Принцип работы усилителя низкой частоты на транзисторах.

Рассмотрим работу усилительного каскада, выполненного на транзисторе, включенного по схеме с общим эмиттером (рис. 14).

Рис. 14. Усилительный каскад по схеме с общим эмиттером

При отсутствии входного сигнала усилитель находится в режиме покоя и так же будет равно нулю (этот режим называется статическим). При появлении сигнала усилитель будет работать в динамическом режиме, т.е. входной сигнал будет усиливаться.

В режиме покоя конденсаторы С 1 и С 2 отделяют вход усилителя и его выход от предыдущего и последующего каскадов. Если бы конденсаторов не было, то резисторы других каскадов были бы подключены параллельно к резисторам усилителя и поэтому режим усилителя по постоянному току был бы нарушен.

Режим постоянного тока необходим для выбора рабочей точки А (рис. 13) так, чтобы не было нелинейных искажений сигнала. При выборе рабочей точки пользуются входными и выходными характеристиками транзистора (рис. 13, 15).

Рис. 15. Выходные характеристики транзистора

 

Рабочая область выходных характеристик ограничена линией NG - CD. При работе транзистора ток его коллектора не должен превышать максимально допустимый (). Линия NG соответствует этому режиму.

Каждый транзистор способен рассеивать мощность на коллекторе не выше максимально допустимой (). Линия GC ограничивает область допустимых мощностей рассеяния на коллекторе. Транзистор работает при некотором вполне определенном напряжении между коллектором и эмиттером. При превышении этого напряжения транзистор выходит из строя. Линия CD определяет область допустимых напряжений .

Рабочую точку (А) на характеристиках следует выбирать так, чтобы она находилась на середине линейных участков входной и выходной характеристик, при этом нелинейные искажения будут минимальные. Рабочая точка характеризуется током коллектора и напряжения .

Из схемы на рис. 14 можно определить:

, (70)

которое является уравнением динамической характеристики рассматриваемой схемы.

Динамическая характеристика в координатах представляет уравнение прямой линии, не проходящей через начало координат.

Динамическую характеристику (линию нагрузки) легко построить, зная две точки. Определим точку пересечения нагрузочной линии с осью . Для этого приравняем , тогда (точка F).

Вторую точку пересечения прямой с осью найдем из того, что при пересечении нагрузочной прямой с осью напряжение (точка К). Зная эти две точки, строим нагрузочную линию KF. Уравнение позволяет определить по двум известным величинам третью. Например, по известным напряжению источника питания и положению рабочей точки легко определить сопротивление нагрузи .

Рабочим участком нагрузки будет линия AB, т.к. на ней изменения тока базы от точки А в обе стороны вызывают одинаковые изменения тока коллектора.

При неправильном выборе рабочей точки, т.е. если положительная и отрицательная амплитуды выходного сигнала неодинаковы, в усилителе возникают нелинейные искажения.

Если режим усилительного каскада выбран правильно, то коэффициент нелинейных искажений не должен быть больше 5%.

Для создания режима покоя нужно в усилителе обеспечить определенный ток смещения (ток базы), при котором рабочая точка А находилась бы в середине нагрузочной прямой.

По входным характеристикам легко определить напряжение на базе транзистора. Для этого путем последовательного переноса точек выходной динамической характеристики строится входная динамическая характеристика, по которой и определяются пределы изменения тока базы под воздействием входного сигнала и соответствующие им точки коллектора.

Для получения необходимого смещения пользуются различными схемами. Схема, приведенная на рис. 14, называется схемой фиксированным током базы

В этой схеме ток базы проходит через резистор , который легко определить:

, (71)

. (72)

В последнем выражении величиной можно пренебречь, так как >> . Резистор получается очень большим (сотни тысяч Ом). При смене транзистора положение рабочей точки изменится из-за разброса параметров транзистора и из-за влияния температуры окружающей среды. Поэтому эта схема не получила широкого распространения.

а б

Рис. 16. Усилительный каскад по схеме с общей базой (а)

и общим коллектором (б)

 

Схема рис. 16а называется схемой с фиксированным напряжением смещения на базе. Напряжение смещения снимается с резистора, входящего в делитель напряжения , . Ток делителя выбирается достаточно большим, значительно больше тока базы в режиме покоя. Это необходимо для того, чтобы температурные изменения токов эмиттера и коллектора незначительно влияли на ток базы. Резисторы делителя определяются из формул:

,

, (73)

.

Схема рис. 16а менее экономична, чем схем. рис. 14, но стабильность режима работы ее выше. Из схемы рис. 16а видно, что ее резистор подключен параллельно входному сопротивлению транзистора . Источник питания всегда имеет малое внутреннее сопротивление, поэтому, пренебрегая им, можно считать, что резисторы и включены между собой параллельно. Поэтому делитель , должен иметь большое сопротивление (несколько кОм) и обеспечивать выполнение условия:

>> . (74)