщий коэффициент усиления будет равен сумме коэффициентов усиленияотдельных каскадов.4.

Режимы усиленияРежимы усиления выделены в несколько классов. Для усилителей наиболее распространенными являются классы А, В, С, Д или их комбинированные варианты (АВ, АВ 1 и т.д.). На рис.6.5 даны временные диаграммы коллекторного тока в режимах усиления класса «А» и «В». Форма коллекторного тока дает представление об уровне нелинейных искажений в выходномсигнале усилителя в зависимости от класса усиления.4.1. В режиме класса «А» форма коллекторного тока почти идеальная, тоесть уровень нелинейных искажений в выходном сигнале усилителя будетпрактически незаметен.

Такая совершенная форма выходного коллекторноготока возможна лишь в том случае, если рабочая точка задана на квазилинейномучастке ВАХ (в данном случае на рис.6.5а это точка РТ1 ): положение РТ выбирают так, чтобы амплитуда переменной составляющей выходного тока быламеньше тока покоя. В режиме класса «А» ток через транзистор течет непрерывно в течение всего периода изменения входного сигнала.7Для оценки времени протекания тока через транзистор вводится понятиеугла отсечки коллекторного тока «θ» − это половина интервала времени, в течение которого через транзистор течет ток. Угол отсечки коллекторного токавыражен обычно в градусах или радианах.

В режиме класса «А» угол отсечкиколлекторного тока θ А = 180о.а)IкIкб)IkmaxbРТ1aIкРТ2dt0Uбэпt1Uбэевх1t2евх2t3t4IкпtIkminUбэt0t1t2t3t4РТ1– Режим кл. «А»t РТ2– Режим кл. «В»θ =90оРТ1 при «евх1» и РТ2 при «евх2»)в)Рис.6.5. Режимы усиления класса «А» и «В»: а− передаточная ВАХ;б − временные диаграммы коллекторного тока для режимов кл. «А» и кл. «В»; в −временные диаграммы входного напряжения при разных положениях РТК недостатку рассмотренного режима следует отнести низкий коэффициент полезного действия (КПД < 0,5) за счёт большого коллекторного тока покоя.

Из-за низкого КПД режим класса «А» рекомендуется использовать в каскадах предварительного усиления, а также в маломощных выходных каскадах.4.2. В режиме класса «В» рабочая точка задаётся при токе покоя I кп =0(на рис. 5.5а это РТ 2 ). Из временной диаграммы коллекторного тока(рис.5.5б) видно, что форма его далека от идеальной, то есть уровень нелинейных искажений по сравнению с режимом класса «А» резко возрос. НоКПД усилителя достаточно высокий за счёт малого тока покоя, поэтому режим класса «В» рекомендуется использовать в двухтактных выходных уси-8лителях средней и большой мощности, но надо отметить, что в чистом видеэтот режим используется редко. Чаще в качестве рабочего режима используется промежуточный режим − режим класса «АВ» в котором меньше нелинейные искажения. Угол отсечки коллекторного тока в режиме класса «В» видеальном случае θ В = 90 о, а в режиме класса «АВ» ─ θ АВ > 90 о.4.3.