Підсилювачі електричних сигналів

Студенти після вивчення та опрацювання розділу повинні пояснити принцип підсилення електричних сигналів. Знати схемотехнічну реалізацію базових підсилю­вальних транзисторних каскадів та основні характерис­тики підсилювачів. Вміти розраховувати потенціальний режим транзисторів та вибирати робочу точку підси­лювача в залежності від його класу.

План (логіка) викладу матеріалу

1. Структура підсилювачів

2. Одиокаскадиі підсилювачі

3. Зворотні зв'язки в підсилювачах Ключові терміни та поняття:

підсилювач, підсилювач постійного струму, підсилювач змінного струму, підсилювач низької частоти, підсилювач високої частоти, широкосмуговий підсилювач, однокаскадний підсилювач, частотна характеристика, фазова характеристика, амплітудна характеристика, коефіцієнт підсилення, зворотний зв 'язок, біполярний транзистор, польовий транзистор, робоча точка, клас підсилення

6.1. Структура підсилювачів

Підсилювачі — це пристрої для підвищення потужності вхід­ного електричного сигналу за рахунок значно більшої потужнос­ті джерела живлення. Підсилювачі містять активні (тран­зистори) і пасивні (резистори, конденсатори, індуктивності) елементи, а також джерело постійної напруги (живлення). За ха­рактером вхідного сигналу підсилювачі діляться на підсилюва­чі постійного та змінного струму, які, в свою чергу, поділяються на підсилювачі низької частоти (ПНЧ) (діапазон підсилення від 10 до 20 кГц), підсилювачі високої частоти (ПВЧ) (діапа­зон підсилення від 20 кГц до 100 МГц) і широкосмугові (відео-підсилювачі). Структурна схема підсилювача (рис. 37) містить регулювальний елемент (транзистор) і навантаження.

Робота підсилювачів характеризується такими показниками:

♦ коефіцієнтом підсилення за напругою , де

U_BX, U_BИХ — вхідна і вихідна напруги підсилювача;

♦ коефіцієнтом підсічення за струмом , де I_вх, I_вих — вхідний і вихідний струми підсилювача;

♦ коефіцієнтом підсилення за потужністю ;

♦ частотною характеристикою K=F(f) — залежністю модуля кое­фіцієнта підсилення від частоти при сталій величині вхідно­го сигнаїу;

• фазовою характеристикою =F(f) — заіежністю кута зсуву фаз між вхідною та вихідною напругами;

• амплітудною (передатною) характеристикою U_BИХ = f(U_BX ) — залежністю вихідної напруги від вхідної при сталій частоті;

♦> коефіцієнтом корисної дії (ККД) — відношенням вихідної потуж­ності підсилювача до потужності, спожитої від джерела живлення.

Характер навантаження істотно впливає на частотну характерис­тику (рис.38). Тому, залежно від призначення підсилювача (широко­смуговий чи резонансний), визначається й тип навантаження.

Підсилювачі електричних сигналів поділяються на підсилювачі напруги та потужності. їх застосовують в давачах, перетворювачах електричних сигналів, генераторах, прийомо-передавальних прист­роях тощо.

6.2. Однокаскадні підсилювачі

Як активний елемент підеилювача можуть бути використані біпо­лярний або польовий транзистори. Розглянемо роботу однокаскадно-го підсилювача на базі біполярного транзистора (рис. 39).

В однокаскадному підсилювачі із спільним емітером (рис. 39) вхі­дний сигнал подається в коло бази, а вихідний сигнал отримуємо між емітером і колектором транзистора. Оскільки вхідний струм і вхідна напруга в такій схемі відповідають відповідно струму бази й напрузі база-емітер, які незначні за величиною, а вихідний струм відповідає струму колектора й завдяки властивостям біполярного транзистора є значним, отримуємо в такій схемі значне підсилення за струмом та напругою сигналу. Тобто зміна вхідного струму призводить до зміни вихідного струму , де — коефіцієнт підсилення за стру­мом транзистора.

Режим роботи підсилювального каскаду задається вибором робо­чої точки Р (рис. 40). Для цього необхідно побудувати навантажу­вальну характеристику (тобто лінію навантаження) за рівнянням . Точка перетину цієї лінії з характеристикою транзи­стора визначає необхідний струм бази /_Б .

Задання робочої точки транзистора реалізується в схемі підсилюва­ча шляхом визначення потенціалу бази транзистора для визначеного струму І_Б . Розрахунок параметрів елементів підсилювального каскаду

(рис. 39) здійснюється на постійному струмі при u_вх = 0 (потенціаль­ний режим). Опори резисторів розраховують за заданим струмом бази I_Бо і відповідною йому напругою U_БЕo (визначається за вхідною характеристикою U_БE(І_Б))

де — струм в колі дільника напруги; — зна­чення струму емітера в робочій точці Р. Величину опору R_E вибирають з умови R_K /20 < R_Е < R_K /5 . Переважно приймають .

Значення R_K вибирають так, щоб забезпечити необхідні величини струму колектора I_к і напруги U_КЕ . Найчастіше опір R_K вибирають

так, щоб U_KE = U/2, тобто . Струм колектора I_к визначають за паспортними параметрами вибраного транзистора як

Температурна стабілізація режиму роботи підсилювача забезпе­чується від'ємним зворотним зв'язком по постійному струму через резистор R_E. Для усунення негативного впливу від'ємного зворотно­го зв'язку по змінному струму резистор шунтують конденсатором C_E , опір якого повинен задовольняти умову у частотному діапазоні вхідного сигналу.

Розділювальні конденсатори С_І ,С₂ використовують у випадку підсилення змінного вхідного сигналу для перешкоди протіканню постійного струму від джерела живлення. їх опір повинен бути незнач­ним в частотному діапазоні вхідного сигналу, тому що це впливає на частотну характеристику підсилювача.

Переважно робочу точку вибирають посередині лінійної частини характеристики. Вибір координат робочої точки регламентується

амплітудою, формою та полярністю вхідного сигналу. Залежно від положення робочої точки, розрізняють три основні режими підсилен­ня сигналів підсилювача, які поділяються відповідно на класи А, В і С.

В підсилювачах класу А розташування робочої точки вибирають посередині лінії навантаження. Це забезпечує лінійне підсилення змінного вхідного сигналу. Такий режим найчастіше застосовують в каскадах попереднього підсилення або в малопотужних вихідних кас­кадах. Недоліком такого підсилювача є низький ККД.

У підсилювачах класу В робоча точка вибрана при струмі колек­тора I_к = I_Ко . В такому режимі транзистор відкритий тільки протя­гом половини періоду змінного вхідного сигналу. Особливістю цього режиму є високий ККД підсилювача (60+70%), тому його використо­вують у вихідних (двотактних) каскадах підсилення потужності.

У підсилювачах класу С підсилюється сигнал, який перевищує по-рогове значення, задане робочою точкою. Такий режим роботи підси­лювача часто називають «режимом ключа». Його використовують в підсилювачах-формувачах і схемах автоматики. Такий підсилювач за­безпечує високий ККД.

На даний час ширше використовуються підсилювачі, виконані на польових транзисторах. На рис. 41 подано однокаскадний підсилювач за схемою із спільним витоком з одним джерелом живлення.

Режим роботи польового транзистора в режимі спокою забезпечу­ється постійним струмом стоку I_Со та відповідною йому напругою стік-витік U_CBo . Задання цього режиму здійснюється напругою змі­щення на затворі польового транзистора U_Зо. Ця напруга виникає на резисторі R_B при проходженні струму I_Во = I_Со і прикладається до затвора завдяки гальванічному зв'язку через резистор R₃ . Резистор R₃, окрім забезпечення напруги зміщення затвора, використовується також для температурної стабілізації режиму роботи підсилювача за постійним струмом. Для того, щоб на резисторі R_B не виділялася змінна складова напруги, його шунтують конденсатором С_в і таким чином забезпечують незмінність коефіцієнта підсилення каскаду. Опір конденсатора С_в на найнижчій частоті сигналу повинен бути набагато більшим від опору резистора R_в, який визначають за виразом , де U_Зо, Iс₀ — напруга затвора і струм стоку привідсутності вхідного сигналу.

Ємність конденсатора вибирається за умови , де

— найнижча частота вхідного сигналу.