Принцип усиления сигналов
Усилению сигналов соответствует нагрузочный режим работы транзистора, изложенный ранее. На рис.7.3, а показана простейшая схема усилителя на транзисторе типа p-n-p:
В транзисторном усилителе управляемой является коллекторная цепь, а управляющей — базовая. В коллекторной цепи транзистора имеется источник питания EK (-EK), сопротивление нагрузки транзистора RK и разделительный конденсатор C р. В базовую цель включены два источника: источник переменного напряжения и источник постоянного напряжения смещения Есм, последний в транзисторном усилителе необходим для того, чтобы обеспечить необходимый начальный ток покоя в цепи коллектора (рис. 7.3, б, в). Для этого полярность напряжения смещения устанавливают так, чтобы оно отпирало транзистор. При отсутствии отрицательного напряжения смещения ток базы в коллекторной цепи транзистора протекает настолько незначительный ток, что практически транзистор можно считать запертым. Если бы в базовой цепи отсутствовал источник отрицательного напряжения, то в положительные полупериоды входного напряжения транзистор запирался и возникали бы большие нелинейные искажения. Напряжение изменяется пропорционально входному сигналу и в коллекторной цепи происходит пропорциональное изменение тока.
Эмиттерный переход транзистора при работе усилителя всегда открыт и во входной цепи протекает ток IБ следовательно, источник входного напряжения всегда расходует мощность. При одновременном воздействии на участок база-эмиттер двух напряжений Есм и UmE в цепи базы протекает пульсирующий ток.
Режимы работы транзисторов
В усилителях мощности нашли применение три основных режима работы транзисторов: классА,классВи классС.Врежиме работы класса А ток коллектора 1к изменяется относительно постоянной составляющей, т.е. тока покоя Iк0, как синусоидальная функция времени при синусоидальном входном сигнале. В режиме класса В ток коллектора представляет собой импульсы полусинусоиды длительностью в половину периода. Во время паузы между полусинусоидами транзистор закрыт. Режим класса С характеризуется тем, что ток коллектора представляет собой импульсы полусинусоидальной формы, длительность которых меньше полупериода.
Указанные режимы работы можно характеризовать также углом отсечки тока 0, под которым понимают угол, соответствующий половине времени существования импульса тока. Для режима класса В угол отсечки тока равен 90°, для режима классаСон меньше 90°, а в классе А отсечка тока отсутствует. Применяется также режим класса АВ, у которого угол отсечки больше 90°. Наивысший КПД имеет режим класса С, но этому режиму свойственны и наибольшие нелинейные искажения. Наименьшие КПД и нелинейные искажения характерны режиму класса А. Задачи рационального проектирования усилителей сводятся к применению режимов с наиболее высоким КПД при допустимых нелинейных искажениях.
Недостатки транзисторных усилителей
Транзисторы в большинстве случаев работают со значительными токами во входной цепи, что характеризует их малое входное сопротивление, оказывающее шунтирующее действие на предыдущий усилительный каскад. Это вызывает необходимость применения соответствующих согласующих устройств между выходом предыдущего и входом последующего каскада многокаскадного усилителя.
Практически на всех частотах существует воздействие выходных цепей на входные цепи через междуэлектродные сопротивления.
Для уменьшения этого воздействия в схемах транзисторных усилителей предусматривают меры, повышающие устойчивость их работы. Велика зависимость параметров транзисторов от температуры. Это вынуждает принимать специальные меры для стабилизации режима работы усилительных каскадов, что усложняет их схемы.
Обратные связи в усилителях. Под обратной связью (ОС) понимают передачу части напряжения или тока с выхода усилителя на его вход. ОС может быть полезной, если она создаётся искусственно и служит для улучшения качества усилителя, и паразитной, если возникает из-за самопроизвольного влияния выходной цепи на его входные цепи. Структурная схема усилителя с ОС на рис. 7.5.
Усилитель с коэффициентом усиления К и звено ОС с коэффициентом передачи ОС в показаны в виде четырёхполюсников. Коэффициент передачи обратной связи В показывает, какую часть от выходного напряжения Uвых составляет напряжение обратной связи Uос, передаваемое на вход усилителя.
Обычно В < 1, поэтому Uос = В*Uвых. Схемы обратной связи бывают последовательными, когда напряжение ОС подаётся на вход усилителя последовательно с входным сигналом (рис. 7.5), и параллельными, когда напряжение ОС подаётся на вход усилителя параллельно входному сигналу (рис. 7.6).
Обратная связь может быть положительной (ПОС) и отрицательной (ООС): при ПОС напряжение Uос совпадает по фазе с входным напряжением Uвх, в результате чего к входной цепи прикладывается напряжение U`вх= Uвх+Uoс; при ООС напряжение Uос находится в противофазе с входным напряжением Uвх. В результате к входной цепи прикладывается напряжение U`вх= Uвх-Uoс В зависимости от способа подключения звена ОС к выходу усилителя различают ОС по напряжению и по току. В схемах усилителей с ОС по напряжению напряжение Uос, передаваемое на вход усилителя с его выхода, пропорционально выходному напряжению Uвых (рис. 7.7), а в схемах усилителей с ОС по току — пропорционально току нагрузки Iн на выходе устройства (рис. 7.8).
Если напряжение ОС состоит из двух составляющих, одна из которых пропорциональна входному напряжению, а другая — току, то получается смешанная ОС.
При ПОС коэффициент усиления возрастает, а при ООС — уменьшается. Однако проигрыш в усилении при ООС компенсируется значительным качественным выигрышем — уменьшаются частотные и нелинейные искажения и влияние всякого рода помех, поступающих на вход усилителя, так как напряжение ОС находится в противофазе с ними.