2. Усилители электрических сигналов

2.1 Усилители на биполярных и полевых транзисторах

Схема усилителя на полевом транзисторе с p-n переходом, включенном по схеме с общим истоком, показана на рисунке 2.1.1.

Рисунок 2.1.1 Схема усилителя на полевом транзисторе

Конденсаторы С_х и С₂ являются разделительными: С_х препятствует связи по постоянному току источника входного сигнала и усилителя, С₂ служит разделения по постоянному току цепи стока и нагрузки. Конденсатор С_и устраняет отрицательную обратную связь для переменной составляющей. Резистор R обеспечивает нулевое напряжение между затвором и общей точкой при отсутствии сигнала на входе.

В n-канальном ПТ с управляющим переходом напряжение затвор-исток должно быть отрицательным. Это достигается с помощью автоматического смещения. Цепь автоматического смещения состоит из резистора R, соеди­няющего затвор с общей точкой, и резистора R в цепи истока. Поскольку ток затвора полевого транзистора ничтожно мал, постоянная составляющая напряжения на резисторе R равна нулю и напряжение затвор-исток отрица­тельно: U_зи=-R_и*1_с.

Для обеспечения высокого входного сопротивления схемы величина R выбирается большой (до нескольких МОм). Номиналы разделительных конден­саторов в усилителях на полевых транзисторах могут быть гораздо меньше, чем в схемах на биполярных транзисторах. Это объясняется тем, что входные со­противления полевых транзисторов значительно выше, чем биполярных.

Функциональная схема усилителя на биполярном транзисторе приведена на рисунке 2.1.2, а.

Рисунок 2.1.2 схема усилителя на биполярном транзисторе

а) схема, б) входная вольтамперная характеристика в) выходная вольтамперная характеристика

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_Kп, U_Эп.

Конденсаторы С₁ и С₂ - разделительные. Конденсатор С₁ препятствует протеканию постоянного тока с делителя R₁, R₂. Конденсатор С₂ препятствует прохождению постоянного напряжения на резистор R_H. На этом резисторе действует переменная составляющая коллекторного напряжения. Резистор 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 закрывание транзистора. Это ведет к уменьшению коллекторного тока. Происходит автоматическая 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=T_Э*R_Э, которое уменьшает усиливаемое напряжение. Коэффициент усиления каскада

Для исключения резистора R_Э для протекания переменного тока его необходимо шунтировать конденсатором С_Э достаточно большой емкости. При наличии конденсатора общее сопротивление в цепи эмиттера:

где X_c=1/jωС.

Расчет параметров каскада в режиме покоя по постоянному току проводят графоаналитическим методом с использованием статических входных и выходных вольтамперных характеристик (ВАХ) (рисунок 2.1.2, б, в).

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

Общее сопротивление в цепи коллектора R_K0=R_K*R_H/(R_K+R_H). При этом следует учитывать, что Х_С2=0. Поскольку R_K>R_K0, 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.