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 U_вх есть постоянная составляющая, то она не попадает на базу транзистора),

R₁ R₂ – делитель для задания рабочей точки по напряжению;

R_э С_э – цепочка термостабилизации положения рабочей точки;

R_к – коллекторное сопротивление, обеспечивающее динамический режим работы транзистора;

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

R_н – сопротивление нагрузки.

Рассмотрим фиксацию рабочей точки на числовом примере. Пусть надо иметь U_бо=+1 В. Через сопротивление R_э протекает ток покоя I_эо=I_ок/a. Этот ток создает на R_э падение напряжения, например, U_Rэ= I_эо R_э=1В. Но это напряжение приложено плюсом на эмиттер, а минусом – на базу транзистора, т.е. закрывает его. Чтобы подать на базу транзистора требуемое U_бо=+1 В, надо рассчитать делитель напряжения R₁ R₂ в нашем случае так, чтобы U_R2= 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 I_э » I_к. На сопротивлении R_э увеличивается падение напряжения, которое действует на базу транзистора, как запирающее.

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

Конденсатор С_э должен на нижней рабочей частоте транзистора надежно шунтировать R_э, т.е. В этом случае переменная составляющая коллекторного тока I_к замыкается через С_э 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 U_бэо, ток покоя базы I_бэо, а также переменные составляющие входного напряжения U_бm и тока I_бm..

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

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

 

 

Рис. 4.4 Работа усилительного каскада

 

В процессе усиления транзистора его выходной ток I_к~ будет протекать не только через резистор R_к, но и через сопротивление нагрузки R_н. Таким образом, оказывается, что по переменному току R_к и R_н включены параллельно, а динамическая характеристика, определяющая усилительные свойства каскада, будет иметь иной наклон, чем MN. На этой характеристике показан входной сигнал, амплитуда которого равна I_{вх макс} = I_бm , а также переменные составляющие выходного тока I_кm и напряжения U_кm .

Коэффициенты усиления К_u и К_i можно определить, взяв соответствующие приращения выходных величин к входным. Коэффициент усиления по мощности можно найти К_р=К_uК_i . Аналитические расчетные формулы, обеспечивающие погрешность расчета до 5 %, следующие: К_i=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 U_вых 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 U_ос такова, что он складывается с входным сигналом U_вх, 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 U_ос к выходному напряжению усилителя U_вых 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.