Усилитель напряжения низкой частоты

В схемах усилителей напряжения наиболее часто используется транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером ОЭ. Эта схема по сравнению со схемой с общей базой ОБ имеет гораздо большее входное сопротивление, что позволяет выполнять по схеме с общим эмиттером многокаскадные усилители.

Для неискаженного усиления входной сигнал, подаваемый на транзистор, должен лежать на линейном участке входной характеристики. Это достигается выбором рабочей точки транзистора – точки, характеризующей его состояние в режиме покоя, т.е. без действия входного сигнала.

Положение рабочей точки определяется токами базы транзистора. Один из самых распространенных способов фиксации положения рабочей точки по напряжению, применяемый в реальных схемах, показан на рис.4.3.

.

 

Рис.4..3 Усилитель напряжения по схеме сообщим эмиттером

Конденсатор С1 разделяет по постоянному току генератор усиливаемого сигнала и входную цепь транзистора (если в сигнале Uвх есть постоянная составляющая, то она не попадает на базу транзистора),

R1 R2 – делитель для задания рабочей точки по напряжению;

Rэ Сэ – цепочка термостабилизации положения рабочей точки ;

Rк – коллекторное сопротивление, обеспечивающее динамический режим работы транзистора;

С2 – разделительный конденсатор, не пропускающий на выход усилителя постоянное напряжение коллектора;

Rн – сопротивление нагрузки.

Рассмотрим фиксацию рабочей точки на числовом примере. Пусть надо иметь Uбо=+1 В. Через сопротивление Rэ протекает ток покоя Iэо=Iок/a. Этот ток создает на Rэ падение напряжения, например, URэ= Iэо Rэ=1В. Но это напряжение приложено плюсом на эмиттер, а минусом – на базу транзистора, т.е. закрывает его. Чтобы подать на базу транзистора требуемое Uбо=+1 В, надо рассчитать делитель напряжения R1 R2 в нашем случае так, чтобы UR2= I2R2=2В.

Стабилизация рабочей точки при изменении температуры происходит следующим образом: пусть увеличилась внешняя температура; возрастают ток базы, коллекторный ток, а затем и эмиттерный, так как Iэ » Iк . На сопротивлении Rэ увеличивается падение напряжения, которое действует на базу транзистора, как запирающее.

Таким образом, тепловые процессы при увеличении температуры больше открывают транзистор, а падение напряжения на Rэ подзакрывает его. На Rэ осуществляется отрицательная обратная связь по постоянному току (см. тему “Обратные связи в усилителях”).

Конденсатор Сэ должен на нижней рабочей частоте транзистора надежно шунтировать Rэ, т.е. В этом случае переменная составляющая коллекторного тока Iк замыкается через Сэ и практически не создает на нем переменного падения напряжения

Работа усилительного каскада может быть пояснена с помощью рис. 4.4. На нем показаны входная характеристика транзистора, рабочая точка напряжение смещения Uбэо, ток покоя базы Iбэо, а также переменные составляющие входного напряжения Uбm и тока Iбm..

На рис.4.4.б приведены выходные динамические характеристики транзистора. Динамическая характеристика MN строится по известным значениям напряжения источника Ек и сопротивления резистора Rк.

Рабочая точка находится на статической характеристике, соответствующей току базы Iбо.

 

 

Рис. 4.4 Работа усилительного каскада

 

В процессе усиления транзистора его выходной ток Iк~ будет протекать не только через резистор Rк, но и через сопротивление нагрузки Rн. Таким образом, оказывается, что по переменному току Rк и Rн включены параллельно, а динамическая характеристика, определяющая усилительные свойства каскада, будет иметь иной наклон, чем MN. На этой характеристике показан входной сигнал, амплитуда которого равна Iвх макс = Iбm , а также переменные составляющие выходного тока Iкm и напряжения Uкm .

Коэффициенты усиления Кu и Кi можно определить, взяв соответствующие приращения выходных величин к входным. Коэффициент усиления по мощности можно найти Кр=КuКi . Аналитические расчетные формулы, обеспечивающие погрешность расчета до 5 %, следующие: Кi=b, ,.

Частотные искажения усилителя, иначе говоря, его полоса пропускания Df, определяются на верхней частоте частотными свойствами самого транзистора, на нижней частоте – сопротивлением разделительных конденсаторов С1 и С2. Из–за роста сопротивления С1 на низкой частоте все меньшая часть напряжения генератора будет попадать на базу транзистора, а с ростом сопротивления С2 все меньшая часть выходного напряжения Uвых будет прикладываться к нагрузке.

Подобно схеме на рис. 4.3 можно собирать схемы многокаскадных полупроводниковых усилителей. В этом случае нагрузкой предыдущего каскада будет являться входная цепь последующего каскада.

 

4.3 Обратные связи в усилителях.

Обратной связью называют воздействие выходного сигнала (или его части) на входную цепь. Электрическая цепь, которая связывает выход схемы с входом, называется цепью обратной связи. Если фаза сигнала обратной связи Uос такова, что он складывается с входным сигналом Uвх, и входной сигнал возрастает, такая обратная связь называется положительной. Этот вид обратной связи применяется в генераторах. Если сигнал обратной связи действует в противофазе с входным сигналом, то такая обратная связь называется отрицательной (ООС). Она применяется в усилителях.

Рис. 4.5 Структурная схема усилителя с обратной связью

 

Следует различать обратные связи по току и напряжению. При обратной связи по току сигнал Uос пропорционален выходному току, при обратной связи по напряжению сигнал обратной связи пропорционален выходному напряжению. В зависимости от способа

подачи обратной связи во входную цепь усилителя различают последовательную и параллельную обратные связи.

На рис. 4.5 представлена структурная схема усилителя, охваченного последовательной обратной связью и имеющего коэффициент усиления без обратной связи К. Отношение напряжения, поданного на вход системы через цепь обратной Uос к выходному напряжению усилителя Uвых называется коэффициентом передачи цепи обратной связи: .

В общем случае является комплексной величиной. При отрицательной обратной связи <0, при положительной ос>0. Пусть на рис. 4.5 изображена структурная схема транзисторного усилителя, тогда на вход самого транзистора будет подано напряжение

.

Разделим все члены равенства на Uвых:

.

В левой части равенства стоит величина I/К, где К – коэффициент усиления без обратной связи. Первый член правой части равенства – I/Кос, второй член – это коэффициент передачи цепи обратной связи

Учитывая вышесказанное, равенство можно привести к виду

.

Это выражение справедливо для положительной обратной связи. В случае действия отрицательной обратной связи выражение можно переписать

.

Таким образом, отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усилителя, но она делает работу усилителя более стабильной, расширяет его полосу пропускания, уменьшает нелинейное искажение, увеличивает входное сопротивление усилителя и уменьшает его выходное сопротивление. Последние два положения очень важны для транзисторных усилителей, входное сопротивление которых обычно мало.