Основные теоретические положения. 1. Назначение и принцип работы усилителя переменного напряжения

1. Назначение и принцип работы усилителя переменного напряжения.

Усилители позволяют преобразовать периодические сигналы малых напряжений (от 10^-7В) и токов (от 10^-14А) в сигналы такой же формы, но значительно больших значений напряжения, тока, мощности. Усиление сигнала осуществляется за счёт энергии источника питания.

Для анализа работы усилительного каскада воспользуемся его схемой замещения (рис.1,б). Транзистор является управляемым элементом: управляющим сигналом U_ВХ или i_Б можно изменить плотность потока электронов через эмиттер и коллектор, т.е. изменить его сопротивление. Поэтому на схеме замещения транзистор изображён нелинейным элементом, сопротивление которого зависит от входного сигнала R(i_Б). Работу транзистора как нелинейного элемента (рис.1,б) удобно описывать переходной характеристикой, представляющей собой зависимость тока коллектора от тока базы I_К = F(I_Б) при постоянных значениях E_К и R_K. В качестве примера на рис.2 представлена переходная характеристика транзистора КТ312А при Е_К = 15 В и R_К = 600 Ом.

Она наглядно показывает усилительные свойства транзистора по току. В точке А коэффициент усиления транзистора по току

Таким образом, в схеме усилительного каскада транзистор выполняет роль усиления входного тока i_Б. Резистор R_K служит для преобразования выходного тока i_K в выходное напряжение: U_ВЫХ = Е_К - R_Ki_K.

На переходной характеристике транзистора можно выделить участки, определяющие его различные режимы работы.

Участок 1-2 (I_Б £ 0) соответствуют режиму отсечки, в котором оба р – n перехода транзистора закрыты и I_K» 0. Участок 3 - 4 (I_Б ³ I_Б.НАС) соответствует режиму насыщения. В этом режиме оба перехода открыты и I_K = I_K.MAX. Участок 2 – 3 соответствует усилительному режиму, в котором изменение тока I_Б вызывает пропорциональное изменение I_К.

При работе транзистора в усилительном каскаде режимы отсечки и насыщения не используются. Это достигается, во-первых, путём подключения базы транзистора к источнику питания через резистор R_Б (рис.1) и, во-вторых, ограничением амплитуды входного сигнала U_ВХ(t) £ U_ВХ.MAX. Величина R_Б выбирается такой, чтобы при отсутствии входного сигнала рабочая точка А (точка покоя), определяемая значением I_БО = (Е_К – U_БЭ) / R_Б»Е_К / R_Б, находилась в центре линейного участка переходной характеристики транзистора (рис.2). Наглядно работу усилителя можно представить с помощью временных диаграмм сигналов в их причинной последовательности: U_ВХ(t)®i_Б(t)®i_K(t)®U_ВЫХ(t)®U_ВЫХ~ (t)

Диаграммы (рис.3) описывают работу усилителя с транзистором КТ312А, R_K = 600 Ом, Е_К = 15 В, R_Б = 37 кОм. Синусоидальный входной сигнал U_ВХ(t) с амплитудой 0,05В(рис.3,а) подаётся а входные клеммы усилительного каскада. Он вызывает синусо-идальный входной ток i_ВХ(t) с амплитудой 0,2мА, который сум-мируется с постоян-ным током I_БО = 0,4мА. Таким образом, в базе

течёт ток i_Б(t) = I_БО + i_ВХ(t) (рис.3,б); изменяющийся в пределах 0,2 …0,6 мА.

Колебания тока i_Б(t) в соответствии с переходной характеристикой (рис.2) вызывают изменения коллек-торного тока в значительно большем диапазоне 7 … 21 мА (рис.3,в). С помощью резистора R_К колебания тока i_К(t) преобразуются в колебания выходного напряжения (рис.3,г). Напряжение U_ВЫХ(t) имеет постоянную составляющую U_КО, которая не является функционально необходимой. Для выделения на нагруз-ке Z_H только переменной состав-ляющей усиленного сигнала U_ВЫХ~(t) (рис.3,д) в выходной цепи каскада устанав-ливается раздели-тельный конденсатор С_Р, который имеет бесконечно большое сопротивление для постоянного тока и малое (X_Cp<<Z_H) для переменного. Таким образом, из анализа диаграмм (рис.3) следует, что синусоидальные колебания входного сигнала с амплитудой 0,05 В вызывают колебания выходного напряжения усилителя со значительно большей амплитудой (около 4 В), причём сигналы U_ВХ(t) и U_ВЫХ~(t) находятся в противофазе.

2. Основные характеристики усилителя.