Начертите схему усилителя постоянного тока на транзисторах, объясните назначение каждого элемента схемы, принцип работы, достоинства и недостатки.

Усилители постоянного тока (УПТ). Эти усилители применяют в тех случаях, когда сигнал ошибки формируется в виде медленно изменяющегося напряжения. При разработке УПТ возникают три основные проблемы: ликвидация дрейфа нуля, уменьшение уровня шумов и обеспечение необходимой мощности на выходе для питания мощной нагрузки.

Дрейфом называется явление самопроизвольного изменения выходного напряжения усилителя с течением времени. К основным причинам дрейфа можно отнести изменение напряжения источников питания УПТ, изменение температуры как окружающей среды, так и температуры самих электронных элементов.

Усилители переменного тока на транзисторах. В зависимости от того, какой электрод транзистора является общим для входной и выходной цепи, различают: схему включения с общей базой, схему включения с общим эмиттером, схему включения с общим коллектором.

Принципиальная электрическая схема усилителя переменного тока на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером (ОЭ) приведена на рис. Расчет параметров каскада в режиме покоя по постоянному току проводят графоаналитическим методом с использованием статических входных и выходных вольтамперных характеристик (ВАХ).

1. 2. 3.

Усилитель переменного тока
на биполярном транзисторе по схеме с ОЭ:
1 - принципиальная электрическая схема;
2 – статические входные ВАХ;

3 – выходные ВАХ

Резисторы R₁ и R₂ задают режим покоя каскада, при котором в транзисторе протекают только постоянные токи покоя базы I_Бп, коллектора I_Кп и эмиттера I_Эп.

На базе, коллекторе и эмиттере действуют постоянные напряжения покоя U_Бп, U_Кп, U_Эп.

Конденсаторы С₁ и С₂ – разделительные. Конденсатор С₁ служит для препятствия протекания постоянного тока на источник сигнала. Конденсатор С₂ препятствует прохождению постоянного напряжения на резистор R_H. На этом резисторе действует переменная составляющая коллекторного напряжения. Резис-тор R_Э определяет ток покоя через транзистор при заданном напряжении U_Бп. Этот резистор для переменного сигнала является отрицательной обратной связью, предназначенной для стабилизации режима покоя транзистора при изменении его температуры. При увеличении (например, из-за роста температуры) тока коллектора покоя I_Кп возрастают ток эмиттера покоя I_Эп и падение напряжения на резисторе R_Э, поскольку U_Эп = I_Эп R_Э.

Так как напряжение U_Бп фиксировано делителем R₁, R₂, то с увеличением U_Эп происходит подзакрывание транзистора. Таким образом, происходит частичная балансировка режима работы транзистора в режиме покоя.

Введение резистора R_Э изменяет работу каскада и при усилении переменного входного сигнала. Переменный ток эмиттера создает на резисторе падение напряжения U_Э = I_ЭR_Э, которое уменьшает усиливаемое напряжение. Коэффициент усиления каскада по напряжению определяется как:

.

Для исключения влияния резистора R_Э при протекании переменного тока он шунтирован конденсатором С_Э достаточно большой емкости. При наличии конденсатора общее сопротивление в цепи эмиттера

,

где

Для определения параметров выходного сигнала в динамическом режиме усиления сопротивление нагрузки R_н подключается параллельно сопротивлению R_K.

Общее сопротивление в цепи коллектора

R_KО = R_KR_н/(R_K + R_н).

При этом следует учитывать, что Х_С2 = 0. Поскольку
R_K > R_KO, то нагрузочная прямая проходит по линии СД.

Рассмотренный каскад дает ограниченное усиление из-за того, что сопротивление R_K определяет рабочую точку на выходных характеристиках по постоянному току с учетом допустимых нелинейных искажений. С увеличением R_K нелинейные искажения увеличиваются. Чтобы исключить эту зависимость, применяют динамическую коллекторную нагрузку.

Принципиальная электрическая схема усилителя переменного тока на полевом транзисторе приведена на рис. 3.3, а. Эквивалентная электрическая схема показана на рис. 3.3, б. Емкость С_о является здесь входной емкостью второго каскада.

1. 2. 3.

Усилитель напряжения на полевом транзисторе:
1 – принципиальная электрическая схема;
2 – эквивалентная схема;

3 – частотная характеристика

По эквивалентной схеме можно рассматривать работу усилителя на различных частотах. В средней части частотного диапазона (от 200 до 3000 Гц) общее сопротивление емкости С₀достаточно большое и она не шунтирует сопротивления R_с и R_з, поэтому общее сопротивление в стоке транзистора

Коэффициент усиления каскада

где I_с – ток в стоке транзистора; m – статический коэффициент усиления полевого транзистора, ; a = R_i/R₁ – коэффициент нагрузки.

Поскольку можно считать R₁/R_с >> (1 + R_i/R_з), тогда коэффициент усиления в средней части частотного диапазона

,

где S – крутизна характеристики полевого транзистора.

Необходимость в разработке многокаскадных усилителей связана с тем, что получить большой (более 100) коэффициент усиления на одном активном элементе практически нельзя. Многокаскадные усилители должны строиться с таким расчетом, чтобы при большом коэффициенте усиления в устройстве не возникали паразитные колебания. Для исключения паразитных возбуждений приходится применять специальные меры. К ним относятся:

разделение общего коэффициента усиления на нечетное число каскадов;

питание каждого каскада от своего источника (или имеется индивидуальная конденсаторная развязка);

максимальное удаление выхода последнего каскада от входа первого каскада.

Мощные усилители низкой частоты являются необходимым элементом большинства автоматических систем. Одним из основных параметров этих усилителей является коэффициент усиления по мощности, который зависит от сопротивления нагрузки и входного сопротивления, а также от изменения питающего напряжения.

Вопрос № 59.