Описание работы усилительного каскада

Усилителем называется устройство, предназначенное для увеличения параметров электрического сигнала (напряжения, тока, мощности). Часто на вход усилителя подается напряжение переменного тока, а на выходе получают усиленную ‘копию’ этого напряжения. Усилители могут работать:

– в линейном режиме (в режиме малого сигнала). К этим усилителям предъявляется требование получения выходного напряжения, усиленного и близкого по форме к входному. Это достигается благодаря пропорциональной передаче усилителем мгновенных значений напряжения;

– в нелинейном режиме, при котором пропорциональность в передаче мгновенных значений входного напряжения отсутствует.

Важным параметром усилителей является коэффициент усиления по напряжению, который определяется отношением амплитуды выходного синусоидального напряжения к амплитуде входного синусоидального напряжения.

Самой распространенной транзисторной усилительной схемой является схема с общим эмиттером, приведенная на рис. 1. На рис. 2 приведена эта схема, начерченная при помощи редактора Capture. Основными элементами схемы (см. рис. 1 и рис. 2) являются источник питания +E_К (V2), транзистор n-p-n типа Q1 и резистор R_К (R3). Эти элементы образуют главную цепь усилительного каскада, в которой за счет протекания управляемого коллекторного тока, создается усиленное переменное напряжение на выходе схемы (т. е. на нагрузочном резисторе R_Н (R5), включаемом параллельно выводам коллектора транзистора и ‘земли’).

Рис. 1. Схема усилтельного каскада с ОЭ и общепринятыми обозначениями резисторов и конденсаторов.

Рис. 2. Схема усилительного каскада с ОЭ, начерченная в Capture.

Рис. 3. Схема для получения выходных зарактеристик транзистора

и построения линии нагрузки.

Остальные элементы схемы на рис. 1 являются вспомогательными. Резисторы R1 и R2 создают напряжение смещения на базе транзистора и тем самым обеспечивают заданный режим работы усилительного каскада по постоянному току. Конденсаторы C_P1(С1) и C_P2(С2) разделяют переменную и постоянную составляющие входного и выходного напряжений, усилительного каскада. Резистор R_Э (R4) является элементом отрицательной обратной связи, предназначенной для стабилизации режима покоя каскада при изменении температуры. Конденсатор C_Э (C3) исключает отрицательную обратную связь по переменной составляющей тока. В целом элементы R_Э, C_Э стабилизируют работу каскада в широком интервале изменения температуры.

Постоянные составляющие тока и напряжения определяют так называемый режим покоя усилительного каскада и характеризуют состояние схемы при отсутствии входного напряжения. Различают режимы А, В, С и D. Параметры режима покоя по входной и выходной цепям определяются положением рабочей точки на входных I_Б = f₁(V_БЭ) и выходных I_К = f₂(V_КЭ) характеристиках транзистора. Здесь: I_К и I_Б – токи коллектора и базы транзистора; V_БЭ, V_КЭ – напряжения база – эмиттер и коллектор – эмиттер. В каскадах предварительного усиления применяется режим А, при котором рабочая точка выбирается на линейном участке входной характеристики I_Б = f₁(V_БЭ). В этом случае транзистор открыт напряжением смещения и по цепи коллектора протекает постоянный ток I_К. При поступлении входного синусоидально изменяющегося во времени напряжения V₁(t) на выходе каскада появляется синусоидально изменяющееся напряжение V₂(t) в противофазе по отношению к входному напряжению. Режим А характерен тем, что форма выходного напряжения V₂(t) повторяет форму входного напряжения и каскад имеет большой коэффициент усиления по напряжению.

В основу ‘классического’ анализа работы усилительного каскада по постоянному току положен графоаналитический метод, при котором используются графические построения и расчетные выражения, получаемые при некоторых ограничениях. приведем основные из них.

На выходных характеристиках транзистора I_К = f₂(V_КЭ) строится линия нагрузки каскада по постоянному току, представляющая собой геометрические места точек, координаты (V_КЭ, I_К) которых соответствуют возможным значениям рабочей точки каскада. Аналитически линия нагрузки описывается на основании второго закона Кирхгофа для ветви E_К-R_К-Q1-R_Э:

E_К= R_КI_К+ V_КЭ + V_Э, (1)

где V_Э = I_ЭR_Э – падение напряжения на резисторе R_Э.

Повышение V_Э увеличивает глубину отрицательной обратной связи по постоянному току в каскаде, что повышает его температурную стабильность. Обычно V_Э выбирают равным (0.1÷0.3)E_К. По исходно заданному сопротивлению R_Н, для увеличения коэффициента усиления по напряжению выбирают R_К=(3÷5)R_Н.

Для упрощения построения линии нагрузки, в выражении (1) полагают I_К ≈ I_Э, затем получают уравнение:

и построение линии проводят по двум точкам уравнения (2):

– точке с координатами I_К= 0, V_КЭ = Е_К, характеризующей режим холостого хода;

– точке с координатами V_КЭ = 0, I_К = E_К/(R_К + R_Э), характеризующей режим короткого замыкания.

После этого на входной характеристике транзистора выбирают нужное значение I_Б. Затем определяют координаты рабочей точки, как точки пересечения выходной характеристики транзистора для выбранного I_Б и линии нагрузки. Обычно в режиме А работы каскада рабочую точку выбирают на середине линии нагрузки.

Выражения для расчета сопротивлений R1 и R2 получают из схемы каскада:

R2 = V_Б / I_Д = (V_Э + V_БЭ) / I_Д, (3)

R1 = (E_К – V_Б) / (I_Д + I_Б), (4)

где I_Д – ток делителя, протекающий через резистор R2.

Для аналогичной схемы усилительного каскада с ОЭ на p-n-p транзисторевышеприведенные выражения и допущения справедливы, если в ней изменить полярность напряжений и направления токов на противоположные.

Основной целью расчета усилительного каскада по переменному току является вычисление коэффициента усиления по напряжению:

K_V = V_m2 / V_m1, (5)

где V_m1 – амплитуда входного синусоидального напряжения;

V_m2 – амплитуда выходного напряжения усилителя.

Основным показателем каскада предварительного усиления является амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), отражающая зависимость абсолютного значения K_V от частоты. На низких частотах разделительные конденсаторы C_P1 и C_P2 увеличивают сопротивление, что уменьшает K_V. На высоких частотах K_V уменьшается из-за паразитных емкостей и собственных ограничений транзистора. Диапазон частот, в котором усилитель работает эффективно, называют шириной полосы пропускания усилителя. Например, усилители звуковых частот имеют частотный диапазон от 16 Гц до 20 КГц.

Задание 1.Создайте проект, в котором рассчитывается режим работы по постоянному току усилительного каскада на n-p-n транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером (см. рис. 1 и рис. 2). По результатам расчета на выходных характеристиках транзистора начертите линию нагрузки по постоянному току и укажите положение на ней рабочей точки каскада. Схема для получения выходных характеристик транзистора и построения линии нагрузки приведена на рис. 3.

Создайте папку с именем Lab_rab3, имеющую путь доступа C:\Ivanov\ Lab_rab3 и запустите редактор Capture. Соблюдая изложенное в п. 2.1 лабораторной работы №1, создайте проект и дайте ему имя Zadanie1.

Учитывая изложенное в п. 2.2 лабораторной работы № 1, начертите схемы, приведенные на рис. 2 и рис. 3.

Редактирование свойств компонентов схемы, приведенной на рис.2, проведите согласно изложенному в лабораторной работе №2.