Схемотехника усилительных каскадов на БП и полевых транзисторах

Усилители на транзисторах.

Усиление электрических сигналов необходимо при приеме радиосигналов, контроле и автоматизации технологических процессов, при измерении электрических и неэлектрических величин и т.д.

Простейшим усилителем является усилительный каскад (см. рисунок), содержащий нелинейный управляемый элемент УЭ, как правило биполярный или полевой транзистор, резистор R и источник электрической энергии E.

Усилительный каскад имеет входную цепь, к которой подводится входное напряжение (усиливаемый сигнал) и выходную цепь, с которой снимается выходное напряжение U (усиленный сигнал). Усиленный сигнал имеет значительно большую мощность по сравнению с входным сигналом. Увеличение мощности сигнала происходит за счет источника электрической энергии. Процесс усиления осуществляется посредством изменения сопротивления управляемого элемента, а, следовательно, и тока в выходной цепи, под воздействием входного напряжения или тока.

Рисунок – Структурная схема усилительного каскада

Выходное напряжение снимается с управляемого элемента или рези-стора R. Таким образом, усиление основано на преобразовании электрической энергии источника постоянной ЭДС E в энергию выходного сигнала за счет изменения сопротивления управляемого элемента по закону, задаваемому входным сигналом.

Основными параметрами усилительного каскада являются:

- коэффициент усиления по напряжению

- коэффициент усиления по току

- коэффициент усиления по мощности

Существует три базовые схемы включения БП транзистора:

1) схема с общим эмиттером (ОЭ)

Схема с общим коллектором (ОК), также называемый эмиттерный повторитель.

3) Схема с общей базой.

Усилительный каскад с ОЭ

При схеме включения биполярного транзистора с общим эмиттером (ОЭ) входной сигнал подаётся на базу, а снимается с коллектора. При этом выходной сигнал инвертируется относительно входного (для гармонического сигнала фаза выходного сигнала отличается от входного на 180°). Каскад усиливает и ток, и напряжение. Данное включение транзистора позволяет получить наибольшее усиление по мощности, поэтому наиболее распространено. Однако при такой схеме нелинейные искажения сигнала значительно больше. Кроме того, при данной схеме включения на характеристики усилителя значительное влияние оказывают внешние факторы, такие как напряжение питания, или температура окружающей среды. Обычно для компенсации этих факторов применяют отрицательную обратную связь, но она снижает коэффициент усиления.

Е_к=u_k +I_kR_k при Rн → ∞

u_k= Е_к ─ I_kR_k

Поэтому очевидно, что для управления напряжением на коллекторе транзистора и соответственно U_вых, необходимо изменять I_k , функцией изменения U_вх и соответственно I_вх. А поскольку известно, что I_k приблизительно равно β*Iб, где β – коэффициент усиления тока базы каскада с ОЭ, то такая схема будет усиливать входной ток в β раз. Характер изменения тока коллектора I_k можно получить, проанализировав положение изображающих точек на характеристиках транзисторов.

U_k=U_вых при Rн → ∞

Для построения нагрузочной прямой найдём точки её пересечения с осями координат. При Ik=0 (транзистор полностью закрыт) U_k=E_k .

При полностью открытом транзисторе максимальный возможный ток через коллектор I_k^мах = (ток короткого замыкания при полностью открытом транзисторе).

Соединив эти две точки, получим нагрузочную прямую.