2.1.        Три основные схемы усилителей на транзисторах

Усилитель –  это устройство (четырехполюсник), увеличивающее мощность сигнала. Увеличение мощности сигнала происходит за счет преобразования энергии источника питания в энергию сигнала. Форма сигнала при усилении должна сохраняться без существенных искаже­ний.

Усилители используются для компенсации потерь при передаче информационных сигналов на большие расстояния, для обеспечения работы регистрирующих устройств, для создания нормальных усло­вий восприятия информации человеком и т.д. Например, для обеспе­чения работы громкоговорителей мультимедиа-компьютера, как пра­вило, требуется усилитель, так как поступающие от источников звуковые сигналы имеют недостаточную мощность.

По усиливаемой электрической величине различают: усилители мощности, напряжения и тока.  Коэффициент передачи усилителя по одному из указанных электрических параметров, как правило, много больше единицы. По другим параметрам коэффициент передачи уси­лителя может быть меньше единицы. Однако у всех усилителей по определению коэффициент передачи по мощности должен быть больше единицы. Поэтому, например, повышающий трансформатор, у которого коэффициент передачи по напряжению может быть больше единицы, к усилителям не относится.

По диапазону усиливаемых частот усилители делятся:

· на усилители постоянного тока (УПТ);

· на усилители низкой (звуковой) частоты (УНЧ);

· на усилители высокой частоты (УВЧ);

· на сверхвысокие (СВЧ) усилители.

В компьютерах, например, УПТ используются в источниках питания, УНЧ – в звуко­вых платах, УВЧ- и СВЧ-усилители – в приемниках радио- и телеви­зионных сигналов. В дальнейшем будем рассматривать в основном только усилители переменных напряжений и токов, так как такие сиг­налы являются основными в системах передачи информации.

По используемым элементам различают усилители на транзисто­рах, микросхемах, электронных лампах, диодах и т.д. Далее мы будем рассмат­ривать усилители только на транзисторах и микросхемах. Такие усилители широко используются в компьютерах.

По режимам работы различают линейные и нелинейные усилители. В линейных усилителях уровни входных и выходных сигналов малы  (для полупроводниковых элементов U_m < 0,1 В) и поэтому все элемен­ты усилителя при воздействии малых переменных сигналов характе­ризуются линейной зависимостью между токами и приложенными напряжениями. Если амплитуда сигнала велика (U_m> 0,1 В для полупроводниковых элементов), то линейная зависимость между токами и напряжениями нарушается. Возникает нелинейный режим работы усилителя. Далее мы будем рассматривать усилители, работающие только в линейном режиме.

Усилители классифицируют также по числу каскадов, по назначе­нию, по полосе усиливаемых частот, по характеру усиливаемого сиг­нала и т.д.

Основными показателями усилителя являются коэффициенты уси­ления по напряжению, по току, по мощности:

,

а также сопротивления, входное () и выходное (). К дополни­тельным параметрам усилителя относят: коэффициент полезного дей­ствия, потребляемую от источника питания мощность, нелинейные искажения, массу и габариты и т.п.

Схемотехника усилителей на транзисторах отличается многообра­зием и сложностью. Однако в этом многообразии можно выделить три основные схемы, на основе которых строятся более сложные схемы. При использовании биполярных транзисторов различают:

· усилитель с общим эмиттером (ОЭ);

· усилитель с общей базой (ОБ);

· усилитель с общим коллектором (ОК).

По переменному напряжению в этих схе­мах с корпусом усилителя соединяется, соответственно, эмиттер, база или коллектор транзистора.

В схеме с общим эмиттером (рис. 2.1) эмиттер транзистора соединен с корпусом усилителя. Через катушку с большой индуктив­ностью, называемую дросселем Др, на базу транзистора подается напряжение смещения Е_БЭ = 0,5…0,8 В. Это напряжение предназначено для того, чтобы открыть эмиттерный переход и обес­печить постоянный ток коллектора в активном режиме работы транзистора.

t/image_post/electronika_lanovenko/pic20_4.gif align=left>

Значение начального постоянного тока коллектора опреде­ляется техническими условиями эксплуатации и для маломощных транзисторов примерно равно I_КН = 0,1…10 мА. Усиление по мощно­сти осуществляется за счет энергии источника питания (Е_П). Напряже­ние источника питания, как правило, равно 5…20 В, а полярность ус­танавливается такой, чтобы закрыть коллекторный переход.

Вместе с напряжением питания (Е_П) ток (I_КН) и напряжение смещения (Е_БЭ) определяют режим по постоянному току усилителя. Описанный режим по постоянному току – обязательное условие, обуслов­ливающее возможность усиления слабых сигналов в усилителе. Если транзистор закрыт и постоянный ток коллектора транзистора равен нулю, то каскад не будет усиливать слабые переменные сигналы.

Совокупность переменных токов и напряжений на элементах кас­када определяют режим усилителя по переменному напряжению. Че­рез конденсатор С_Р (рис. 2.1) переменный входной сигнал поступает на базу транзистора и управляет относительно большим током коллекто­ра. Конденсатор С_Р в схеме имеет большую емкость. Следовательно, его емкостное сопротивление (Хс = 1/wС_Р) мало, и поэтому он хорошо пропускает переменный входной ток.

Основное назначение этого кон­денсатора – не пропустить на вход усилителя постоянное напряже­ние, которое может присутствовать во входном сигнале. Поэтому конденсатор С_Р называется разделительным. В рассматриваемой схеме разделительный конденсатор, кроме того, не пропускает на входную клемму усилителя постоянное напряжение смещения, при­сутствующее на базе транзистора. Часто усилитель, у которого на входе установлен разделительный конденсатор, называют усилителем с «закрытым» входом.

Через дроссель Др  (см. рис. 2.1) проходит напряжение смещения, так как сопротивление катушки постоян­ному току равно нулю. Для переменного тока этот дроссель, имея большую индуктивность, создает большое сопротивление. Входной переменный ток через дроссель практически не ответвляется, а весь поступает на управление транзистором. Поэтому этот дроссель также часто называют разделительным, но разделяются здесь переменные потенциалы.

В цепи коллектора (рис. 2.1) включено сопротивление внутренней нагрузки   каскада, по которому протекает часть переменного тока коллектора. Большая часть переменного тока коллектора через выходной разделительный конденсатор протекает по внешней нагрузке усилителя , подключаемой к выходному зажиму каскада (см. рис. 2.1). На этой нагрузке выделяется усиленный по мощности переменный сиг­нал.

В схеме усилителя с общей базой (рис. 2.2) назначе­ние разделительных конденсаторов, дросселя, коллекторного сопротивления аналогично их назначению в схеме ОЭ. В отли­чие от схемы с общим эмиттером в усилителе ОБ через дроссель Др на эмиттер транзистора подается отрицательное напряжение смеще­ния. Только при такой полярности напряжения смещения открывается транзистор, через него начинает протекать постоянный ток и только в этом случае усилитель ОБ сможет усиливать слабые переменные сигналы.

В схеме усилителя с общим коллектором (рис. 2.3) важную роль играет блокировочный конденсатор С_БЛ. Имея большую емкость и, следовательно, малое сопротивление, бло­кировочный конденсатор используется для того, чтобы сделать прак­тически одинаковыми переменные потенциалы двух узлов. Тем самым, «блокируется» поступление переменного напряжения из одной части в другую.

В усилителе ОБ (рис. 2.3) основное назначение блокировочного кон­денсатора – соединить через свое малое сопротивление коллектор транзистора по переменному напряжению с корпусом усилителя. По­этому в точке на коллекторе переменное напряжение будет практически равно нулю, что соответствует схеме ОК. В отличие от схем с общим эмиттером и с общей базой, коллектор транзистора в схеме с общим коллектором (см. рис. 2.3) с корпусом не соединен. На коллекторе присутствует большое постоянное напряжение источника питания.

Отметим, что при отсутствии блоки­ровочного конденсатора рассматриваемая схема (