Основи електроніки (стр. 12 )

ЛЕКЦІЯ 4

ПІДСИЛЮВАЧІ ЕЛЕКТРИЧНИХ СИГНАЛІВ

4.1 Класифікація і основні характеристики підсилювача.

Загальні поняття та визначення

1

Електронним підсилювачем називається пристрій, за допомогою якого збільшується потужність електричних сигналів без зміни їх частоти і форми. При цьому процес посилення сигналів здійснюється за допомогою підсилювальних елементів - транзисторів, які мають керуючі властивості.

Загальна схема підсилювального каскаду на транзисторі наведена на рис.1. До входу підсилювача (клеми 1-2) підключається керуюче джерело енергії (джерело вхідного сигналу) з миттєвими значеннями е. р. с. еи і внутрішнім опором Rн. Для спрощення аналізу підсилювачів зазвичай вважають, що вхідний сигнал представляє собою найпростіше гармонійне коливання синусоїдальної форми. Споживана підсилювачем від джерела вхідного сигналу потужність виділяється на його вхідному опорі Rвх.

Вхідний малопотужний сигнал управляє енергією джерела живлення значно більшого рівня потужності. Таким чином, за рахунок використання керуючого елемента - транзистора і більш потужного джерела живлення є можливим здійснювати посилення потужності вхідного сигналу. Будь який підсилювач є підсилювачем потужності. Джерело керованої енергії часто називають основним джерелом живлення, так як, окрім нього, нерідко застосовуються допоміжні джерела живлення (наприклад, для подачі зсуву і т. д)

Напруга, струм і потужність є взаємопов'язаними електричними величинами. Проте часто виникає необхідність підкреслити значущість однієї з них. Тому в реальних підсилювальних пристроях розрізняють посилення по напрузі, струму або потужності.

У вихідному ланцюзі підсилювача створюється посилений сигнал, що відображено на схемі наявністю генератора е. р. с. з миттєвими значеннями евих і внутрішнім (вихідним) опором Rвих. Зовнішнє навантаження яке використовує енергію посиленого сигналу, підключається до виходу підсилювача (клеми 3-4).

Слід відзначити деяку умовність наведеної загальної схеми підсилювача. Так, вхідний Rвх і вихідний Rвих опори підсилювача в загальному випадку є комплексними величинами і повинні бути позначені Zвх і Zвих. Оскільки для більшості транзисторних підсилювачів реактивна складова вхідного опору в робочому діапазоні частот більша активного опору, то зазвичай приймають Zвх =Rвх. Значно менше наближення має рівність Zвих = Rвих. Вважають також активними опори навантаження і джерела вхідного сигналу, тобто Zи =Rи Zн = Rн.

Такі припущення, в подальшому, істотно спрощують аналіз схем підсилювачів на транзисторах, не позначаючись на сутності пояснення фізичних процесів, що відбуваються в схемах.

4.2 Класифікація транзисторних підсилювачів

Призначення підсилювача, діапазон частот підсилюючого сигналу, його форма та характер зміни в часі накладають специфічні вимоги до побудови конкретної схеми транзисторного підсилювача.

За призначенням розрізняють підсилювачі напруги, струму та потужності.

Підсилювач напруги забезпечує на навантажувальному опорі задану величину вихідної напруги. В такому режимі підсилювач працює, коли його вхідний опір набагато більший опору джерела сигналу Rвх >> Rи а опір навантаження набагато більший вихідного опору підсилювача Rн >> Rвих Це забезпечує відносно великі зміни напруги на навантаженні при невеликих змінах струмів у вхідних і вихідних ланцюгах.

Підсилювач працює в режимі посилення струму, коли його вхідний опір значно менший опору джерела сигналу Rвх < Rи а опір навантаження значно менший вихідного опору підсилювача Rн << Rвих. При цих умовах забезпечується протікання струму заданої величини у вихідному ланцюзі при малих значеннях напруги і потужності у вхідному і вихідному ланцюзі.

Від підсилювача потужності вимагається забезпечення в навантаженні заданої потужності. В режимі посилення потужності вхідний і вихідний опори підсилювача повинні мати величину такого ж порядку, як зовнішні опори, Rвх=Rи; Rвих = Rн. В цьому випадку забезпечується максимальна передача потужності як у вхідному, так і вихідному ланцюзі.

Крім перерахованих підсилювачів в пристроях промислової електроніки часто застосовуються підсилювачі напруги з струмовим входом. Для транзисторних підсилювачів, що мають у більшості випадків низький вхідний опір, ця особливість вельми характерна. Використовуються також підсилювачі струму та потужності з потенціальним входом.

По виду підсилюючих сигналів розрізняють підсилювачі гармонічних сигналів та підсилювачі імпульсних сигналів.

Процес посилення гармонійних або квазігармонічних сигналів характеризується незмінністю їх частотного спектра, а також амплітудних співвідношень всіх гармонійних складових. До підсилювачів гармонійних сигналів відносяться підсилювачі пристроїв запису і відтворення сигналів, мікрофонні, мовні та ін.

Призначення імпульсних підсилювачів - посилення імпульсів різної форми і величини з допустимими спотвореннями їх форми. Час протікання нестаціонарних процесів в таких підсилювачах повинен бути набагато менший часових параметрів імпульсів.

За характером зміни в часі підсилюючого сигналу підсилювачі поділяються на підсилювачі постійного струму та підсилювачі змінного струму.

Підсилювачі постійного струму призначені для посилення електричних сигналів в межах від нижчої частоти fн = 0 до верхньої частоти fв.

В залежності від граничних частот робочого діапазону підсилювачі змінного струму можуть бути низької і високої частоти.

По ширині смуги підсилюючих частот розрізняють:
- виборчі підсилювачі, що підсилюють електричні сигнали фіксованої частоти або у вузькому діапазоні частот;
- широкосмугові підсилювачі, характеризуються досить широким діапазоном частот підсилюючого сигналу. Імпульсні підсилювачі та підсилювачі постійного струму - широкосмугові.

По виду зв'язку між каскадами розрізняють підсилювачі з RС-зв'язком, трансформаторним, резонансно-трансформаторним і безпосереднім зв'язком.

Якщо навантаження транзистора каскаду посилення має аперіодний (неколивальний) характер, то такий підсилювач називають аперіодичним. До них відносяться підсилювачі с. RС-зв'язком, трансформаторним і з безпосереднім зв'язком.

4.3 Підсилення з допомогою транзистора

Рис. 2

На рис. 2 зображена схема підсилювального каскаду з транзистором типу п-р - п. Прийнято дану схему називати схемою з загальним емітером, так як емітер є спільною точкою для входу і виходу схеми. Вхідна напруга, яку необхідно підсилити, подається від джерела коливань ИК на ділянку база - емітер. На базу подано також позитивний зсув від джерела Е1 який є прямою напругою для емітерного переходу. При цьому в ланцюзі бази протікає деякий струм, а отже, вхідний опір транзистора виходить порівняно невеликим. Щоб не відбувалася втрата частини вхідної змінної напруги на внутрішньому опорі джерела Е1, він зашунтований конденсатором досить великої ємності С1. Цей конденсатор на найнижчій робочій частоті повинен мати опір у багато разів менший вхідного опору транзистора.

Ланцюг колектора (вихідний ланцюг) живиться від джерела Е2. Для отримання посиленої вихідної напруги в цей ланцюг включене навантаження Rн. Джерело Е2 зашунтоване конденсатором С2 для того, щоб не було втрати частини вихідної посиленої напруги на внутрішньому опорі джерела Е2. На самій низькій частоті опір цього конденсатора повинен бути в багато разів менший Rн. Надалі для спрощення схем конденсатори С1 і С2 часто не будуть показані. Можна вважати, що вони є всередині самих джерел Е1 і Е2. Якщо ці джерела є випрямлячами, то в них завжди є конденсатори великої ємності для згладжування пульсацій.

Рис. 3

Робота підсилювального каскаду з транзистором відбувається таким чином. Зобразимо колекторний ланцюг у вигляді еквівалентної схеми (рис. 3). Напруга джерела Е2 ділиться між опором навантаження Rн і внутрішнім опором транзистора r0, який він надає постійному струму колектора. Цей опір наближено дорівнює опору колекторного переходу rko для постійного струму. Насправді до опору rko ще добавляються невеликі опори емітерного переходу і п і р- областей, але ці опори можна не брати до уваги.

Якщо у вхідний ланцюг включається джерело коливань, то при зміні його напруги змінюється струм емітера. Це викликає зміну опору колекторного переходу rko постійному струму. Тоді напруга джерела Е2 буде перерозподілятися між Rн і rko. При цьому змінна напруга на резисторі навантаження може бути отримана в десятки разів більшою, ніж вхідна змінна напруга. Зміни струму колектора майже рівні змінам струму емітера і у багато разів більші ніж зміни струму бази. Тому в схемі, що розглядається виходить значне підсилення струму і дуже велике підсилення потужності. Підсилена потужність є частиною потужності, що витрачається джерелом Е2.

Для більшої наочності розглянемо роботу підсилювального каскаду з транзистором на числовому прикладі. Нехай напруги, що живлять коло дорівнюють Е1= 0,2 В і Е2 = 12 В, опір резистора навантаження RH == 4 кОм і опір транзистора ro при відсутності коливань на вході також дорівнює 4 кОм, тобто повний опір колекторного ланцюга дорівнює 8 кОм. Тоді струм колектора, який можна наближено вважати рівним струму емітера, становить . Напруга Е2 розділиться навпіл, і напруги на RH і на ro будуть по 6 В.

Рис.4

Якщо від джерела коливань на вхід надходить змінна напруга з амплітудою 0,1 В, то максимальна напруга на ділянці база - емітер при позитивній напівхвилі стає рівною 0,3 В. Припустимо, що під впливом цієї напруги струм емітера зростає до 2,5 мА. Таким же практично стане і струм колектора. Він створить на резисторі навантаження падіння напруги