Усилительные каскады на биполярных транзисторах

Усилители, как правило, выполняют из нескольких каскадов, осуществляющих последовательное усиление сигнала. В зависимости от выполняемых функций усилительные каскады разделяют на каскады предварительного усиления и выходные каскады. Каскады предварительного усиления предназначены для повышения уровня сигнала по напряжению, а выходные каскады – для получения требуемых тока или мощности сигнала в нагрузке.

Принцип построения каскада усиления по напряжению показан на рис. 4.3.

Основными элементами каскада являются управляемый элемент УЭ, функцию которого выполняет биполярный или полевой транзистор, и резистор R. Совместно с источником питания Е эти элементы образуют выходную цепь каскада. Усиливаемый сигнал u_вх, принятый для простоты синусоидальным, подается на вход УЭ. Выходной сигнал напряжения снимается с выхода УЭ или с резистора R.

Выходное напряжение создается за счет падения напряжения на резисторе R при протекании по нему выходного тока усилительного элемента УЭ. Поскольку ток УЭ изменяется по закону, заданному входным напряжением, то и падение напряжения на резисторе R изменяется во времени по такому же закону. В соответствии со структурной схемой рис. 4.3, а закон изменения выходного напряжения определяется выражением

u_вых = E – i(u_вх)R,

где второе слагаемое определяет переменную составляющую выходного сигнала.

Процесс усиления основывается на преобразовании энергии источника постоянного напряжения Е в энергию переменного напряжения в выходной цепи за счет изменения тока УЭ по закону, задаваемому входным сигналом.

Следует особо подчеркнуть назначение резистора R в структурной схеме каскада рис. 4.3, а. Оно состоит в преобразовании источника тока, каковым является выходная цепь и биполярного и полевого транзисторов, в источник напряжения с внутренним сопротивлением R. Строго говоря, выходное сопротивление каскада равно сопротивлению параллельно соединенных резистора R и выходного сопротивления УЭ. Однако выходное сопротивление транзисторов очень велико (выполняется условие r_УЭ >> R), поэтому практически не оказывает влияния на выходное сопротивление каскада.

Ток выходной цепи является однонаправленным, поэтому для обеспечения работы усилительного каскада при переменном входном сигнале в его выходной цепи должны быть созданы постоянные составляющие тока I₀ и напряжения U₀ (рис. 4.3, б). Эту задачу решают путем подачи во входную цепь каскада кроме переменного усиливаемого сигнала соответствующего постоянного напряжения U_0вх (рис. 4.3, а), или постоянного входного тока I_0вх.

Постоянные составляющие тока и напряжения определяют так называемый режим покоя усилительного каскада. Параметры режима покоя во входной цепи (U_0вх и I_0вх) и в выходной цепи (U₀ и I₀) характеризуют состояние схемы в отсутствие входного сигнала.

Показатели усилительных каскадов зависят от способа включения транзистора, выполняющего роль управляемого элемента. В связи с этим анализ усилительных каскадов на биполярных транзисторах проводится для трех способов включения: с общим эмиттером ОЭ, общим коллектором ОК и общей базой ОБ.