Усилитель на биполярном транзисторе с общим эмиттером

Рассматриваемый усилитель (рис. 97) 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.

 

	Рис. 97. Схема электронного усилителя на биполярном транзисторе с общим эмиттером

 

Приведенные на рис. 97 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. 98, а и семейство выходных характеристик I_к = f(U_кэ), рис. 98 б. На рисунке U_бэ0 - напряжение смещения базы, т.е. напряжение питания базы (при отсутствии сигнала); U_{б m} = U_{вх m} – амплитуда синусоидального напряжения сигнала, подаваемого на базу; I_б0– ток базы при отсутствии сигнала (ток покоя); I_{б m} – амплитуда переменной составляющей тока базы; U_кэ0– напряжение питания коллектора (напряжение на коллекторе при отсутствии сигнала); U_{к m} – 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. 98, 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. 99, а) представляет собой зависимость коэффициента усиления К_U от частоты сигнала f.

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. 99, б) усилителя представляет собой зависимости выходного напряжения от входного.

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. 99, в. Действительно, каждый транзистор обладает своим предельно максимальным током коллектора, который не возрастает при увеличении напряжения на базе.

По амплитудной характеристике усилителя можно судить о диапазоне входных напряжений, которые он охватывает.

 

2.5.3.эмиттерный повторитель

На рис. 100 приведена электронная схема эмиттерного повторителя.

 

	Рис. 100. Электронная схема эмиттерного повторителя

 

 

Выход усилителя – коллектор – по переменной составляющей напряжения соединен с входом (с общим заземлением), так как внутренним сопротивлением источника питания Е_к из-за его малости можно пренебречь.

В указанном усилителе нагрузочный резистор R_н, с которого снимается выходное напряжение, включен в эмиттерную цепь.

В приведенной на рис.100 схеме так же, как и в усилителе с общим эмиттером, используется транзистор типа p-n-p, источник питания Е_к, резисторы делителя напряжения питания базы R1, R2, разделительные конденсаторы С1, С2.

Коэффициент усиления мощности сигнала определяется только усилением тока. Выходное напряжение совпадает по фазе с входным и по величине U_вых » U_вх, поэтому указанную схему и называют эмиттерным повторителем.

Эмиттерный повторитель имеет большое входное и малое выходное сопротивления, поэтому его применяют для согласования высокоомного источника усиливаемого сигнала с низкоомным нагрузочным устройством.

 

2.6.Операционные усилители

Операционным называют усилительпостоянного тока, имеющий большой коэффициент усиления и предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми величинами. Операционный усилитель (ОУ) имеет дифференциальный вход (два входных ввода) и один общий выход. На рис. 101 приведено обозначение операционного усилителя на схемах.

Идеальный ОУ имеет коэффициент усиления по напряжению , большое входное сопротивление , малое выходное сопротивление , усиливает широкий спектр частот вплоть до постоянной составляющей. Дрейф нуля операционного усилителя мал.

Использование двух источников питания (рис. 101) позволяет подавать на вход ОУ как положительные, так и отрицательные сигналы. Вход 1 ОУ называют инвертирующим и обозначают знаком минус или кружком; вход 2 называют неинвертирующим и обозначают знаком плюс или употребляют без знака.

	Рис. 101. Обозначение ОУ на схемах

 

 

В области низких частот выходное напряжение U_вых ОУ находится в той же фазе, что и разность входных напряжений

U_вх = U_вх2 - U_вх1.

Зависимость U_вых ОУ от U_вх представлена на рис. 102. Она практически линейна в диапазоне U_{вх min} < U_вх < U_{вх max}. Этот диапазон называется областью усиления. Вне диапазона усиления находится диапазон насыщения.