Резистивно-емкостные усилители. Погрешности резистивно-емкостного усилителя. Разновидности резистивно-емкостных усилителей. Усилители мощности.

Схема простейшего усилительного каскада показана на рисунке 8.8.

На этой схеме транзистор с общим эмиттером – усилительный элемент; – нагрузка усилителя; и – источники питания коллекторной и базовой цепей; е_вх – источник ЭДС переменного усиливаемого сигнала; – суммарное внутреннее сопротивление источников е_вх и .

Рисунок 8.8 – Схема простейшего усилительного каскада

Для анализа работы каскада используют графоаналитический метод, сочетающий анализ работы усилителя по характеристикам транзистора с расчетными соотношениями, связывающими величины токов и напряжений с параметрами элементов усилителя (рисунок 8.9).

а б

Рисунок 8.9 – Характеристики транзистора: а – входные; б – выходные

В состоянии покоя входного сигнала нет (е_вх = 0), в усилителе установлены токи и напряжения покоя, соответственно: , , , , .Они определяют положение рабочей точки А. Напряжения на коллекторе и базе измеряются относительно эмиттера. Когда подается входной сигнал, на входе усилителя кроме создается управляющее переменное напряжение и управляющий входной ток , а в коллекторной цепи создаются переменные напряжение и ток . В состоянии покоя

,

в общем случае

или .

Это уравнение нагрузочной прямой, которую строят на выходных характеристиках по двум точкам: при полной отсечке коллекторного тока и , при полном насыщении транзистора и . Нагрузочная прямая связывает между собой токи и напряжения в транзисторе и их изменения. Отрицательное напряжение создает ток , который вызывает ток и напряжение на коллекторе , рабочая точка из А перемещается по нагрузочной прямой в А2. Следовательно, отрицательное напряжение на базе приводит к положительному напряжению на коллекторе. Усилительный каскад инвертирует входной сигнал. При напряжении ток увеличивается, а рабочая точка смещается в А1, что приводит к уменьшению напряжения на коллекторе ( ).

Параметры каскада:

– входное сопротивление транзистора ;

– коэффициент усиления по току ;

– коэффициент усиления по напряжению ;

– коэффициент усиления по мощности

– коэффициент передачи входной цепи .

Здесь – параметр схемы замещения транзистора четырехполюсником; – коэффициент передачи базового тока в коллектор . Все параметры каскада определяются только элементами самого каскада. Влияние внешнего источника сигнала учитывают коэффициентом передачи входной цепи. Приведенные соотношения показывают, что в общем случае для получения больших коэффициентов усиления необходимо применять транзисторы с большим и малым , а также выполнять условие .

В практических усилительных каскадах используется установка начальных токов и напряжений от одного источника коллекторного питания. Кроме того, для термостабилизации рабочей точки обычно применяют ООС, чаще всего последовательную ООС по эмиттерному току. Пример резистивно-емкостного каскада приведен на рисунке 8.10.

Погрешности резистивно-емкостного усилителя.

Для усилителей этого типа характерна мультипликативная погрешность, связанная с нестабильностью коэффициента передачи, вызванной технологическими причинами или влиянием внешней среды. Мультипликативная погрешность прямо пропорциональна величине входного напряжения, ее источники и величина могут быть найдены из аналитического выражения для коэффициента передачи.

Рисунок 8.10 – Практическая схема усиления на транзисторе с общим эмиттером

Коэффициент передачи базового тока в коллектор имеет большой технологический разброс, его величина зависит также от температуры, частоты, величины коллекторного тока и, следовательно, является основным источником погрешности. Коэффициент усиления по напряжению для собственно транзистора (без ОС) усилителя очевидно будет и его относительная погрешность: . Коэффициент обратной связи по переменной составляющей эмиттерного тока в соответствии с определением , поскольку коэффициент передачи эмиттерного тока в коллектор α близок к единице. Как следует из теории обратной связи, для рассматриваемой схемы усилителя получим

.

Таким образом, из приведенной формулы видно, что наиболее эффективным способом уменьшения дополнительной относительной погрешности коэффициента усиления усилителя является увеличение глубины обратной связи, т.е. величины сопротивления резистора . Основная относительная погрешность устраняется при регулировке схемы усилителя подстройкой коэффициента усиления усилителя, например, установкой подстроечного резистора последовательно с резистором .

Следует отметить, что аддитивная погрешность (дрейф выходного напряжения) в усилителях переменного сигнала отсутствует, поскольку между выходом усилителя и нагрузкой находится разделительный конденсатор .

Разновидности резистивно-емкостных усилителей.

Отличительным свойством других типов резистивно-емкостных усилителей по сравнению с рассмотренным ранее является схема включения ее активного элемента – транзистора. Широко используется усилитель с транзистором, включенным по схеме с общим коллектором, более известный под названием «эмиттерный повторитель» (ЭП). ЭП повторяет напряжение входного сигнала на выходе, однако усиливает его по току и мощности.

Усилители мощности.

Для мощных выходных каскадов усилителей наиболее часто используются двухтактные схемы, в которых транзисторы работают с отсечкой коллекторного тока (положение рабочей точки на выходных характеристиках транзистора соответствует классу В или АВ). Положительная полуволна входного сигнала усиливается одной половиной схемы (1-й такт), отрицательная полуволна – другой (2-й такт). Благодаря этому достигается высокий КПД усилителя. Для связи с нагрузкой и источником входного сигнала применяются трансформаторные и бестрансформаторные схемы.

Трансформаторными называют усилители, в которых соединение усилителя и нагрузки, усилителя и источника входного сигнала производится при помощи трансформатора. Достоинства трансформаторных усилителей: удобство и простота согласования выходного сопротивления усилителя и сопротивления нагрузки для передачи в нагрузку заданной мощности. Недостатки: сравнительно большие габаритные размеры и масса, меньшая надежность, сравнительно узкая полоса пропускания, большая стоимость.

Бестрансформаторные усилители мощности имеют ряд преимуществ: отсутствие габаритных трансформаторов, гораздо меньшие частотные и нелинейные искажения, возможность интегрального исполнения. Недостатки: необходимость двух источников питания. В большинстве случаев бестрансформаторные усилители реализуются на симметричных транзисторах разного типа проводимости, по схемам с общим эмиттером или общим коллектором.

Контрольные вопросы

1 Перечислите основные параметры и характеристики усилителей.

2 Как влияет отрицательная обратная связь на параметры усилителей?

3 Почему один из типов усилителей называется резистивно-емкостным?

4 Для чего необходим начальный режим в транзисторных усилителях?

5 На чем основан графоаналитический метод расчета транзисторных Усилителей?

6 Какими параметрами характеризуется рабочий режим транзисторного усилителя?

7 Как влияют разделительные конденсаторы на частотную характеристику усилителя?

8 Какие погрешности характерны для усилителей переменного тока?

9 В чем особенности эмиттерного повторителя?

10 В каком классе работают транзисторы в двухтактном усилителе мощности?

Лекция 9