Принцип построения каскада усиления

Амплитудная характеристика (АХ)

Это зависимость выходного сигнала усилителя от входного сигнала. Позволяет определить максимальный входной сигнал U_{вх max}, при котором нелинейные искажения невелики (рис. 1, а).

Минимальную часть усилителя, сохраняю­щую его функции, называют каскадом усиления. Каскады усиления состоят из последовательно включенных управляемого элемента, параметры которого изменяются в зави­симости от поступающего на его вход напряжения или тока, и резистора нагрузки R_н. В показанной на рис. 42 эквивалентной схеме управляемый элемент (лампа или транзистор) заменен резистором R_y, сопротивление которого зависит от напряжения входного сигнала U_вх.

Рисунок 42 – Эквивалентная схема каскада усиления

При отсутствии входного сигнала (U_вх = 0) в цепи проходит постоянный ток I₀ = E_к/(R_н + R_y). При появлении входного сигнала изменяется сопротивление резистора R_y, а следователь­но, полное сопротивление цепи и ток в ней, т. е. кроме постоянной составляющей тока в цепи появляется пере­менная составляющая I~. Если сопротивление управляемого эле­мента R_y изменяется строго пропорционально напряжению U_вх, то и ток I~ пропорционален напряжению U_вх. Следовательно, падение напряжения U_вых на резисторе нагрузки R_н, создаваемое переменной составляющей тока I~, также пропорционально вход­ному напряжению U_вх, т. е. U_вых = К∙U_вх, где К - коэффициент усиления напряжения.

Основным требованием, предъявляемым к каскаду усиления, является воспроизведение формы входного сигнала на выходе, т. е. его минимальные нелинейные искажения. Выполнение этого требования обеспечивается подачей определенных напряжений и токов на выводы усилительного элемента. Транзистор во время ожидания входного сигнала находится в режиме покоя.

Электрическому состоянию транзистора в режиме покоя соответствует определенная точка на его входных и выходных характеристиках, называемая рабочей точкой А каскада усиления (р.т.).

Схема каскада усиления и графическое представление его работы при неправильно выбранной рабочей точке показаны на рис. 43, а, б. В режиме покоя транзистор VT закрыт, так как на­пряжение на эмиттерном переходе U_бэ=0. Следовательно, его токи I_б и I_к также равны нулю. Напряжение на коллекторе транзистора U_кэ = Е_к, так как падение напряжения на резис­торе R_н нагрузки U_Rн = 0.

Под действием входного сигнала U_бэ~ транзистор будет открыт только в течение части t₁ - t₂ положительного полупериода сигнала При этом транзистор откроется и его кол­лекторный ток I_к~ вызовет напряжение U_Rн на резисторе нагруз­ки R_н. Во время действия отрицательной полуволны входного сигнала U_бэ~ транзистор будет закрыт. Поэтому усиленный выходным сигналом будет существенно отличатся по форме от входного.

Рисунок 43 – Схема каскада усиления (а) и графическое представление его

работы при неправильно выбранной рабочей точке (б)

Для получения выходного сигнала с минимальными нелиней­ными искажениями следует выбрать такое положение рабочей точки, при котором каждому значению вход­ного сигнала U_бэ~ будет соответствовать зна­чение выходного. Схема такого каскада усиления и графическое представление его работы показаны на рис. 44, а, б. Напряже­нием постоянного смещения U_бэ=0,75 В рабочая точка выво­дится на середину прямолинейного участка входной характе­ристики транзистора.

Рисунок 44 – Схема каскада усиления (а) и графическое представление его

работы при правильно выбранной рабочей точке (б)

В режиме покоя базовый ток транзистора I_б=0,3 мА, а коллекторный I_к=h_21э∙I_б= 50·0,3 = 15 мА, так как среднее значение h_21Э данного транзистора равно 50.

Коллекторная цепь транзистора состоит из двух участков: перехода коллектор - эмиттер и резистора нагрузки R_н, меж­ду которыми напряжение коллекторного источника E_к распреде­ляется следующим образом:

E_к = U_кэ+ U_Rн = U_кэ + I_к∙R_н

Для лучшего использования транзистора напряжение U_кэ принимают равным 0,5 E_к. Тогда при напряже­нии Е_к, равном 30 В, сопротивление нагрузки R_н=0,5 E_к/I_к= 15 В/15 мА = 1 кОм.

При подаче на базу транзистора входного сигнала, ампли­туда которого U_бэm=0,05В ограничена линейным участком входной характеристики (для получения малых нелинейных иска­жений рабочая точка не должна выходить за пределы этого участка), в цепях базы и коллектора появятся переменные со­ставляющие их токов, соответственно имеющие амплитуды I_бm и I_кm. При этом амплитуда выходного сигнала U_выхm= I_кm∙R_н = 10 мА∙1 кОм=10 В, а коэффициент усиления напря­жения К = U_выхm/U_бэm = 10 В/0,05 В = 200.