Принцип действия усилителя

Выбор структуры усилителя

Так как заданный коэффициент усиления достигает нескольких сотен, то целесообразно составлять усилитель из нескольких простейших усилителей. Такие простейшие усилители называются усилительными каскадами. Они соединяются между собой последовательно так, чтобы выходной сигнал предыдущего каскада являлся входным сигналом последующего (рис.1), образуя совместно многокаскадный усилитель.

Рис.1.

Принцип действия усилителя

В аналоговых электронных устройствах наибольшее применение находят усилительные каскады, в которых транзистор включен по схеме с общим эмиттером.

В зависимости от характера нагрузки и назначения различают усилители напряжения, тока и мощности, хотя такое деление условно, так как в любам случае по существу усиливается мощность.

Усиливаемый сигнал от источника сигнала в базовую цепь транзистора подается через разделительный конденсатор С1. Сопротивление R_к является коллекторной нагрузкой. С него усиленное переменное напряжение через разделительный конденсатор С2 подается в нагрузку R_h. При последовательном включении УК сопротивлением нагрузки является входное сопротивление следующего каскада

Рис.2.

Конденсаторы С₁ и С₂ - разделительные, назначение которых - отделить переменный усиливаемый сигнал от постоянных напряжения и токов, действующих внутри схемы. Конденсатор С₂ не пропускает постоянную составляющую входного сигнала каскада в нагрузку.

Делитель напряжения R₁-R₂ предназначен для установления рабочей точки транзистора в состоянии покоя. В зависимости от соотношения между плечами делителя R₁-R₂ на базу транзистора подается определенное напряжение Uбэп в состоянии покоя, которое в свою очередь определяет ток базы покоя Iбп и ток коллектора покоя Iкп. Т.о. делитель R₁-R₂ характеризует состояние транзистора в отсутствие входного сигнала УК.

Резистор Rэ осуществляет последовательную ООС по постоянному току, которая обеспечивает стабилизацию положения рабочей точки на вольтамперных характеристиках транзистора при воздействии на УК внешних дестабилизирующих факторов (например, температуры окружающей среды).

Глубина ООС зависит от значения Rэ. Каскад лучше стабилизирован, если малые изменения токов Iк и Iэ транзистора приведут к большому изменению падения напряжения на Rэ. Последнее возможно, если увеличить сопротивление Rэ. Однако увеличение при этом падения напряжения на нем уменьшает напряжения питания транзистора и снижает коэффициент усиления каскада. При расчете напряжение на резисторе Rэ принимают 10...30% напряжения источника тока.

Конденсатор Сэ шунтирует резистор Rэ по переменному току, исключая тем самым ООС в каскаде по переменной составляющей. Отсутствие конденсатора Сэ привело бы к уменьшению коэффициентов усиления УК.

Резистор R_k осуществляет динамический режим работы транзистора. В этом режиме малые колебания тока базы транзистора вызывают колебания тока коллектора, которые в свою очередь вызывают колебания напряжения на коллекторе. Эти колебания, пройдя через разделительный конденсатор С2, являются полезным усиленным входным сигналом. Процесс усиления сигнала каскадом можно объяснить следующим образом.

Предположим, что на вход УК подается синусоидальной сигнал небольшой амплитуды. При этом РТ на входной динамической характеристике транзистора перемещается по линейному участку характеристики. Ток базы будет колебаться в пределах (Iбп-Iм;Iбп+Iм), и его можно представить как сумму тока базы в состоянии покоя и синусоидальной составляющей тока. Поскольку Iк=вI_б, в результате изменений тока базы происходит изменения тока в цепи коллектора. При этом РТ на выходной динамической характеристике по нагрузочной прямой, которая строится в соответствии с уравнением U_кэ=Е_к-I_к(R_к+R_э). Изменения тока в цепи коллектора приводит к изменениям потенциала ц_к коллектора транзистора, так как потенциал верхней точки резистора R_k фиксирован напряжением источника питания и равен +Е_к, а падение напряжения U_rк на резисторе R_k пропорционально протекающему через него току и составляет Urк=IкRк. Потенциал коллектора также можно представить как сумму постоянной и переменной составляющих, амплитуда колебаний при этом меньше постоянной составляющей. Постоянное напряжение передается через разделительный конденсатор в отличие от переменной составляющей, которая является усиленным напряжением сигнала. Каскад меняет фазу усиленного сигнала по отношению к входному на сигналу на 180 градусов, т.е. выходное и входное напряжения каскада находятся в противофазе.