Входные усилители

Всем доброго времени суток! После небольшого перерыва я решил написать статью про усилители на транзисторах. Хотя, чисто транзисторные усилители на современном этапе развития радиоэлектроники применяются редко, но некоторые каскады, например входные или выходные, на транзисторах встречаются довольно часто.

В одном из предыдущих постов я писал об усилительных каскадах, сегодняшняя статья несколько расширит ваши знания о транзисторах. Транзисторы в усилителях, как упоминалось ранее, могут быть в одной из трёх схем включения: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК). Наибольшее распространение получили схемы с ОК и с ОЭ, так как схема с ОБ имеет низкое входное сопротивление, она используется лишь в некоторых особых случаях, например в дифференциальных усилителях или в усилителях на очень высоких частотах.

Усилители разделяются на несколько типов:

  • по типу построения схемы (однотактные и двухтактные);
  • по типу нагрузки (трансформаторные и безтрансформаторные);
  • по режиму работы (А, В, АВ, С и др.).

В зависимости от типа усилителя и режима его работы усилители имеют различные входные и выходные параметры: входное и выходное сопротивления, коэффициенты усиления по току и по напряжению, коэффициент полезного действия (КПД) и амплитудно-частотную характеристику (АЧХ).

Классы работы усилителя

Прежде чем говорить о режимах работы усилителя необходимо сказать несколько слов о транзисторах, а точнее о проходной характеристике транзистора. Проходная характеристика – это зависимость выходного тока от напряжения или тока на входе.


Проходная характеристика
Проходная характеристика транзисторов

На данной характеристике хорошо видно, что при напряжении коллектор-эмиттер, большем порогового напряжения, зависимость имеет экспоненциальный характер, а при напряжении, меньшем порогового, отклоняется от экспоненциальной зависимости. Таким образом режим работы усилителя определяется положением рабочей точки на проходной характеристики усилительного транзистора.

При работе в классе А рабочая точка Т лежит примерно в средней части проходной характеристики транзистора и выходной ток транзистора (коллекторный ток IC) протекает в течении всего периода гармонического колебания. В этом случае транзистор работает без отсечки тока (угол отсечки θ = 180°). Другими словами транзистор в усилителе постоянно находится в активном режиме, а в режим отсечки никогда не переходит. При работе в данном режиме усилители характеризуются наибольшей линейностью, но в тоже время значение КПД никогда не превышает 47,5%, а в большинстве случаев едва достигает нескольких десятков процентов.


режиме усиления класса A
Работа транзистора в режиме усиления класса A.

При работе в классе В в идеальном случае рабочая точка Т находится на пересечении проходной характеристики с осью абсцисс и коллекторный ток (IC) в отсутствие сигнала равен нулю. Транзистор в таком усилителе работает с отсечкой тока (угол отсечки θ = 90°). Таким образом, транзистор усиливает только одну полуволну гармонического колебания и переходит в режим отсечки сигнала. Теоретически значение КПД в данном режиме имеет максимальное значение 78,5%, но практически никогда не достигает этого значения. В связи с тем, что транзистор при работе в данном режиме усилителя работает также в линейном режиме и режиме отсечки тока, усиленный сигнал имеет несколько большие искажения, чем при работе усилителя в режиме А, поэтому чистый режим В применяют редко. Значительно чаще применяют усилители, в которых транзисторы работают в режиме АВ.


режиме усиления класса B
Работа транзистора в режиме усиления класса B.

Режим усилителя класса АВ. Как ясно из названия в данном случае рабочая точка лежит на проходной характеристике несколько выше, чем при режиме В и коллекторный ток (IC) имеет небольшое значение, практически, чтобы только выйти из режима отсечки. Транзистор в таком режиме усиления работает с отсечкой тока (угол отсечки 180° > θ > 90°). В данном случае происходит усиление одной полуволны и некоторой части другой полуволны, что при наличии двух усилительных приборов работающих в режиме АВ и усиливающих разные полуволны получить полный усиленный сигнал. Режим АВ характеризуется лучшей линейностью, чем режим В и большим значением КПД, чем режим А.


в режиме усиления класса AB
Работа транзистора в режиме усиления класса AB.

Существуют так же и другие классы работы усилителей, но они имеют значительные недостатки или сложны в управлении. Например, в классе С транзистор работает с отсечкой тока (угол отсечки θ < 90°), что приводит к ещё большим искажениям усиленного сигнала, чем в классе В, но в тоже время КПД больше, чем при классе В. Класс работы D практически представляет собой ключевой режим работы транзистора, при котором усилительный транзистор большую часть времени находится либо в режиме отсечки, либо режиме насыщения.

Предварительные и входные усилители

Предварительные усилители используются во входных каскадах усиления, поэтому к ним предъявляют ряд требований, выполнение которых позволяет получить высокую линейность усиленного сигнала и более равномерную амплитудно-частотную характеристику. Усилительные каскады различаются в зависимости от схемы включения транзистора и по виду связи с последующим каскадом. Данные типы усилителей работают только в режиме усиления класса А, а усилительный транзистор с ОК или с ОЭ.

Каскад по схеме с общим эмиттером

Типовая схема каскада с резисторно-емкостной связью и включением транзистора по схеме с общим эмиттером представлена ниже.


Усилительный каскад  ОЭ
Усилительный каскад на транзисторе с ОЭ.

Данная схема содержит два основных элемента: транзистор VT1 и коллекторную нагрузку (резистор RC). Остальные элементы схемы – вспомогательные. Резисторы Rb1, Rb2, RE, RФ и конденсаторы СЕ и СФ являются элементами цепей питания, а конденсаторы СР1 и СР2 – элементами цепей связи.

Входное сопротивление каскада (RВХ) зависит от входного сопротивления транзистора R11 и сопротивления цепей питания базы. Ориентировочно оно может быть определено по следующим формулам






Выходное сопротивление каскада (RВЫХ) зависит от выходного сопротивления транзистора R22 и сопротивления коллекторной нагрузки RС. В связи с тем, что выходное сопротивление транзистора значительно меньше сопротивления коллекторной нагрузки, можно считать, что

Коэффициент усиления каскада по напряжению (К0) зависит от крутизны транзистора (S) и сопротивления нагрузки (RH). В свою очередь сопротивление нагрузки зависит от сопротивления коллекторной нагрузки RС и входного сопротивления следующего каскада (RBX.CL).






Каскад по схеме с общим коллектором

Типовая схема каскада с резисторно-емкостной связью и включением транзистора по схеме с общим коллектором представлена ниже.


Усилительный каскад  ОK
Усилительный каскад на транзисторе с ОК

Данная схема содержит два основных элемента: транзистор VT1 и эмиттерную нагрузку (резистор RЕ). Остальные элементы схемы – вспомогательные. Резисторы Rb1 и Rb2 являются элементами цепей питания, а конденсаторы СР1 и СР2 – элементами цепей связи.

Входное сопротивление каскада (RВХ) зависит от входного сопротивления транзистора R11 и сопротивления цепей питания базы. Ориентировочно оно может быть определено по следующим формулам







Выходное сопротивление каскада (RВЫХ) зависит от выходного сопротивления транзистора R22C и сопротивления эмиттерной нагрузки RЕ, а также выходного сопротивления источника сигнала Rg. Таким образом выходное сопротивление каскада определяется по формуле




Коэффициент усиления каскада по напряжению (К0) зависит от крутизны транзистора (S) и сопротивления нагрузки (RH). В свою очередь сопротивление нагрузки зависит от сопротивления коллекторной нагрузки RС и входного сопротивления следующего каскада (RBX.CL).






Скажи спасибо автору нажми на кнопку социальной сети

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

*

code