Ход лекции

1. Усилитель – это устройство (четырехполюсник), увеличивающий мощность сигнала. Процесс усиления основывается на преобразовании энергии источника постоянного напряжения Ек в энергию переменного напряжения в выходной цепи за счет изменения сопротивления управляемого элемента (транзистора) по закону, задаваемого входным сигналом.

Форма сигнала при усилении должна быть без существенных искажений.

Усилители используются для компенсации потерь при передаче информационных сигналов на большие расстояния, для создания нормальных условий восприятия информации человеком и т.д.

Схемотехника усилителей на транзисторах отличается многообразием и сложностью. Можно выделить три основные схемы, на основе которых строятся более сложные схемы. При использовании биполярных транзисторов различают:

- усилитель с общей базой (ОБ);

- усилитель с общим эмиттером (ОЭ);

- усилитель с общим коллектором (ОК).

Рисунок 1 – Схема усилителя с ОЭ

2. Усилитель с общим эмиттером (ОЭ) принципиальная схема которого приведена на рис.1, является делителем напряжения Ек, в верхнем плече которого включен резистор нагрузки коллекторной цепи Rк, а в нижнем – транзистор VT.

Поэтому напряжение между коллектором и эмиттером составляет:

Эмиттер транзистора соединен с корпусом усилителя. Во входную цепь подается напряжение смещения Е_Б = 0,6 – 0,8В. Это напряжение предназначено для того, чтобы открыть эмиттерный переход и обеспечить постоянный ток коллектора в активном режиме работы транзистора. Величина начального постоянного тока коллектора определяется техническими условиями эксплуатации и для маломощных транзисторов составляет I_КН=0,1…10мА. Усиление по мощности осуществляется за счет энергии источника питания Ек=5…20В (полярность должна быть такой, чтобы закрыть коллекторный переход). Основное назначение разделительного конденсатора Ср₁ – не пропустить на вход усилителя постоянное напряжение, которое может присутствовать во входном сигнале. Кроме того, Ср₁ не пропускает на входную клемму усилителя напряжение смещения, присутствующее на базе.

Еб, Iкн, Ек определяют режим усилителя по постоянному току.

Совокупность переменных токов и напряжений на элементах каскада определяют режим усилителя по переменному напряжению.

Напряжение питания Ек состоит из падения напряжения на резисторе нагрузки IкRк и напряжения коллектора Uкэ:

Отсюда получим уравнение линии нагрузки (нагрузочной прямой):

Нагрузочную прямую можно построить по двум точкам на осях координат:

Точка 1: Iк=0, т.е Uкэ=Ек

Точка 2: Uкэ=0, тогда Iк= Ек/Rк.

Пересечение линии нагрузки с заданной характеристикой определяет рабочую точку (РТ). Рабочая точка определяет режим транзистора, т.е. совокупность постоянных напряжений и токов в состоянии покоя (при отсутствии сигнала).

Рисунок 2 – Диаграмма работы усилителя с ОЭ

Параметры режима покоя следующие:

- постоянный ток базы I_Б= I_0Б;

- постоянное напряжение между базой и эмиттером U_БЭ=U_0Б;

- постоянное напряжение между коллектором и эмиттером U_КЭ=U_0К;

- постоянный ток коллектора Iк=I_0К.

Усилитель работает следующим образом.

В начальном состоянии (при отсутствии сигнала) до момента t₀ входной ток Iвх=0, т.к. Uвх=0. Параметры РТ составляют I_Б= I_0Б; U_БЭ=U_0Б; U_КЭ=U_0К; Iк=I_0К – вокруг них размещаются мгновенные значения сигнала.

При наличии сигнала в момент t₁ на входе действует положительный полупериод входного напряжения U_max. Он увеличивает до максимальных величин напряжение базы U_Бmax и её ток I_Бmax. Транзистор дополнительно открывается и максимальный ток коллектора I_Кmax создает максимальное падение напряжения на резисторе нагрузки I_КmaxR_K (точка 3). Минимальное напряжение коллектора:

В момент t₂ на входе действует отрицательный полупериод входного напряжения U_max. Он уменьшает до минимальных величин напряжение базы U_Бmin и её ток I_Бmin. Транзистор дополнительно закрывается и минимальный ток коллектора I_Кmin создает минимальное падение напряжения на сопротивлении нагрузки I_КminR_К. Режим транзистора определяется при этом точкой 4.

Напряжение коллектора максимально:

.

Таким образом, в цепи коллектора образуется увеличенная копия U_КЭ входного напряжения U_ВХ.

Выходное напряжение отличается от коллекторного только тем, что не имеет постоянной составляющей U_0К, которую не пропускает разделительный конденсатор Ср₂.

Итак, максимальное входное напряжение создает минимальное выходное и наоборот, т.е. усилитель с ОЭ переворачивает фазу входного сигнала на 180°. А форма выходного напряжения является копией входного.

Местоположение РТ на характеристике определяется значением сопротивления резистора в цепи базы:

3. Особенности усилителя с ОЭ

Первая особенность состоит в том, что через источник сигнала Uвх течет входной ток базы Iвх. Поэтому входная цепь усилителя с ОЭ слабо нагружает источник сигнала Uвх. Следует иметь в виду, что входной ток при U_max>0,7В может неограниченно вырасти. Поэтому входной сигнал при большом входном напряжении (U_max>0,7В) должен быть током, а не напряжением. Для возбуждения усилителя током достаточно на входе включить резистор R_{Б вх}.

Второй особенностью является то, что усилитель с общим эмиттером усиливает и ток: I_К=αI_Б, и напряжение. Поэтому усилитель обеспечивает наибольшее усиление мощности в сравнении с другими схемами.

Третью особенность видно из диаграмм работы, а именно: фаза выходного напряжения отличается от фазы входного на π, т.е. усилитель поворачивает фазу сигнала на 180°.

Контрольные вопросы:

1. На чем основывается процесс усиления сигналов?

2. Назначение Ср1 и Ср2 в схеме усилителя.

3. Что определяет рабочая точка на характеристиках транзистора?

4. Назовите параметры режима покоя.

5. Особенности усилителя с ОЭ.

Литература:

1. Опадчий Ю.Ф., О.П.Глудкин,, А.И.Гуров. Аналоговая и цифровая электроника. – М.:Горячая линия – Телеком,,стр.183-187, 2005.

Дата добавления: 2014-01-15