2. Принцип построения усилительных каскадов

Как правило, усиление электрических сигналов происходит последовательно в несколько этапов. Каждая ступень усиления обычно называется каскадом. Число каскадов в усилителях зависит от требуемых значений коэффициентов усиления k_i, k_u, k_p.

В зависимости от выполняемых функций усилительные каскады подразделяют на каскады предварительного усиления и выходные каскады. Каскады предварительного усиления предназначены для повышения уровня сигнала по напряжению, а выходные каскады – для получения требуемых значений тока или мощности сигнала в нагрузке.

П ринцип построения и работы усилительного каскада рассмотрим на примере структурной схемы рис.6.4, а. Основными элементами каскада являются управляемый элемент УЭ, функцию которого выполняет биполярный или полевой транзистор и резистор R. Совместно с напряжением питания Е эти элементы образуют выходную цепь каскада.

Усиливаемый сигнал u_вх, например, синусоидальной формы, подается на вход УЭ. Выходной сигнал u_вых, снимается с выхода УЭ или с резистора R. Он формируется в результате изменения сопротивления УЭ и, следовательно, тока i в выходной цепи под воздействием входного напряжения (закон Ома). Процесс усиления основывается на преобразовании энергии источника постоянного напряжения Е в энергию переменного напряжения в выходной цепи за счет изменения сопротивления УЭ по закону, задаваемому входным сигналом.

Ввиду использования для питания источника постоянного напряжения Е ток i в выходной цепи каскада является однонаправленным (рис.6.4, а). При этом переменный ток и напряжение выходной цепи (пропорциональные току и напряжению входного сигнала) следует рассматривать как переменные составляющие суммарных значений тока и напряжения, накладывающиеся на их постоянные составляющие I_п и U_п (рис.6.4, б).

Связь между постоянными и переменными составляющими должна быть такой, чтобы амплитудные значения переменных составляющих не превышали постоянных составляющих, т.е.

Iп ≥ Im и Uп ≥ Um .

(6.8)

Невыполнение этих условий приводит к ограничению выходного сигнала и как следствие к искажению его формы.

Таким образом, для обеспечения работы усилительного каскада при переменном входном сигнале в его входной и выходной цепи должны быть созданы постоянные составляющие тока и напряжения − они определяют режим покоя усилительного каскада, и характеризуют электрическое состояние схемы в отсутствии входного сигнала.

Усилительные свойства каскадов усиления основываются на следующем. При подаче на управляемый элемент напряжения входного сигнала в токе выходной цепи создается переменная составляющая, вследствие чего на управляемом элементе образуется аналогичная составляющая напряжения, превышающая переменную составляющую напряжения на входе.

3. Усилители на биполярных транзисторах

Параметры усилительного каскада зависят от способа включения транзистора и приводятся в таблице 6.1. Наиболее часто в усилительных каскадах применяются схемы включения биполярных транзисторов с ОЭ и ОК.

Таблица 6.1 – Параметры основных схем включения транзисторов

Параметр	Схема включения
	ОЭ	ОБ	ОК
Входное сопротивление, Rвх	200…2000 Ом	50…100 Ом	10…500 кОм
Выходное сопротивление, Rвых	30…70 кОм	0,1…1,0 МОм	50…1000 Ом
Коэффициент усиления по напряжению, ku	30…1000	30…400	1
Коэффициент усиления по току, ki	10…200	1	10…200
Коэффициент усиления по мощности, kр	3000…30000	30…400	10…200
Фазовый сдвиг между Uвых и Uвх, 	1800	0	0