1.5 Расчет усилителей на постоянном токе

Электронный усилитель– устройство, предназначенное для усиления напряжения, тока и/или мощности электрических сигналов. Схематично структуру усилителя можно представить (Рис. 1.8) состоящей из: маломощного источника входного сигнала Р₁, источника мощности Р₀, усилительного элемента У и нагрузки Р₂.

Усилитель реализует под управлением источника входного сигнала передачу энергии от источника мощности к нагрузке. Ключевым элементом, регулирующим эту передачу, является транзистор: биполярный или полевой.

Использование в усилителе биполярного транзистора предполагает включение его по одной из трех возможных схем: с общим эмиттером (ОЭ), с общей базой (ОБ) или общим коллектором (ОК). На рис. 1.9 показана схема наиболее распространенного усилителя на базе биполярного транзистора – с ОЭ, т.е. эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей. Входное напряжениеu_вх от источника усиливаемого сигналае_с подается на усилительный каскад через разделительный конденсатор С₁.

Работу усилителя с ОЭ можно проиллюстрировать с помощью вольт-амперных характеристик (ВАХ) транзистора (Рис. 1.10): входной характеристики I_б = f(U_бэ) и семейства выходных I_к = f(U_кэ) при разных токах базы.

Для коллекторной цепи усилителя на постоянном токе (Рис. 1.9) можно записать: U_кэ=Е_к- R_кI_к. Графическим решением этого уравнения является прямая, представленная на семействе выходных ВАХ и называемаялинией нагрузки по постоянному току. Её можно построить по двум точкам: соответствующей режиму холостого хода (координаты точки I_к=0 и U_к=Е_к) и короткого замыкания (координаты точки I_к=Е_к/R_ки U_к=0). Точки пересечения линии нагрузки с выходными характеристиками транзистора определяют ток I_ки напряжение на транзисторе U_кэпри любом заданном значении тока базы I_б. Конкретное значение данных параметров (координат) задает текущее положениерабочей точкикак на выходе, так и на входе усилителя.

Анализ уравнения, описывающего линию нагрузки, показывает, что наклон данной линии определяется величиной R_к. В реальных усилителях это значение колеблется в пределах от нескольких Омов до нескольких килоОмов.

В усилителе действуют, по крайней мере, два электрических источника: источник постоянной э.д.с. Е_ки источник усиливаемого переменного напряженияе_с.Первый из них обеспечивает требуемыйрежим покоя (режим работы по постоянному току), который на рис. 1.10 определяется точкой О (рабочая точка в режиме покоя), т.е. создает постоянные составляющие тока и напряжения на входе и выходе усилителя: I_0би U_0бэ, I_0ки U_0кэ. Для усиления входных сигналов с минимальными линейными искажениями начальное положение рабочей точки целесообразно выбирать на середине линии нагрузки, т.е. с координатами

U_0кэЕ_к/2; I_0к (Е_к/2)/R_к. (1.8)

При этом

I_0бI_0к/h_21э, (1.9)

а U_0бэ0.3 В для германиевых и U_0бэ0.7 В для кремниевых транзисторов.

Конденсатор С₁ включен на входе усилителя для того, чтобы:

• не пропускать постоянную составляющую усиливаемого сигнала на вход усилителя;

• не создавать постоянной составляющей тока в источнике усиливаемого сигнала е_с за счет действия источника питания Е_к.

Разделительный конденсатор С₂, в свою очередь, задерживает постоянную составляющую коллекторного напряжения и пропускает в нагрузку усилителя только переменную составляющую напряженияu_к, являющуюся выходным напряжением усилителя.

Задание постоянных составляющих токов и напряжений на входе и выходе усилителя реализуется двумя основными способами:

• фиксированным напряжением база-эмиттер (Рис. 1.11);

• фиксированным током базы (Рис. 1.12).

На рис. 1.11 приведен пример использования первого способа. Схема включает на входе резисторный делитель, при этом

U_R2= U_0бэ=I_дR₂. (1.10)

Оба последних параметра заранее не фиксированы, т.е. могут выбираться произвольно. Обычно задаются значением I_д, соблюдая соотношение

I_д/I_0б10. (1.11)

Тогда R₂= U_0бэ/I_д. Учитывая, что U_R1= Е_к- U_0бэ= (I_д+ I_0б)R₁, находится требуемое значение сопротивления R₁= (Е_к- U_0бэ)/(I_д+ I_0б).

Для схемы на рис. 1.12 можно записать U_Rб=Е_к-U_0бэ=I_0бR_б.

Тогда R_б=(Е_к-U_0бэ)/I_0б. Так как обычно Е_к >> U_0бэ, то в инженерных расчетах можно использовать приближенную формулу вида R_бЕ_к/I_0б.

При изменении температуры окружающей среды входная ВАХ транзистора смещается по горизонтали, а выходная – по вертикали, что приводит к смещению начального положения рабочих точек как на входе, так и на выходе усилителя. При большой амплитуде выходного сигнала указанное явление может привести к заходу рабочей точки при движении по линии нагрузки в область насыщения или отсечки, что обуславливает искажение формы выходного сигнала в виде зарезания вершин выходной синусоиды.

Для борьбы с данным явлением используются два основных метода:

1. термокомпенсация – на основе нелинейных элементов, параметры которых определенным образом зависят от температуры;

2. термостабилизация, базирующаяся на механизме отрицательной обратной связи (ООС).

На практике обычно используется второй метод, предполагающий включение в состав усилителя резистора R_э(Рис. 1.13) для создания ООС. Ёе механизм иллюстрируется следующей логической цепочкой: предположим, что температура окружающей среды выросла, тогда:

Т  I_0к  I_0э (так как I_0к = I_0э + I_0кэ)  U_Rэ = I_0эR_э  U_0бэ = U_R2 – U_Rэ  I_0б   I_0к.

При этом предполагается, что напряжение U_R2остается практически постоянным, так как I_д I_0б.

ООС не позволяет полностью устранить влияние температуры на начальное положение рабочей точки, но уменьшает его. Количественная оценка такого уменьшения производится с помощью коэффициента нестабильности коллекторного токаS:

S = I_0к/I_к,

где I_к– приращение тока I_кв схеме с идеальной термостабилизацией (с минимальным изменением тока I_к).

Значение Sдля конкретной схемы рассчитывается по формуле

, (1.12)

где R_б=R₁∥R₂.

Анализ выражения (1.12) показывает, что:

(R_б  0)  (S  1); (R_э  0)  (S  );

(R_б  )  (S  ); (R_э  )  (S  1),

т.е. уменьшение R_бведет к улучшению термостабилизации, а увеличение – к ухудшению. Обратный эффект оказывает на термостабилизацию величина резистора R_э. Однако увеличение данного сопротивления ведет к увеличению номинала Е_кпри заданных R_ки U_0кэ. Поэтому величина резистора R_эобычно ограничивается значением 200300 Ом. Введение в схему R_эпредполагает, что наклон линии нагрузки (Рис. 1.10) уже определяется суммарным значением R_к+R_э(при инженерных расчетах предполагается, что I_0к I_0э)_, а U_R2=U_0бэ+U_Rэ.