Глава вторая. ТРАНЗИСТОРНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

2.1. ПЕРЕДАТОЧНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА

Усилителями называются устройства, в которых сравнительно маломощный входной сигнал управляет передачей значительно большей мощности из источника питания в нагрузку. Наибольшее распространение получили усилители, построенные на полупроводниковых усилительных элементах (биполярных и полевых транзисторах); в последние годы усилители преимущественно используются в виде готовых неделимых компонентов — усилительных ИМС. Простейшая ячейка, позволяющая осуществить усиление, называется усилительным каскадом.

Электрические сигналы, подаваемые на вход усилителей, могут быть чрезвычайно разнообразны; это могут быть непрерывно изменяющиеся величины, в частности гармонические колебания, однополярные или двухполярные импульсы. Как правило, эти сигналы пропорциональны определенным физическим величинам. В установившихся режимах многие физические величины постоянны либо изменяются весьма медленно (напряжение и частота сети, частота вращения двигателя, напор воды на гидроэлектростанции). В переходных и особенно аварийных режимах те же величины могут изменяться в течение малых промежутков времени. Поэтому усилитель должен обладать способностью усиливать как переменные, так и постоянные или медленно изменяющиеся величины. Такие усилители являются наиболее универсальными и распространенными.

По традиции их называют усилителями постоянного тока (УПТ), хотя такое название и не вполне точно: УПТ усиливают не только постоянную, но и переменную составляющую (приращения сигнала) и в подавляющем большинстве случаев они являются усилителями напряжения, а не тока. В УПТ нельзя связывать источник и приемник сигнала через трансформаторы и конденсаторы, которые не пропускают постоянной составляющий сигнала. Это условие вызывает некоторые трудности при создании УПТ, с которыми мы познакомимся ниже, но оно же обусловило еще большее распространение УПТ с появлением микроэлектроники: УПТ не содержат элементов, выполнение которых в составе ИМС невозможно (трансформаторы и конденсаторы большой емкости).

Для того чтобы рассмотреть принцип действия простейшего усилительного каскада, включенного по схеме с общим эмиттером , вернемся к схеме рис. . Изобразим эту схему с транзистором n-p-n-типа в другом виде (см. рис. 2.1). Источник напряжения , где обозначено на выходной характеристике транзистора (рис. 1.7, о), связан с коллекторным электродом транзистора через сопротивление нагрузки Входной сигнал подается на базу транзистора (напряжение и ток ). Построим зависимость называемую передаточной характеристикой каскада.

Рис. 2.1. Простейшая схема включения транзистора с ОЭ

При увеличении напряжения растет ток (см. входную характеристику транзистора рис. при ), растет и ток коллектора: [см. выражение (1.4)]. В результате увеличивается падение напряжения на резисторе , уменьшается напряжение (рис. 2.2). При достижении напряжения дальнейшее увеличение не вызывает изменений напряжения и тока , протекающего через резистор . В этом режиме к приложено напряжение , и поэтому ток коллектора

Рассмотрение передаточной характеристики каскада показывает, что при изменении напряжения или тока в цепи маломощного источника сигнала можно изменить ток и напряжение в цепи более мощного источника .

Однако коллекторное напряжение можно изменять лишь в пределах , а ток — в пределах II на передаточной характеристике). При отрицательных и на участке I через транзистор протекает только малый неуправляемый ток коллекторного перехода, а на участке III и транзистор, как было указано в § 1.5, теряет свойства усилительного элемента. Еще один вывод, который можно сделать из анализа передаточной характеристики рассмотренного усилительного каскада: при увеличении (участок II) уменьшается. Усилитель, в котором приращение выходного сигнала противоположно по знаку приращению входного сигнала, называется инвертирующим.

Передаточная характеристика каскада позволяет нам рассмотреть различные способы работы каскада, называемые классами усиления.

На рис. 2.2 показаны произвольный двухполярный входной сигнал и форма кривой напряжения на коллекторе в различных режимах (классах усиления). При работе в классе усиления В . Нелинейность передаточной характеристики каскада приводит к тому, что в классе В на выход передается сигнал только одной полярности: . Класс В в рассмотренном простейшем каскаде можно использовать только для передачи не столь часто встречающихся однополярных сигналов. При передаче Двухполярного напряжения форма его искажается, часть информации безвозвратно теряется.

Рис. 2.2. Передаточная характеристика транзисторного каскада с ОЭ

При работе в классе усиления А на вход усилителя одновременно со входным сигналом подается также постоянное напряжение смещения, так что (см. временные диаграммы сигналов на рис. 2.2). Благодаря смещению в кривой напряжения входной сигнал воспроизводится полностью, практически без искажений формы, так как значения постоянно соответствуют участку II передаточной характеристики. Режим работы усилителя, когда включены источники питания и подано смещение, но , называется режимом покоя. В этом режиме При приложении отрицательного (или положительного) напряжения уменьшатся (или соответственно увеличатся) токи и падение напряжения на , в результате увеличится (уменьшится) напряжение , где — полезный эффект усиления.

При работе в ключевом режиме (режим большого сигнала) изменение входного напряжения захватывает участки I—III передаточной характеристики (см. временные диаграммы на рис. 2.2). Форма передаваемого сигнала искажается (ограничивается его амплитуда). Подобный режим работы каскада находит широкое применение в импульсной технике при передаче импульсов прямоугольной формы (см. § 3.2), где ограничение амплитуды импульсов несущественно.

Выбор класса усиления и выбор режима покоя определяет не только форму передаваемого сигнала, но и мощность потерь, вызывающую нагрев транзистора:

На диаграммах рис. 2.2 пунктиром изображена зависимость мощности в режиме покоя от напряжения смещения . Эта зависимость показывает, что выбор в середине участка II передаточной характеристики каскада соответствует максимальным потерям мощности в транзисторе. Более подробно этот вопрос рассматривается в § 2.17 в связи с построением каскадов усиления мощности.