Основные теоретические положения

1. Назначение и принцип работы усилителя переменного напряжения.

Усилители позволяют преобразовать периодические сигналы малых напряжений (от 10^-7В) и токов (от 10^-14А) в сигналы такой же формы, но значительно больших значений напряжения, тока, мощности. Усиление сигнала осуществляется за счёт энергии источника питания. Поэтому усилитель определяют передачей большой мощности от источника энергии к приёмнику.

Рассмотрим принцип действия наиболее распространённого усилительного каскада, принципиальная схема которого представлена на рис.1,а. Основным активным элементом данного каскада является транзистор VT, включенный по схеме с общим эмиттером.

Для анализа работы усилительного каскада воспользуемся его схемой замещения (рис.1,б). Транзистор является управляемым элементом: управляющим сигналом U_ВХ или i_Б можно изменить плотность потока электронов через эмиттер и коллектор, т.е. изменить его сопротивление. Поэтому на схеме замещения транзистор изображён нелинейным элементом, сопротивление которого зависит от входного сигнала R(i_Б). Работу транзистора как нелинейного элемента (рис.1,б) удобно описывать переходной характеристикой, представляющей собой зависимость тока коллектора от тока базы I_К = F(I_Б) при постоянных значениях E_К и R_K. В качестве примера на рис.2 представлена переходная характеристика транзистора КТ312А при Е_К = 15 В и R_К = 600 Ом.

Она наглядно показывает усилительные свойства транзистора по току. В точке А коэффициент усиления транзистора по току

Таким образом, в схеме усилительного каскада транзистор выполняет роль усиления входного тока i_Б. Резистор R_K служит для преобразования выходного тока i_K в выходное напряжение: U_ВЫХ = Е_К - R_Ki_K.

На переходной характеристике транзистора можно выделить участки, определяющие его различные режимы работы.

Участок 1-2 (I_Б £ 0) соответствует режиму отсечки, в котором оба р – n перехода транзистора закрыты и I_K» 0. Участок 3 - 4 (I_Б ³ I_Б.НАС) соответствует режиму насыщения. В этом режиме оба перехода открыты и I_K = I_K.MAX. Участок 2 – 3 соответствует усилительному режиму, в котором изменение тока I_Б вызывает пропорциональное изменение I_К.

При работе транзистора в усилительном каскаде режимы отсечки и насыщения не используются. Это достигается, во-первых, путём подключения базы транзистора к источнику питания через резистор R_Б (рис.1) и, во-вторых, ограничением амплитуды входного сигнала U_ВХ(t) £ U_ВХ.MAX. Величина R_Б выбирается такой, чтобы при отсутствии входного сигнала рабочая точка А (точка покоя), определяемая значением I_БО = (Е_К – U_БЭ) / R_Б»Е_К / R_Б, находилась в центре линейного участка переходной характеристики транзистора (рис.2). Наглядно работу усилителя можно представить с помощью временных диаграмм сигналов в их причинной последовательности: U_ВХ(t)®i_Б(t)®i_K(t)®U_ВЫХ(t)®U_ВЫХ~ (t).

Диаграммы (рис.3) описывают работу усилителя с транзистором КТ312А, R_K = 600 Ом, Е_К = 15 В, R_Б = 37 кОм. Синусоидальный входной сигнал U_ВХ(t) с амплитудой 0,05В(рис.3,а) подаётся а входные клеммы усилительного каскада. Он вызывает синусоидальный входной ток i_ВХ(t) с амплитудой 0,2мА, который суммируется с постоянным током I_БО = 0,4мА. Таким образом, в базе течёт ток i_Б(t) = I_БО + i_ВХ(t) (рис.3,б); изменяющийся в пределах 0,2 …0,6 мА.

Колебания тока i_Б(t) в соответствии с переходной характеристикой (рис.2) вызывают изменения коллек-торного тока в значительно большем диапазоне 7 … 21 мА (рис.3,в). С помощью резистора R_К колебания тока i_К(t) преобразуются в колебания выходного напряжения (рис.3,г). Напряжение U_ВЫХ(t) имеет постоянную составляющую U_КО, которая не является функционально необходимой. Для выделения на нагруз-ке Z_H только переменной состав-ляющей усиленного сигнала U_ВЫХ~(t) (рис.3,д) в выходной цепи каскада устанав-ливается раздели-тельный конденсатор С_Р, который имеет бесконечно большое сопротивление для постоянного тока и малое (X_Cp<<Z_H) для переменного. Таким образом, из анализа диаграмм (рис.3) следует, что синусоидальные колебания входного сигнала с амплитудой 0,05 В вызывают колебания выходного напряжения усилителя со значительно большей амплитудой (около 4 В), причём сигналы U_ВХ(t) и U_ВЫХ~(t) находятся в противофазе.

2. Основные характеристики усилителя.