II.2. Принцип работы усилителя

Усиление электрических колебаний в радиоэлектронных устройствах осуществляется с помощью электронных ламп и транзисторов. Здесь важно понять, почему лампа или транзистор могут усиливать.

Принцип усиления поясняет схема на рис.2.3.

Рис. 2.3. Принцип усиления электрических сигналов.

Последовательно с источником питания с напряжением Е_пит включены два сопротивления: постоянное сопротивление нагрузки R_Н и изменяемое сопротивление R~. Роль изменяемого сопротивления играет транзистор или лампа, которые под воздействием управляющего напряжения (в лампе или полевом транзисторе) или тока (в биполярном транзисторе), подводимого к входу усилителя, изменяют своё внутреннее сопротивление постоянному току. Изменение внутреннего сопротивления может осуществляться в очень широких пределах практически без затраты энергии или при очень малой её трате. В то же время мощность, выделяющаяся в нагрузке, может быть значительной. Чтобы выходное напряжение было похожим по форме на входное, требуется плавное изменение внутреннего сопротивления лампы или транзистора, т.е. необходим так называемый усилительный режим их работы.

Рассмотрим принцип работы резистивного усилителя на транзисторе с общим эмиттером, применяя метод графического анализа процессов и используя статические характеристики транзистора. Схема усилителя изображена на рис.2.4.

Рис. 2.4. Графический анализ работы транзисторного усилителя.

1. Обратимся к семейству статических коллекторных характеристик транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером (ОЭ), где параметром является ток базы i_Б. При i_Б =const ток коллектора является функцией только коллекторного напряжения:

I_К = f(U_КЭ) ……… (2.1).

В реальных условиях, т.е. при наличии нагрузки в цепи коллектора, изменение коллекторного тока приводит к изменению коллекторного напряжения, причём çU_Кç= çЕ_Кç- I_К × R_К, откуда следует

½Е_К½ - ½U_К½

I_К = ¾¾¾¾¾¾ ……… (2.2).

R_К

Выражение (2.2) представляет собой уравнение прямой линии в отрезках на осях в системе координат U_К, I_К. Проанализируем это уравнение.

· при I_К = 0 ½U_К½ = ½Е_К½, что соответствует режиму холостого хода;

½Е_К½

· при U_К = 0 I_К = ¾¾¾,

R_K

что соответствует режиму короткого замыкания.

Значения Е_К и U_K взяты по абсолютной величине, потому что рассуждения справедливы для транзисторов любой структуры.

Соединив точки, отложенные на осях координат, получим прямую, называемую нагрузочной прямой постоянного тока.

В выражениях (2.1) и (2.2) ток I_К и напряжение U_К имеют одинаковое значение, поэтому эти выражения можно рассматривать как систему двух уравнений с двумя неизвестными: I_К и U_К. Уравнение (2.1) выражено графически, а уравнение (2.2) – задано аналитически. Решение этой системы уравнений проще выполнить графическим способом, т.е. найти точку пересечения нагрузочной прямой с коллекторной статической характеристикой, соответствующей току i_Б, протекающему в цепи базы. Назовём эту точку изображающей точкой (М). При отсутствии сигнала на входе усилителя изображающая точка определяет положение рабочей точки (Р.Т.) на пересечении нагрузочной прямой со статической выходной характеристикой транзистора при определённом токе базы и называется точкой покоя (М₀ ). Её координаты определяют ток коллектора покоя (I_КП ) и напряжение коллектора покоя (U_КП ) и связаны уравнением:

½U_КП½ = ½Е_К½– I_КП×R_K ………………… (2.3).

Для определения параметров выходного сигнала в динамическом режиме

(с подключённым входным сигналом и нагрузкой) используют нагрузочную прямую переменного тока (динамическую линию нагрузки). Для этого определяют сопротивление нагрузки переменному току, которое определяется параллельно включёнными сопротивлением в цепи коллектора (R_К) и сопротивлением нагрузки (R_Н), на которую работает данный усилительный каскад:

R_К ×R_Н

R~= ¾¾¾¾ …………………… (2.4).

R_К + R_Н

Подробнее об этом в разделе «IV. Работа усилительного элемента в схеме».

2. Обратимся теперь к входным характеристикам транзистора. При отсутствии сигнала на входе в цепи базы действует только напряжение смещения Е_БП, соответствующее состоянию покоя транзистора. При этом в цепи базы будет протекать ток базы покоя (I_БП ).

Динамической входной характеристикой транзистора называется зависимость тока базы от напряжения на базе в схеме с ОЭ при действии входного сигнала и наличии сопротивления нагрузки в цепи коллектора (R_K). Обратим внимание, что напряжение на коллекторе при наличии нагрузки не будет величиной постоянной. Это следует из выражения (2.2).

Динамическая входная характеристика транзистора может быть построена по его динамической выходной характеристике. Однако особенности работы транзистора позволяют сделать вывод, что его динамическая входная характеристика практически совпадает со статической. Поэтому определение входных данных транзисторного каскада без большой погрешности производят по статической характеристике. На рис.2.5 показано семейство входных статических характеристик для схемы с ОЭ.

Рис.2.5. Семейство входных статических характеристик транзистора.

Видно, что при изменении напряжения на коллекторе в довольно больших пределах (0,2 ¸ 10) В, т.е. во всём рабочем диапазоне коллекторных напряжений, входная характеристика изменяется очень мало, что характерно для большинства маломощных транзисторов. Поэтому для расчёта транзисторных усилительных каскадов используют справочные данные входных статических характеристик для значений напряжения на коллекторе ½U_К½> 0.

3. Выбрав на входной динамической характеристике точку, находящуюся приблизительно на середине относительно прямолинейного участка, можно определить, какой величине тока базы I_БП соответствует точка покоя М₀ и соответствующее этой величине напряжение смещения на базе Е_БП.

При линейном режиме работы, т.е. при усилении сигнала без искажений, максимальная амплитуда ЭДС источника входного сигнала е = Е_m× Sin wt не должна превышать половины значения прямолинейного участка входной характеристики. Изменение положения изображающей точки на входной характеристике при действии сигнала на входе будет происходить в пределах отрезка АВ.

Зная величину базового тока покоя I_БП, можно найти рабочую точку на семействе выходных характеристик, соответствующую состоянию покоя транзистора. Она лежит на пересечении нагрузочной прямой со статической коллекторной характеристикой, соответствующей базовому току I_БП.

Изменение базового тока по закону входного напряжения обусловливает соответствующее перемещение изображающей точки М₀ в системе координат U_K, I_K выходных характеристик по нагрузочной прямой также в пределах отрезка АВ и соответствующее изменение коллекторного тока I_K и коллекторного напряжения U_K.. Переменная составляющая напряжения на коллекторе представляет собой усиленное выходное напряжение.

Из графического анализа работы усилителя можно сделать следующие выводы:

1. При линейном усилении двухполярного сигнала, например, синусоиды, рабочая точка М₀ (точка покоя) выбирается на середине прямолинейного участка входной характеристики транзистора;

2. При усилении сигнала появляются постоянные составляющие токов в цепи базы и коллектора;

3. В усилителе с ОЭ фаза выходного напряжения противоположна фазе входного напряжения.

4. Весьма малые изменения тока базы во входной цепи приводят к сильному изменению тока коллектора. В этом проявляется эффект усиления электрического сигнала.

Путём изменения тока покоя базы I_БП, называемого током смещения, можно смещать рабочую точку по нагрузочной прямой в ту или иную область коллекторных характеристик, меняя тем самым режим работы усилителя.

Управлять током коллектора с помощью изменения тока базы можно только в пределах 0 £ I_Б £ I_БН (где I_БН – ток насыщения базы), т.е. когда изображающая точка (М) находится на участке NC нагрузочной прямой (см. рис. «Графический анализ»). Соответствующий этим условиям режим работы транзистора называется активным. В точке С ток через транзистор не проходит, и этот режим называется режимом отсечки. В точке N рабочая точка достигнет линии критического режима транзистора. Дальнейшее увеличение базового тока не вызывает увеличения тока коллектора; транзистор, как говорят, находится в режиме насыщения. В режиме насыщения напряжение на коллекторе и на базе составляет сотые доли вольта. На этом основании при анализе процессов в импульсных устройствах на транзисторах удобно с небольшой погрешностью принимать насыщенный транзистор за короткозамкнутую цепь.

В схеме усилителя с ОЭ входными являются: переменные составляющие базового тока I_Б~ = I_ВХ и базового напряжения U_Б~ = U_ВХ, а выходными – переменная составляющая коллекторного тока I_К~ = I_ВЫХ. и коллекторного напряжения U_К~ = U_ВЫХ. Поэтому коэффициенты усиления по току и напряжению определяются соотношениями

К_i = I_ВЫХ./ I_ВХ; К_U = К = U_ВЫХ / U_ВХ …………. (2.4).