Принцип усиления электрических сигналов

Одной из важнейших функций в любой электронной аппаратуре является усиление электрических сигналов – это значит увеличить его мощность, т.е. амплитуду тока и напряжения исходного сигнала до требуемой величины.

Рисунок 145 – Схема включения БТ в активном режиме работы

Наибольшим усилением по мощности обладает биполярный транзистор, включенный по схеме с ОЭ. Рассмотрим работу биполярного транзистора в активном режиме.

На вход подан сигнал U_ВХ, при этом незначительное изменение входного напряжения DU_БЭ вызовет значительное изменение тока базы DI_Б, ток коллектора при этом увеличится соответственно DI_К=DI_Б*h_21э. Этот ток вызовет соответствующее изменение выходного напряжения DU_КЭ=DI_К*R_К. Так как R_К> R_ВХ, а ток DI_К=DI_Б, то и DI_К=DI_Б, соответственно DU_КЭ>DU_ЭБ (DU_ЭБ=DI_Б*R_ВХ). Таким образом, схема обеспечивает усиление по току и по напряжению, а соответственно и по мощности (Р₀=I²_Б*R_К). Но очень большого усиления по мощности получить не удается из-за того, что изменение мощности на выходе только управляет изменением мощности на входе. При этом тратиться энергия источника питания постоянного тока Р₀, включенного на входе и выходе усилительного элемента. Чтобы получить на выходе сигнал без искажений на вход необходимо подать сигнал Р_ВХ<Р₀, соответственно теряется часть энергии источника питания и КПД усилителя при этом будет < 100%.

Процесс усиления электрических сигналов по мощности является процессом преобразования мощности источника постоянного тока в мощность переменного тока, который меняется по закону поданного на вход напряжения или тока усиливаемого сигнала.

Рассмотрим процесс усиления на основе числовых примеров:

Для расчета примем напряжение источника питания Е₁=0,2В, Е₂=12В, сопротивление нагрузки R_Н=4кОм, выходное сопротивление транзистора при отсутствии сигнала на входе r₀=4кОм, амплитуда коллекторного тока I_Кm=1мА. Расчет произведем для амплитуды входного напряжения DU_БЭ=0,1В.

1) При отсутствии входного сигнала:

Полное сопротивление в коллекторной цепи равно сумме сопротивлений r₀ и R_К.

Ток в коллекторной цепи равен: I_К0=Е₂/(R_К+r₀)

I_К0=12/(4*10³+4*10³)=1,5*10^-3=1,5мА

Так как сопротивления R_К и r₀ равны, то напряжение Е₂ делится по полам U_К0=6В и U_КЭ0=6В

2) при положительной полуволне входного сигнала:

Т.к. на вход подан сигнал амплитудой 0,1В, то напряжение на входе будет суммироваться с напряжением питания.

U_ВХ=Е₁+U_КЭm=0,1+0,2=3В

Ток на выходе также увеличивается:

I_К=I_К0+I_Кm=1*10^-3+1,5*10^-3=2,5*10^-3=2,5мА

Этот ток вызовет на сопротивлении нагрузки падение напряжения:

U_Нmax=I_Кmax-R_Нmax=12-10=2В

Следовательно сопротивление r_ЭК уменьшится до:

3) При отрицательной полуволне напряжение на входе минимально:

U_Вхmin=Е₁-U_КЭm=0,2-0,1=0,5мА

Этот ток вызовет падение напряжения на сопротивлении нагрузки:

U_Нmin=I_Кmin*R_Н=0,5*10^-3*4*10³=2В

На выходе транзистора напряжение увеличится и будет максимально:

U_КЭmax=E₂-U_Нmin=12-2=10В

Следовательно сопротивление r_КЭ увеличится до:

Вывод: подача на вход транзистора переменного напряжения амплитудой 0,1В вызовет изменение сопротивления r_КЭ от 0,8 до 20кОм, при этом амплитуда напряжения на нагрузке составит 4В. Т.е. амплитуда сигнала на выходе в 40 раз больше, чем на входе.