Принцип усиления переменного напряжения

Назначение и классификация усилителей. Усилители переменного напряжения являются наиболее распрост­раненным типом электронных усилителей на дискретных элементах. Связь усилителя с источником входных сигна­лов и нагрузкой, а также между отдельными каскадами в многокаскадных усилителях переменного напряжения в большинстве случаев осуществляется через раздели­тельные RC-цепи и реже — с помощью трансформаторов. При таких связях усиливается и передается в нагрузку только переменная составляющая сигнала, несущая по­лезную информацию. Лишь в интегральных усилителях ввиду сложности изготовления катушек индуктивности и конденсаторов большой емкости применяются гальва­нические связи, пропускающие как переменные, так и постоянные составляющие усиливаемого сигнала. Общими требованиями, предъявляемыми к цепям межкаскадных связей, являются минимальные потери усиления, мини­мальные вносимые искажения, достаточная электриче­ская прочность.

Среди усилителей переменного напряжения видное место занимают усилители низкой частоты (УНЧ), усиливающие электрические колебания в диапа­зоне частот от единиц герц до десятков килогерц. УНЧ, работающие в диапазоне частот 16 Гц...20 кГц, называют усилителями звуковой частоты (УЗЧ).

УНЧ применяются в радиоприемных и радиотранс­ляционных устройствах, системах автоматического регу­лирования и телеметрии и др.

Напряжение на входе УНЧ может изменяться в ши­роких пределах: от долей микровольта до нескольких вольт. Значения напряжений усиленных электрических колебаний могут быть от десятых долей вольта до сотен вольт, а их мощность — от нескольких милливатт до сотен ватт и киловатт. Для получения такого усиления напря­жения и мощности УНЧ должен быть, как правило, много­каскадным. Первые каскады образуют предварительный усилитель, который осуществляет в основном усиление на­пряжения. Такие усилители называют усилителями на­пряжения низкой частоты (УННЧ). Основное требование, предъявляемое к УННЧ — это получение максимального коэффициента усиления напряжения при минимальных искажениях усиливаемых электрических колебаний.

По принципу построения усилительные каскады могут быть однотактными и двухтактными.

Усилители напряжения низкой частоты могут быть выполнены на электронно-управляемых лампах, бипо­лярных или полевых транзисторах. В последнее время очень часто используются УННЧ на интегральных микро­схемах.

В качестве нагрузок в УННЧ могут использоваться резисторы, трансформаторы, обмотки электродвигателей, динамические головки громкоговорителей и др.

Из транзисторных УННЧ наибольшее применение получили усилители с общим истоком (ОИ) и общим эмиттером (ОЭ). Это связано с тем, что такие усилители обеспечивают получение большого коэффициента усиле­ния при сравнительно высоком входном сопротивлении. Для уменьшения частотной зависимости технических по­казателей в транзисторных УННЧ в качестве нагрузок обычно используют резисторы.

Работа усилителя. Схема простейшего усилителя на полевом транзисторе, включенном по схеме с ОИ и ре-зистивной нагрузкой R_c, показана на рис. 5.1, а.

Источник с ЭДС е_BX создает на входе усилителя (рис. 5.1, б) на зажимах 1 — 1 переменное напряже­ние u_вх, изменяющееся по закону .

При неработающем источнике усилитель находится в режиме покоя (интервал времени ), который характеризуется постоянными напря-

 

жениями затвора и стока и током . Ток покоя про­текает через резистор нагрузки R_c и создает на его со­противлении напряжение , поэтому

 

В момент времени включается источник перемен­ного напряжения и напряжение затвора начинает изме­няться по закону

Режим работы активного элемента, при котором хотя бы один из его параметров изменяется во времени, на­зывается динамическим. Следовательно, с момента вре­мени ПТ и усилитель в целом из режима покоя (стати­ческого режима) переходят в динамический режим.

Во время положительного полупериода входного на­пряжения (интервал ) напряжение затвора стано­вится менее отрицательным. Это вызывает увеличение тока стока и падения напряжения на резисторе R_c. Напряже­ние в соответствии с выражением (5.1) умень­шается.

Во время отрицательного полупериода входного на­пряжения (интервал ) напряжение становится более отрицательным, чем в режиме покоя. Это приводит к уменьшению тока стока, падения напряжения на ре­зисторе R_с и увеличению напряжения .

Таким образом, под действием переменной составляю­щей напряжения затвора ток стока, напряже­ние стока и напряжение на нагрузке преобразуются из постоянных, какими они были в режиме покоя, в пульси­рующие, содержащие постоянные и переменные состав­ляющие:

Из последнего уравнения видно, что изменение на­пряжения на резисторе R_c численно равно изменению напряжения стока, т. е. . Поэтому последнее уравнение можно записать в виде

Знак «минус» в этом выражении означает противо-фазность переменных составляющих напряжений стока и затвора.

Так как , то при соответствующем выборе сопротивления резистора R_c можно получить , т. е. усиление входного напряжения.

Усиленное переменное напряжение поступает на выход усилителя через разделительный конденсатор С_р. Емкость этого конденсатора должна быть достаточно большой, чтобы на его сопротивлении падала лишь незначитель­ная часть переменной составляющей напряжения . При этом можно считать, что .

Схема простейшего усилителя на биполярном тран­зисторе, включенном с ОЭ, показана на рис. 5.2, а, а принцип его работы иллюстрируется графиками, приве­денными на рис. 5.2, б.

Усилители, приведенные на рис. 5.1, а и 5.2, а, на­зываются инвертирующими, так как у них фаза выходного напряжения противоположна фазе входного напряжения.

В рассмотренных усилителях выходные напряжения создаются переменными составляющими токов стока и коллектора, значительно превышающими по амплитуде входные токи — токи затвора и базы. Поэтому усиление напряжения происходит при одновременном усилении мощности.

Усилитель можно выполнить на биполярном транзи­сторе, включенном посхеме с общей базой (рис. 5.3). Физические процессы в таком усилителе ничемнеотли­чаются от физических процессов в усилителе на БТ с ОЭ. С помощью графиков, отображающих изменения напря­жений и токов при действии на входе усилителя пере­менного напряжения, можно убедиться в том,

что выход­ное напряжение в усилителе на БТ с ОБ совпадает по фазе с входным. Такой усилитель называют неинверти­рующ и м.