Усилитель на биполярном транзисторе с общим эмиттером

Рассматриваемый усилитель (рис. 87) предназначен для усиления гармонических сигналов (сигналов синусоидальной формы) в диапазоне низких частот. Название такой схемы объясняется тем, что эмиттер здесь является общим для входной и выходной цепей. Схема имеет наибольшее распространение, так как она обеспечивает наибольшее усиление мощности сигнала.

Приведенные на рис. 87 элементы имеют следующее назначение: транзистор p-n-p - усилительный элемент; +Е_к и -Е_к – зажимы источника питания схемы; R1, R2 – резисторы делителя напряжения, обеспечивающего подачу напряжения питания базы для установки нужного режима работы усилительного элемента (транзистора); R_к – резистор коллекторной нагрузки; R_э, С_э – элементы схемы температурной стабилизации режима работы транзистора; С1 и С2 – конденсаторы, служащие для разделения постоянных и переменных токов в схеме.

Для анализа работы усилителя используют входную характеристику транзистора I_б = f(U_бэ), рис. 88, а и семейство выходных характеристик I_к = f(U_кэ), рис. 88, б. На рисунке U_бэ0 - напряжение смещения базы, т.е. напряжение питания базы (при отсутствии сигнала); U_бm = U_вх.m – амплитуда синусоидального напряжения сигнала, подаваемого на базу; I_б0– ток базы при отсутствии сигнала (ток покоя); I_бm– амплитуда переменной составляющей тока базы; U_кэ0– напряжение питания коллектора (напряжение на коллекторе при отсутствии сигнала); U_кm – амплитуда переменной составляющей напряжения на коллекторе; I_к0 – ток коллектора при отсутствии сигнала (ток покоя коллектора).

При выборе точки покоя на прямолинейном участке проходной характеристики, рис. 88, в и при условии, что напряжения и токи не выходят за пределы линейного участка, можно получить переменную составляющую коллекторного тока такой же формы, как напряжение сигнала, подаваемого на базу, т.е. получить неискаженное усиление сигнала. Усиление здесь достигается за счет того, что ток коллектора, образуемый от энергии источника питания, во много раз больше, чем ток базы, а напряжение сигнала на коллекторной нагрузке, определяемое произведением тока на сопротивление нагрузки, также во много раз больше напряжения сигнала, подаваемого на базу.

Основные характеристики усилителя:

Амплитудно-частотная характеристика (рис. 89, а) представляет собой зависимость коэффициента усиления К_U от частоты сигнала f

K_U = j(f).

		Рис. 89. Амплитудно-частотная (а) и амплитудная (б) характеристики усилителя

Коэффициент усиления уменьшается на нижних частотах вследствие увеличения реактивного сопротивления разделительных конденсаторов Х_с = 1 / wС, включенных последовательно в цепях прохождения сигналов. В результате бóльшая часть напряжения падает на этих конденсаторах и выходное напряжение уменьшается.

Уменьшение коэффициента усиления на верхних частотах объясняется уменьшением реактивного сопротивления паразитной емкости, шунтирующей (включенной параллельно) нагрузочное сопротивление на выходе усилителя. Эта паразитная емкость обусловлена емкостью монтажных проводов, измерительных приборов или усилительных элементов последующих каскадов усилителя.

Уменьшение коэффициента усиления на нижних К_н и верхних К_в частотах по сравнению с коэффициентом усиления на средних частотах К₀ оценивают коэффициентами частотных искажений

M_н = К₀ / К_н и M_в = К₀ / К_в.

По частотной характеристике можно определить ширину полосы частот пропускания усилителя, т.е. полосу частот, в пределах которой коэффициент усиления уменьшается не более чем в раз.

Полоса частот пропускания усилителя определяет качество его работы, так как для неискаженного усиления сигналов усилитель должен обеспечивать равномерное усиление всех частотных составляющих сигнала. Так, например, звуковая аппаратура высокого класса имеет полосу пропускания до 20 кГц, а аппаратура радиосвязи горноспасателей ограничивается полосой пропускания 300-3000 Гц.

Амплитудная (динамическая) характеристика (рис. 89, б)усилителя представляет собой зависимости выходного напряжения от входного

U_вых = f(U_вх).

С ростом входного напряжения U_вх выходное напряжение U_вых сначала увеличивается пропорционально, а с некоторого значения U_вх рост U_вых замедляется и прекращается. Это объясняется тем, что усиливаемый сигнал начинает выходить за пределы линейного участка проходной характеристики транзистора, рис. 88, в. Действительно, каждый транзистор обладает своим предельно максимальным током коллектора, который не возрастает при увеличении напряжения на базе.

логические элементы

Логические элементы - это электронные приборы, выполняющие простейшие логические операции. В настоящее время промышленность выпускает такие элементы в основном в интегральном исполнении. Логические элементы используются в большинстве цифровых интегральных микросхем, являясь их основными элементарными кирпичиками, которые во многом определяют их параметры.

Анализ работы логических интегральных микросхем базируется на использовании аппарата математической логики. Все переменные в алгебре логики принимают только два значения “единица” или “ноль” и любые математические действия над этими переменными обеспечивают результат также либо в виде “1”, либо “0”. Логические элементы дают возможность изображать логические переменные с помощью электрических сигналов (напряжения или тока). Используются два возможных способа представления логической переменной: потенциальный и импульсный. При потенциальном способе “1” и “0” соответствуют два различных уровня напряжения; при импульсном - значениям “1” и “0” соответствует появление и непоявление импульса в определенные промежутки времени. Наибольшее распространение получил потенциальный способ. При потенциальном способе задания различают положительную и отрицательную логику. При положительной логике высокий уровень напряжения соответствует “1”, низкий - “0”; при отрицательной логике - наоборот.

Логические интегральные микросхемы отличаются большим разнообразием, поэтому широко используются их классификации:

по выполняемым логическим функциям (операциям);

по типу транзисторов, на основе которых они построены.

Решение любой логической задачи может быть выполнено с помощью трех основных логических операций: отрицания (“НЕ”), сложения (“ИЛИ”) и умножения (“И”).

Операция “НЕ” или логическая операция отрицания означает, что при этой операции логическая функция Y противоположна аргументу X.

Аналитически это может быть записано как (читается “не X”). Таблица истинности (таблица состояния входных и выходных переменных) имеет вид:

X	Y

Логический элемент, выполняющий операцию отрицания, называется элементом “НЕ” (инвертором), условное обозначение приведено на рис. 97, а.

Операция “ИЛИ” (логическое сложение или дизъюнкция) обозначается символами “+” или Ú, аналитически записывается как

или

Таблица истинности при двух аргументах имеет вид:

X1	X2	Y

Логический элемент, осуществляющий операцию дизъюнкции, называется элементом “ИЛИ”, реализуется логической интегральной микросхемой, имеющей два и более входов и один выход, который принимает значение “1” всякий раз, когда хотя бы один из его входов равен “1”. Условное обозначение элемента приведено на рис. 97, б.

Операция “И” (логическое умножение или конъюнкция) обозначается символами “ ” или , аналитически записывается как

или

Таблица истинности (при двух аргументах) следующая:

X1	X2	Y

Элемент, осуществляющий операцию конъюнкции, называется элементом “И”, реализуется логической интегральной микросхемой с двумя и более входами и одним выходом, на котором появляется сигнал “1” только тогда, когда на все входы одновременно поданы “1”. Условное обозначение элемента «И» приведено на рис. 97, в.

Помимо рассмотренных логических элементов широко используются универсальные, осуществляющие две и более логических операции одновременно. Чаще всего применяются логические элементы “ИЛИ-НЕ” (элементы Пирса) и “И-НЕ” (элемент Шеффера). Уравнение функции “ИЛИ-НЕ” , а функции “И-НЕ” . Условные обозначения этих элементов приведены на рис. 97 г, д.

.