Электронные усилители

В автоматике применяются электронные усилители двух типов: усилители с непосредственной связью между каскадами (их часто называют усилителями постоянного тока) и усилители переменного тока. Эти усилители могут быть выполнены как на отдельных полупроводниковых элементах, так и на основе интегральной базе (например, на операционных усилителях).

Усилители постоянного тока (УПТ). Эти усилители применяют в тех случаях, когда сигнал ошибки формируется в виде медленно изменяющегося напряжения. При разработке УПТ возникают три основные проблемы: ликвидация дрейфа нуля, уменьшение уровня шумов и обеспечение необходимой мощности на выходе для питания мощной нагрузки.

Дрейфом называется явление самопроизвольного изменения выходного напряжения усилителя с течением времени. К основным причинам дрейфа можно отнести изменение напряжения источников питания УПТ, изменение температуры как окружающей среды, так и температуры самих электронных элементов.

Усилители переменного тока на транзисторах. В зависимости от того, какой электрод транзистора является общим для входной и выходной цепи, различают: схему включения с общей базой, схему включения с общим эмиттером, схему включения с общим коллектором.

Принципиальная электрическая схема усилителя переменного тока на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером (ОЭ) приведена на рис. 3.2, а. Расчет параметров каскада в режиме покоя по постоянному току проводят графоаналитическим методом с использованием статических входных и выходных вольтамперных характеристик (ВАХ) (рис. 3.2, б, в).

а б в

Рис. 3.2. Усилитель переменного тока
на биполярном транзисторе по схеме с ОЭ:
а – принципиальная электрическая схема;
б – статические входные ВАХ; в – выходные ВАХ

Резисторы R ₁ и R₂ задают режим покоя каскада, при котором в транзисторе протекают только постоянные токи покоя базы I _Бп, коллектора I _Кп и эмиттера I _Эп.

На базе, коллекторе и эмиттере действуют постоянные напряжения покоя U _Бп, U _Кп, U _Эп.

Конденсаторы С ₁ и С ₂ – разделительные. Конденсатор С ₁ служит для препятствия протекания постоянного тока на источник сигнала. Конденсатор С ₂ препятствует прохождению постоянного напряжения на резистор R_H. На этом резисторе действует переменная составляющая коллекторного напряжения. Резис-тор R_Э определяет ток покоя через транзистор при заданном напряжении U _Бп. Этот резистор для переменного сигнала является отрицательной обратной связью, предназначенной для стабилизации режима покоя транзистора при изменении его температуры. При увеличении (например, из-за роста температуры) тока коллектора покоя I _Кп возрастают ток эмиттера покоя I _Эп и падение напряжения на резисторе R_Э, поскольку U_{Э п} = I_{Э п} R_Э.

Так как напряжение U_{Б п} фиксировано делителем R ₁, R₂, то с увеличением U_{Э п} происходит подзакрывание транзистора. Таким образом, происходит частичная балансировка режима работы транзистора в режиме покоя.

Введение резистора R_Э изменяет работу каскада и при усилении переменного входного сигнала. Переменный ток эмиттера создает на резисторе падение напряжения U_Э = I_ЭR_Э, которое уменьшает усиливаемое напряжение. Коэффициент усиления каскада по напряжению определяется как:

.

Для исключения влияния резистора R_Э при протекании переменного тока он шунтирован конденсатором С _Э достаточно большой емкости. При наличии конденсатора общее сопротивление в цепи эмиттера

,

где

Для определения параметров выходного сигнала в динамическом режиме усиления сопротивление нагрузки R _н подключается параллельно сопротивлению R _K.

Общее сопротивление в цепи коллектора

R _KО = R _K R _н/(R _K + R _н).

При этом следует учитывать, что Х_С2 = 0. Поскольку
R _K > R _KO, то нагрузочная прямая проходит по линии СД.

Рассмотренный каскад дает ограниченное усиление из-за того, что сопротивление R _K определяет рабочую точку на выходных характеристиках по постоянному току с учетом допустимых нелинейных искажений. С увеличением R _K нелинейные искажения увеличиваются. Чтобы исключить эту зависимость, применяют динамическую коллекторную нагрузку.

Принципиальная электрическая схема усилителя переменного тока на полевом транзисторе приведена на рис. 3.3, а. Эквивалентная электрическая схема показана на рис. 3.3, б. Емкость С _о является здесь входной емкостью второго каскада.

а б в

Рис. 3.3. Усилитель напряжения на полевом транзисторе:
а – принципиальная электрическая схема;
б – эквивалентная схема; в – частотная характеристика

По эквивалентной схеме можно рассматривать работу усилителя на различных частотах. В средней части частотного диапазона (от 200 до 3000 Гц) общее сопротивление емкости С ₀ достаточно большое и она не шунтирует сопротивления R _с и R _з, поэтому общее сопротивление в стоке транзистора

Коэффициент усиления каскада

где I _с – ток в стоке транзистора; m – статический коэффициент усиления полевого транзистора, ; a = R_i / R ₁ – коэффициент нагрузки.

Поскольку можно считать, что R ₁/ R _с > > (1 + R_i / R _з), тогда коэффициент усиления в средней части частотного диапазона

,

где S – крутизна характеристики полевого транзистора.

Необходимость в разработке многокаскадных усилителей связана с тем, что получить большой (более 100) коэффициент усиления на одном активном элементе практически нельзя. Многокаскадные усилители должны строиться с таким расчетом, чтобы при большом коэффициенте усиления в устройстве не возникали паразитные колебания. Для исключения паразитных возбуждений приходится применять специальные меры. К ним относятся:

разделение общего коэффициента усиления на нечетное число каскадов;

питание каждого каскада от своего источника (или имеется индивидуальная конденсаторная развязка);

максимальное удаление выхода последнего каскада от входа первого каскада.

Мощные усилители низкой частоты являются необходимым элементом большинства автоматических систем. Одним из основных параметров этих усилителей является коэффициент усиления по мощности, который зависит от сопротивления нагрузки и входного сопротивления, а также от изменения питающего напряжения.