Основы электронной техники (стр. 26 )

Усилитель с ДС-связью

На рис. 23.3 приведена схема усилителя с ДС-связыо, где С} — входной разделительный конденсатор. Емкость этого конденсатора должна быть сравнительно велика в силу низкого входного сопротивления транзистора в схеме с ОЭ (это сопротивление становится еще меньше за счет шунтиро-вания входа, усилителя резистором R^}. Конденсатор С-^ связывает выход усилителя с нагрузкой или следующим каскадом, его емкость сравнима с емкостью конденсатора Ci. Типичные значения емкостей разделитель-ьшх конденсаторов следующие:

10-50 мкФ. 0.01-0,1 мкФ.

для звуковых частот:

для радиочастот:

Рис. 23.3. Усилитель с RC-связью с развязывающим конденсатором С3 в цепи эмиттера.

Рис. 23.4. Инвертирование (измене­ние на 180°) фазы сигнала в усили­теле с ОЭ.

Развязывающий конденсатор

Отрицательная обратная связь через резистор R4 в усилителе на рис. 23.3, с одной стороны, обеспечивает необходимую стабильность усилителя по постоянному току, а с другой стороны, снижает его коэффициент усиле­ния до очень малой величины (2-3). Снижение коэффициента усиления связано с действием отрицательной обратной связи по переменному току, обусловленной падением напряжения сигнала на резисторе R4. Для устранения этой отрицательной обратной связи по переменному току и одновременного сохранения стабильности по постоянному току применя­ется эмиттерный развязывающий конденсатор С3.

Типичные значения емкости эмиттерного развязывающего конденса­тора того же порядка, что и для разделительного конденсатора.

Усиление

Схема, приведенная на рис. 23.3, является законченной схемой однокас­кадного усилителя с ОЭ. При подаче сигнала (например, синусоидальной формы) на вход усилителя этот сигнал передается через конденсатор С1 на базу транзистора. В начале положительного полупериода входного сигнала потенциал базы возрастает относительно потенциала эмиттера, напряжение VBE увеличивается, ток эмиттера Ie, а с ним и ток коллек­тора Ic, возрастают, в результате уменьшается напряжение на коллекторе Vc. Это означает, что положительному полу периоду входного сигнала со­ответствует отрицательный полупериод выходного сигнала. С другой сто­роны, отрицательному полупериоду входного сигнала соответствует поло­жительный полупериод изменения коллекторного напряжения. Таким образом, сигналы на входе и выходе усилителя противофазны, как по­казано на рис. 23.4. Усиление сигнала происходит в силу того, что очень малый размах напряжения VBE приводит к большому размаху тока транзистора, который, проходя через резистор R3, вызывает большой размах коллекторного напряжения.

Линия нагрузки

Выходные характеристики транзистора дают общее представление о рабо­те транзистора. Для того чтобы получить представление о работе транзи­стора в конкретной схеме, нужно начертить линию нагрузки. На рис. 23.5 изображены семейство выходных характеристик транзистора, работаю­щего в схеме усилителя на рис. 23.3, и линия нагрузки XY.

Прежде чем проводить линию нагрузки, нужно сначала зафиксиро­вать две точки, попадающие на эту линию. Лучше всего использовать точку Х на оси х, где ток Ic = 0, и точку Y на оси у, где Vc = 0. Через эти две точки проводится прямая линия — линия нагрузки. Предполагается, что Vc = VCE.

Точка X. В этой точке ток транзистора Ic = 0. Транзистор находится в состоянии отсечки. Следовательно, напряжение на коллекторе Vc = VCC.

Точка Y. Здесь коллекторное напряжение Vc = 0. Подставляя Vc = 0 в уравнение VCC = Vc + VR3, получаем VCC = VR3. Но VR3 = Ic R3, поэтому VCC = Ic R3. Следовательно,

Ic = VCC / R3.

Рис. 23.5. Линия нагрузки.

Для величин, указанных на рис. 23.3, положение точек Х и Y будет определяться следующими параметрами:

Точка Х Ic = 0, Vc = VCC = 10 В.

Точка Y Vc = 0, Ic = VCC/ R3 = 10/3,3 = 3 мА.

Таким образом, XY — это линия нагрузки для нагрузочного резистора сопротивлением R3 = 3,3 кОм.

При использовании нагрузочного резистора меньшего номинала (2,2 кОм) получаем линию нагрузки ХYa. Положение точки Х не изменяется по сравнению с предыдущим случаем, поскольку напряжение VСС остается тем же самым — 10 В. Для точки Yb получаем Ic = VCC / R3 = 10 В/2,2кОм = 4,55мА.

Нагрузочному резистору более высокого номинала, например 4,9 кОм, соответствует линия нагрузки ХYb с точкой Yb при Ic = 10 В/4, 9 кОм ≈ 2 мА.

Графический анализ

Процесс усиления сигнала осуществляется вдоль линии нагрузки и может быть представлен графически, как показано на рис. 23.6. Точка Q есть статическая рабочая точка, представляющая режим работы усилителя по постоянному току, т. е. в отсутствие сигнала. Рабочая точка задает смещение транзистора в статическом режиме. В рассматриваемом случае смещение определяется следующими величинами:

Ib = 20 мкА, Ic = 1,5 мА, Vc = 5 В.

Рис. 23.6. Графическое представление работы усилителя.

Рис. 23.7. Перегрузка усилителя, приводящая к ограничению выходного сиг­нала.

При подаче сигнала базовый ток изменяется по синусоиде с амплитудой 20 мкА (от 0 до 40 мкА). Это приводит к изменению коллекторного тока Ic с размахом 2,8 мА и изменению коллекторного напряжения с размахом около 9 В.

С одной стороны размах входного сигнала ограничен линией Ib = 0, соответствующей отсечке транзистора (точка М на линии нагрузки), а с другой стороны – линией Ib = 40 мкА, соответствующей насыщению транзистора (точка N на линии нагрузки). Для рассматриваемого уси­лителя рабочая точка Q выбирается в середине линии нагрузки. В этом случае при подаче сигнала с амплитудой 20 мкА на базу транзистора базовый ток изменяется в пределах от 0 до 40 мкА, обеспечивая максимальную величину неискаженного выходного сигнала.

Рис. 23.8. Графическое представление работы усилителя с использованием пе­редаточной характеристики.

Любая попыт­ка превышения этой величины входного сигнала приводит к искажению формы выходного сигнала. Это хорошо видно на рис. 23.7, где иллюстри­руется случай перегрузки усилителя с результирующим ограничением синусоидального сигнала. Входной и выходной сигналы могут быть так­же представлены графически с помощью передаточной характеристики транзистора (рис. 23.8). Рабочий диапазон усилителя ограничен линей­ным участком характеристики передачи, выход за границы этого участка приводит к искажениям.

Усилитель с трансформаторной связью

Межкаскадная связь в усилителе может осуществляться с помощью трансформатора, как показано на рис. 23.9. Резисторы R1 и R2 образуют цепь смещения транзистора T1 (цепь смещения транзистора T2 не пока­зана). Конденсатор C1 выполняет функцию развязывающего конденсато­ра в цепи смещения, предотвращая возникновение падения напряжения любого переменного сигнала на резисторе смещения R2. R3 – эмиттерный резистор и C2 – эмиттерный развязывающий конденсатор. Первич­ные обмотки L1 и L3 двух трансформаторов являются коллекторными нагрузками для транзисторов T1 и T2 соответственно. Так как обмот­ки трансформатора имеют очень малое сопротивление для постоянного тока, то постоянное напряжение на коллекторе практически равно напряжению питания VCC.

Рис. 23.9. Усилитель с трансформаторной связью.

Рис. 23.10. Линии нагрузки по постоянному и переменному току для усилителя

с трансформаторной связью.

Переменный сигнал создает на обмотке падение напряжения, обусловленное ее сопротивлением по переменному току, т. е. ее реактивным сопротивлением. Таким образом, в данном случае можно провести две линии нагрузки одну по постоянному току и другую по переменному, как показано на рис. 23.10. Если напряжение питания равно 6 В, то линия нагрузки по постоянному току является вертикальной ли­нией, представляющей постоянное напряжение на коллекторе величиной 6 В. Линия нагрузки по переменному току представляет работу усилите­ля при подаче сигнала. Эти линии пересекаются в статической рабочей точке Q.

Сравнение усилителей с RC-связью и с трансформаторной связью

RC-связь широко используется в электронике, поскольку она обеспечи­вает высокое усиление, лучшие частотные характеристики, дешевизну и компактность используемых компонентов. Трансформаторы, напротив, имеют большие габариты и дороги. Однако трансформаторная связь име­ет два главных преимущества:

1.  При использовании трансформаторной связи не нужен коллекторный резистор. Поэтому рассеяние мощности, т. е., потери энергии в фор­ме тепла, мало по сравнению с усилителями с RC-связью. Другими словами, усилители с трансформаторной связью – более экономичны.

2.  Трансформаторная связь упрощает согласование между каскадами (см. гл. 8). Если r1 – выходное сопротивление транзистора T1 и r2 – входное сопротивление транзистора T2 (рис. 23.11), то, как объ­яснялось в гл. 8,