2.2.     Резистивный и резонансный усилители

Резистивный усилитель

Резистивный усилитель – это усилитель, у которого в качестве нагрузки используются резисторы. Так как в этом усилителе из-за от­сутствия катушек индуктивности (индуктивностью выводов элемен­тов пренебрегаем) не возникает колебательных процессов, то резистивный усилитель часто называют апериодическим усилителем. Резисторы в резистивном усилителе используются в качестве внут­ренней и внешней нагрузки.

Схема однокаскадного резистивного усилителя с общим эмиттером (рис. 2.5) при прочих равных условиях дает наибольший коэффициент уси­ления по мощности. В качестве внутренней и внешней нагрузки ис­пользуются резисторы R_K и R_H соответственно. Внешний нагрузочный резистор может отсутствовать, если в качестве внутренней коллек­торной нагрузки включены громкоговоритель, реле, линия связи и т.п. Назначение разделительных и блокировочных конденсаторов в схеме мы уже рассмотрели.

От рассмотренной простейшей схемы усилителя с ОЭ  схему (рис. 2.5) отличают две особенности:

первая – использование вместо источника смещения (Е_БЭ) резистивного делителя напряжения, состоящего из резисторов R₁ и R₂. Делитель используется для экономии – не требуется дополнительного относительно сложного и доро­гостоящего источника питания. Сопротивления резисторов делителя подбирают так, чтобы на базу относительно эмиттера поступала толь­ко часть напряжения питания, равная открывающему напряжению Е_БЭ = 0,5…0,8 В. В простейших схемах резистор R₂ исключают и ус­танавливают открывающее напряжение с помощью одного резистора R₁;

вторая – использова­ние резистора R_Э. Сопротивление этого резистора равно R_Э = 0,1…1 кОм. Его назначение – обеспечить температурную стаби­лизацию параметров каскада. Стабилизация возникает благодаря воз­никающей отрицательной обратной связи, свойства которой будем рассматривать далее.

Работа резистивного усилителя при подаче на вход гармоническо­го сигнала иллюстрируется диаграммой токов и напряжений (рис. 2.6). На рис. 2.6, а приведена передаточная характе­ристика транзистора. Это зависимость выходного тока коллектора от управляющего напряжения между базой и эмиттером. На характери­стике показана рабочая точка, соответствующая открывающему на­пряжению E_БЭ = 0,5… ,8 В и постоянному току коллектора I_КО (для маломощных транзисторов I_КО = 0,1…10 мА).

На рис. 2.6, в приведена зависимость от времени напряжения на базе транзистора, равного сумме напряжения смещения (Е_БЭ)  и входного переменного сигнала. Амплитуда переменного сигнала для обеспечения линейного режима работы усилителя не должна превышать 0,1 В. Зависимость тока коллектора от времени, показана на рис. 2.6, б. График получен на основе кривых рис. 2.6, а и рис. 2.6, в. Порядок построения показан стрелками и штриховыми линиями.

Как видим, при увеличении входного напряжения увеличивается ток коллектора транзистора (см. рис. 2.5). Переменная составляющая этого тока, протекая по резисторам  R_К  и R_Н  создает на коллекторе транзистора переменное напряжение (рис. 2.6, г). Отметим, что при увеличении тока коллектора напряжение на коллекторе уменьшается, так как увеличивается падение напряжения на резисторах R_К  и R_Н  – так возникает дополнительный фазовый сдвиг между входным и вы­ходным напряжениями, равный 180°.

Напряжение на выходе усилите­ля, возникающее на резисторе R_Н будет содержать только перемен­ную составляющую. Постоянное напряжение на коллекторе транзистора, равное U_КО = Е_П – R_КI_КО отделено от резистора R_Н  выход­ным разделительным конденсатором.

Показатели резистивного усилителя легко получить, используя ра­нее полученные формулы. Входная проводимость резистивного уси­лителя с учетом резистивного делителя равна:

Выходное сопротивление равно:

.

При  коэффициент усиления усилителя равен:

_{26_4.gif>}.

Например, если крутизна мало­мощного транзистора S = 20 мА/В, а сопротивление нагрузки R_H = 0,5 кОм, то модуль коэффициента усиления по напряжению резистивного усилителя равен К₀ = 10.

Отметим, что эти показатели получены на так называемых средних частотах входного сигнала, когда со­противления разделительных и блокировочных конденсаторов пре­небрежимо малы, а инерционность транзистора и его паразитные ем­кости не учитываются. Область средних частот (СЧ) показана на амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) резистивного усилителя (рис. 2.7).

В области низких частот (НЧ) коэффициент усиления уси­лителя уменьшается из-за увеличения емкостных сопротивлений раз­делительных конденсаторов. На нулевой частоте сопротивление раз­делительных конденсаторов равно бесконечности, и коэффициент усиления усилителя равен нулю. С уменьшением частоты увеличива­ются также сопротивления блокировочных конденсаторов. Как прави­ло, это тоже приводит к уменьшению усиления усилителя.

На высоких частотах (ВЧ) начинают сказываться инерци­онность транзистора, емкости его переходов, а также паразитные ем­кости монтажа, возникающие между выводами радиоэлементов и корпусом устройства. Указанные емкости невелики. Однако с ростом частоты сопротивление внутренних емкостей транзистора и паразитных

емкостей монтажа уменьшается, и в пределе, при f ® ¥, выводы транзистора по переменному напряжению оказываются закороченными, а выводы радиоэлементов – соединенными с корпусом. Поэтому коэффициент усиления усилителя с ростом частоты уменьшается в пределе до нуля.

Для описания частотных свойств резистивного усилителя вводятся две граничные частоты: f_НЧ и f_ВЧ – граничные частоты для областей низких и высоких частот соответственно (рис. 2.7). Как правило, они определяются при условии равенства 0,707 от значения коэффициента усиления усилителя в области средних частот. Например, для телефонных кана­лов связи эти частоты обычно равны:

f_НЧ = 300 Гц;              f_ВЧ = 3400 Гц.

Все усилители для телефонной линии должны обеспечивать усиление в указанном диапазоне частот. В противном случае ухудшится качество связи, и, например, будет плохо работать модем компьютера.

Резонансный усилитель

Резонансный усилитель – это усилитель, в качестве нагрузки ко­торого используется колебательный контур. В схеме резонансного усилителя с общим эмиттером (рис. 2.8) в качестве коллекторной нагрузки используется па­раллельный колебательный контур.

Подадим на вход каскада напря­жение с частотой (w), равной резонансной частоте колебательного кон­тура:

С такой же частотой будет изменяться ток коллек­тора, вызывая колебания в контуре. Как известно, на резонансной частоте индуктивная и емкостная составляющие проводимости конту­ра одинаковы, а их сумма равна нулю:

Следовательно, переменный ток коллектора будет протекать только по резисторам R_К и R_Н (см. рис. 2.8). Так как, как правило, R_К >> R_Н, то большая часть тока поступает на выход каскада, создавая на резисторе нагруз­ки R_H большое выходное напряжение. Если частота входного сигнала (w) больше или меньше резонансной частоты (w_Р), то взаимной компен­сации проводимостей катушки и конденсатора контура не происходит, и переменный ток начинает ответвляться через катушку или конден­сатор, не поступая на выход каскада.

Амплитудно-частотная характеристика резонансного усилителя имеет вид (рис. 2.9). На ней отмечены резонансная частота усили­теля (f_Р), максимальный коэффициент усиления (К₀) и полоса пропуска­ния усилителя (П), определяемая по уровню 0,707К₀..

Найдем основные показатели резонансного усилителя: коэффици­ент усиления, АЧХ и полосу пропускания. Используя формулу (2.1) для усилителя с общим эмиттером и учитывая, что проводимость па­раллельного контура равна

,

получим:

_{mg width=208 height=50 src=https://electrono.ru/wp-content/image_post/electronika_lanovenko/pic28_2.gif>}.                                         (2.4)

где R_CH – суммарное сопротивление параллельно соединенных R_K,  R_H  и r_KЭ.

На резонансной частоте выражение в круглых скобках в знаме­нателе формулы (2.4) равно нулю, и модуль коэффициента усиления ра­вен К₀ = SRc_Н.  Так как резонансный усилитель используется на часто­тах вблизи резонанса, то удобно ввести расстройку частоты Dw = w – w_Р. Учитывая, что Dw  <<  w_Р формулу (2.4) преобразуем к виду:

,                                                (2.5)

где Q = R_CH/r – добротность контура, r = w_РL = 1/w_РC – характе­ристическое сопротивление контура.

Модуль полученного выражения (2.5) дает АЧХ резонансного усилителя:

.                                               (2.6)

Подставляя в левую часть равенства (2.6) значение АЧХ, соответствующее границе полосы пропускания (см. рис. 2.9, точка А), а в правую часть вместо расстройки величину П/2, получим формулу для полосы пропускания усилителя:

П = f_P/Q.

Из последней формулы следует, что полоса пропускания резонансного усилителя при заданной резонансной частоте определяется добротностью колебательного контура. На практике добротность Q > 10. Поэтому резонансные усилители, как правило, обладают повышенной избира­тельностью, то есть способностью пропускать сигналы только вблизи резонансной частоты и не пропускать сигналы, частоты которых существенно отличается от частоты резонанса.

Резонансные усилители широко используются в приемниках для выделения и усиления сигналов нужной радиостанции и подавления сигналов других радиостанций. Для повышения избирательности в высококачественных резонансных усилителях вместо простейшего параллельного колебательного контура используются сложные поло­совые фильтры, содержащие несколько колебательных контуров.