4.13. Усиление постоянного и переменного напряжения и тока

Усиление постоянного и переменного напряжений и тока может быть получено с помощью нелинейных управляемых элементов и дополнительных источников. Соответственно в усилителе постоянного тока используются дополнительные источники постоянного тока, а в усилителе переменного тока (напряжения) используются дополнительные источники переменного тока (напряжения). Такие усилители можно представить активными четырехполюсниками (рис. 4.77).

В усилителях малым входным приращениям di₁ соответствуют большие выходные приращения di₂. Если отношение

di₂/di₁ = K_i > 1

говорят, что усилитель У является усилителем тока. Или для напряжений: du₂/du₁ = K_u > 1– коэффициент усиления напряжения.

Произведение коэффициентов K_i и K_u определяют коэффициент усиления мощности:

K_p = K_i K_u .

Если приращения di и du на входе или на выходе медленно изменяются во времени, то речь идет об усилителях постоянного тока или напряжения. Тогда в стационарном состоянии усилителя отношение токов:

I₂/I₁ > 1.

Если на вход усилителя подать переменный ток с действующим значением I₁, а на выходе снять действующее значение тока I₂, то усилитель будет усилителем переменного тока.

Усилительный каскад на транзисторе

Рассмотрим цепь усилительного каскада с общим эмиттером (рис. 4.78)

Рассчитаем усилительный каскад графическим методом по серийным семействам входных и выходных характеристик (рис. 4.79).

Составим уравнения входных и выходных характеристик. Для выходного контура:

E_k = I_k R_k + U_кэ.

Аналогично, для входного контура:

U₁ = I_б R_б + U_бэ.

Входные характеристики (рис. 4.79, а) сняты при условии U_кэ = const, а выходные (рис. 4.79, б) – при условии I_б = const.

Уравнения второго закона Кирхгофа для выходной части цепи называют уравнениями рабочей характеристики. Уравнение рабочей характеристики есть уравнение прямой. Построить эту характеристику можно по двум точкам. При токе коллектора, равном нулю (I_k = 0), напряжение U_кэ = Е_к, и при напряжении U_кэ = 0 ток коллектора равен:

I_k = E_k / R_k .

После построения рабочей характеристики проверяется тепловой режим работы транзистора.

Далее рассчитывается мощность, которую транзистор может рассеять (рис. 4.79, б прерывистая линия):

Эта прерывистая линия, линия допустимой мощности, не должна пересекать рабочую характеристику.

Рассчитаем режим усиления постоянного тока. Если напряжение U₁ = 0, то ток I_б = 0 и напряжение U_бэ = 0.

Подадим на вход напряжение U₁ > 0. Появится ток базы, и на семействе выходных характеристик ток коллектора и напряжение U_кэ. Для получения необходимого коэффициента усиления потенциал базы предварительно смещают, например, на напряжение U1 (рис. 4.79, а). При этом, чем круче кривая входной характеристики, тем больше коэффициент усиления.

Рассмотрим режим усиления переменного тока. Подадим на вход напряжение:

u_вх(t) = U_1m sint.

Точки пересечения берем по крайней входной характеристике. На семействе выходных характеристик найдём точки пересечения отмеченных точек входных характеристик по току базы. Спроектируем входное напряжение u_вх(t) = u₁(t) на семейство выходных характеристик. Получим выходное напряжение u_вых(t) = u₂(t).

По отношению амплитуд можно определить коэффициент усиления:

К_u = U_mкэ / U_mвх.

Рассмотренные режимы работы транзистора являются составляющими режима класса А (режим прямого усиления). Ещё существуют режимы работы В и С. Это такие режимы, когда используется отрицательная область U_бэ.