12.4. Типы усилителей на транзисторах

Усилители - это электронные цепи, которые ис­пользуются для увеличения амплитуды электрон­ного сигнала. Цепь, рассчитанная на преобразова­ние низкого напряжения в высокое, называется уси­лителем напряжения. Цепь, рассчитанная на пре­образование слабого тока в сильный, называется уси­лителем тока. В современной радиоэлектронике основными усилительными устройствами являют­ся транзисторы.

Для того чтобы транзистор обеспечивал усиление, он должен быть в состоянии принять входной сиг­нал и выдать выходной сигнал, значительно боль­ший, чем входной.

Входной сигнал управляет током, текущим че­рез транзистор. Этот ток в свою очередь управляет напряжением на нагрузке. Транзисторная цепь рас­считана таким образом, чтобы брать напряжение от внешнего источника питания и подавать его на ре­зистор нагрузки в виде выходного напряжения.

Существует несколько способов включения тран­зистора в цепь: схема с общей базой, схема с общим, эмиттером и. схема с общим коллектором. В каж­дой из этих схем один из выводов транзистора слу­жит общей точкой, а два других являются входом и выходом, при этом на переход эмиттер-база подает­ся напряжение смещения в прямом направлении, а на переход коллектор-база - в обратном. Каждая схема имеет преимущества и недостатки и может быть собрана как c p-n-р, так и с n-p-п транзистором.

В схеме с общей базой (рис. 12.17) входной сиг­нал подается в цепь эмиттер-база, а выходной сни­мается с цепи коллектор-база. База является общим элементом для входа и выхода.

Рис. 12.17

В схеме с общим эмиттером (рис. 12.18) входной сигнал подается в цепь эмиттер-база, а выходной сигнал снимается с цепи коллектор-эмиттер. Эмит­тер является общим для входа и выхода. Этот спо­соб включения транзистора используется наиболее широко.

Рис. 12.18

Третий тип соединения (рис. 12.19) - это схема с общим коллектором. В этой схеме входной сигнал подается в цепь база-коллектор, а выходной сигнал снимается с цепи эмиттер-коллектор. Здесь коллек­тор является общим для входа и выхода. Эта схема используется для согласования импедансов (импе­дансом называется полное сопротивление цепи пе­ременному току).

Рис. 12.19

В таблице (12.1) приведены входные и выходные сопротивления, а также величина усиления по на­пряжению, току и мощности для трех схем вклю­чения транзистора.

Таблица 12.1

Тип цели	Входное сопротивление	Выходное сопротивление	Усилие по напряжению	Усилие по току	Усилие по мощности
Общая база	Десятки Ом	Сотни килом – единицы МОм	Несколько сотен	Меньше единицы	Несколько сотен
Общий эмиттер	Тысячи Ом	Десятки – сотни кОм	Несколько десятков	Несколько сотен	Несколько тысяч
Общий коллектор	Десятки – сотни кОм	Десятки – сотни Ом	Меньше единицы	Несколько сотен	Несколько десятков

Отметим, что схема с общим эмиттером изменя­ет фазу входного сигнала на 180°, тогда как схемы с общей базой и с общим коллектором фазу входного сигнала не изменяют.

Как видно из рис. 12.17-12.19, все три схемы усиления требуют двух источников тока. Переход база-эмиттер должен быть смещен в прямом направ­лении, а переход база-коллектор должен быть сме­щен в обратном направлении. Однако оба напряже­ния смещения могут быть обеспечены с помощью одного источника тока.

Поскольку цепи с общим эмиттером использу­ются наиболее часто, мы их опишем более деталь­но. Те же принципы применимы и к цепям с общей базой и общим коллектором.

На (рис. 12.20) изображен транзисторный усили­тель с общим эмиттером, использующий один ис­точник питания. Источник питания обозначен + V. Символ заземления является отрицательным выво­дом источника питания V . Один источник питания обеспечивает подачу смещения для переходов база-эмиттер и база-коллектор. Два резистора (R_Б и R_K ) используются для распределения напряжения, обеспечивающего правильную работу. Резистор R_K , сопротивление нагрузки коллектора, соединен последовательно с коллектором. Когда через коллек­тор течет ток, на резисторе R_K появляется падение напряжения. Падение напряжения на резисторе R_K и падение напряжения на переходе коллектор-эмит­тер транзистора в сумме должны равняться прило­женному напряжению.

Рис. 12.20

Резистор R_Б, соединяющий базу с источником питания, управляет величиной тока базы. Ток базы, текущий через резистор R_Б , создает на нем падение напряжения, составляющее большую часть напря­жения источника питания. Меньшая часть этого напряжения падает на переходе база-эмиттер тран­зистора, обеспечивая правильное прямое смещение.

Один источник питания может обеспечить необ­ходимые напряжения прямого и обратного смеще­ния. В случае п-р-п транзистора потенциал на базе и коллекторе транзистора должен быть положитель­ным по отношению к эмиттеру. Следовательно, ис­точник питания может быть связан с базой и кол­лектором через резисторы R_Б иR_K . Эту цепь часто называют цепью смещения базы, так как ток базы управляется величиной резистора R_Б и напряжени­ем источника питания.

Входной сигнал подключается между базой тран­зистора и его эмиттером или между выводом входа и землей. Значение входного сигнала либо складывается с прямым смещением на эмиттерном перехо­де, либо вычитается из него. Это служит причиной изменения коллекторного тока, что в свою очередь приводит к изменению падения напряжения на ре­зисторе R_K . Выходной сигнал появляется между выводом выхода и землей.

Цепь, изображенная на рис. 12.20, не обладает хорошей стабильностью, так как она не может ком­пенсировать изменения тока смещения при отсут­ствии сигнала. Изменения температуры приводят к изменению внутреннего сопротивления транзисто­ра, что заставляет изменяться ток смещения. Это сдвигает рабочую точку транзистора, уменьшая его усиление. Этот процесс называется температурной нестабильностью.

Существует возможность компенсации темпера­турных изменений в схеме транзисторного усили­теля. Если часть нежелательного выходного сигна­ла подать на вход цепи, этот сигнал будет противо­действовать изменениям в транзисторе. Этот про­цесс называется отрицательной обратной связью (рис. 12.21).

Рис. 12.21

В цепи, использующей отрицательную обратную связь, базовый резистор R_Б соединен непосредствен­но с коллектором транзистора. Если температура увеличивается, то ток коллектора и падение напря­жения на резисторе R_K тоже увеличиваются. На­пряжение коллектор-эмиттер уменьшается, умень­шая также напряжение, приложенное к R_Б . Это уменьшает ток базы, что служит причиной умень­шения тока коллектора. Так работает коллектор­ная цепь обратной связи.

Рис. 12.22

На (рис. 12.22) показан другой тип обратной свя­зи. Эта цепь похожа на цепь, изображенную на (рис. 12.21), за исключением того, что последовательно с выводом эмиттера включен резистор R_Э.Резисто­ры R_Б и R_Э и переход транзистора эмиттер-база со­единены последовательно с источником питания V .

Увеличение температуры служит причиной уве­личения коллекторного тока. Ток эмиттера также увеличивается, увеличивая падение напряжения на резисторе R_Э и уменьшая падение напряжения на резисторе R_Б . Ток базы уменьшается, что уменьша­ет как ток коллектора, так и ток эмиттера. Посколь­ку сигнал обратной связи создается на эмиттере тран­зистора, эта цепь называется цепью эмиттерной обратной связи.

В цепи этого типа имеет место уменьшение обще­го усиления, поскольку входной сигнал переменно­го тока появляется как на резисторе R_к, так и на резисторе R_Э и на транзисторе. При подсоединении параллельно резистору R_Э конденсатора С_Э (рис. 12.23), сигнал переменного тока обходит резистор R_Э, так как сопротивление конденсатора перемен­ному току существенно меньше R_Э . Этот конденса­тор называют блокировочным конденсатором. Его емкость выбирается таким образом, чтобы выпол­нялось соотношение 1 / ω С_э <<R_Э.

Рис. 12.23

Блокировочный конденсатор устраняет любые быстрые изменения напряжения на резисторе R_Э, благодаря тому, что он обладает низким импедан­сом для переменного тока, удерживает постоянное напряжение на резисторе R_э неизменным, не мешая работе цепи обратной связи, обеспечиваемой R_Э.

Наибольшую стабильность обеспечивает, цепь об­ратной связи с делителем напряжется (рис. 12.24). Эта цепь используется наиболее широко. Здесь ре­зистор R_Б заменяется двумя резисторами, R₁ и R₂ . Эти последовательно соединенные резисторы подключены параллельно источнику питания V . Они делят напряжение питания на два напряжения, об­разуя делитель напряжения.

Рис. 12.24

На резисторе R₂ падает меньшее напряжение, чем на резисторе R₁ . Напряжение на базе по отноше­нию к земле равно падению напряжения на резис­торе R₂. Цель делителя напряжения - установить постоянное напряжение на базе транзистора по от­ношению к земле. Подсоединенный к базе конец резистора R₂ имеет положительный потенциал по отношению к земле.

Так как через резистор R_Э течет ток эмиттера, то на конце резистора R_Э, подсоединенном к эмитте­ру, имеется положительный потенциал по отноше­нию к земле- Напряжение на переходе эмиттер-база является разностью двух положительных напряже­ний - напряжения на резисторе R₂ и напряжения на резисторе R_Э. Для того, чтобы имело место пра­вильное прямое смещение, положительный потен­циал базы должен быть немного выше положитель­ного потенциала эмиттера.

При увеличении температуры токи коллектора и эмиттера также увеличиваются. Увеличение тока эмиттера приводит к увеличению падения напряжения на резисторе R_Э. Это приводит к тому, что положительный потенциал эмиттера по отношению к земле увеличивается. Тогда прямое смещение пе­рехода эмиттер-база уменьшается, что приводит к уменьшению тока базы. Уменьшение тока базы уменьшает токи коллектора и эмиттера. Противо­действие также имеет место и при понижении тем­пературы: ток базы увеличивается, что приводит к увеличению токов эмиттера и коллектора.

Усилители, обсуждавшиеся до сих пор, имели та­кое смещение, что весь приложенный входной пере­менный сигнал появлялся на выходе. Выходной сиг­нал имел такую же форму, что и входной сигнал, за исключением того, что его величина была больше. Усилитель, смещение которого таково, что ток через него течет во время всего периода сигнала, называет­ся усилителем, работающим в классе А (рис. 12.25). Усилитель, смещение которого таково, что вы­ходной ток через него течет меньше, чем полный период, но больше половины периода, называется усилителем, работающим в классе АВ. В режима класса АВ усилитель усиливает больше чем поло­вину периода, но меньше, чем полный период вход­ного сигнала переменного тока (рис. 12.26).

Усилитель, смещение которого таково, что выход­ной ток через него течет только половину периода вход­ного сигнала, - это усилитель, работающий в классе B. В режиме класса B усиливается только половина входного сигнала переменного тока (рис. 12.27).

Усилитель, смещение которого таково, что вы­ходной ток через него течет меньше, чем половину периода входного сигнала переменного тока - это усилитель, работающий в классе C. В режиме клас­са C усиливается меньше чем половина периода вход­ного сигнала переменного тока (рис. 12.28).

Рис. 12.25

Рис. 12.26

Рис. 12.27

Рис. 12.28

Усилители класса А являются наиболее линей­ными из всех упомянутых. Они создают наимень­шие искажения, но имеют самую низкую выход­ную мощность и наименее эффективны. Они нахо­дят широкое применение в тех случаях, когда тре­буется точное сохранение входного сигнала, как, например, при усилении сигналов звуковой часто­ты в радиоприемниках и телевизорах. Для получе­ния большой выходной мощности обычно исполь­зуют усилители, работающие в режиме класса АВ или класса В.

Усилители классов АВ, В и С создают значитель­ное количество искажений. Это обусловлено тем, что они усиливают только часть входного сигнала. Для усиления полного входного сигнала переменного тока необходимы два транзистора, соединенные в двухтактную схему (рис, 12.29).

Рис. 12.29

Усилители класса В используются в качестве выходных каскадов в стереосистемах и мощных концертных усилителях, а также в промышленности. Усилители класса C используются в качестве усилителей высокой мощности в передатчиках, где усиливается только одна частота, например в радио и телевизионных передатчиках.

Для того чтобы получить большее усиление, тран­зисторные усилители могут быть соединены после­довательно. Однако для того чтобы избежать влия­ния смещения одного усилителя на работу другого, они должны быть соединены определенным обра­зом. При соединении усилителей не должна нару­шаться работа никакой цепи. Возможны следующие методы соединения усилительных каскадов (каскад - часть сложного усилителя, которую можно рас­сматривать как отдельный усилитель): посредством резистивно-емкостной, импедансной, трансформа­торной и непосредственной (гальванической) связи.

Два каскада, соединенные посредством резистив­но-емкостной связи, или RC связи, показаны на (рис. 12.30).

Рис. 12.30

Резистор R₃ является коллекторной нагрузкой первого каскада. Конденсатор С₁ является блокиру­ющим для постоянного тока и конденсатором связи для переменного тока. Резистор R₄ является вход­ной нагрузкой, а также замыкает по постоянному току цепь перехода база-эмиттер второго каскада. Резистивно-емкостная связь используется главным образом в усилителях низкой частоты.

Конденсатор связи C_t должен иметь низкое реак­тивное сопротивление для минимизации ослабления сигнала на низких частотах. Обычно используется емкость в пределах от 10 до 100 микрофарад. Кон­денсатор связи обычно бывает электролитическим.

При уменьшении частоты реактивное сопротив­ление конденсатора связи увеличивается. Низкоча­стотная граница усилителя определяется величиной конденсатора связи. Высокочастотная граница оп­ределяется типом использованного транзистора.

Импедансная связь подобна RC связи, только вме­сто резистора в качестве нагрузки коллектора пер­вого каскада усиления используется катушка ин­дуктивности (рис. 12.31).

Рис. 12.31

Импедансная связь работает совершенно аналогич­но RC связи. Ее преимуществом является то, что ка­тушка индуктивности имеет очень низкое сопротив­ление по постоянному току, а выходной сигнал переменного тока на катушке индуктивности такой же, как и на нагрузочном резисторе. Однако катушка ин­дуктивности потребляет меньшую мощность, чем ре­зистор, что увеличивает общую эффективность цепи.

Недостатком импедансной связи является то, что индуктивное сопротивление увеличивается при уве­личении частоты. Поэтому коэффициент усиления по напряжению изменяется при изменении часто­ты. Этот тип связи идеален для одночастотного уси­ления, т. е. когда должна усиливаться очень узкая полоса частот.

В цепи с трансформаторной связью два усили­тельных каскада связаны между собой через транс­форматор (рис. 12.32).

Рис. 12.32

Трансформатор может эффективно согласовать ис­точник с высоким выходным импедансом с нагруз­кой с низким импедансом. Недостатком этого мето­да является то, что трансформаторы велики и доро­ги. Кроме того, как и усилитель с импедансной связью, усилитель с трансформаторной связью по­лезен только для узкого диапазона частот.

Когда необходимо усилить очень низкие частоты или сигнал постоянного тока, должен использовать­ся усилитель с непосредственной (гальванической) связью. На (рис. 12.33) изображен двухкаскадный усилитель с гальванической

связью.

Рис. 12.33

Входной сигнал усиливается первым каскадом. После этого усиленный сигнал поступает на базу транзистора второго каскада. Общее усиление цепи равно произведению коэффициентов усиления по напряжению двух каскадов. Например, если и пер­вый и второй каскады имеют коэффициент усиле­ния по напряжению равный 10, то общий коэффи­циент усиления цепи равен 100.

Усилители с гальванической связью обеспечива­ют равномерное усиление по току и напряжению в широком диапазоне частот - от нуля герц (посто­янный ток) до многих тысяч герц.