Принцип электронного усиления

Рассмотрим физические процессы, имеющие место в усилителе, на примере усилительного каскада, приведенного на рисунке 2.26.

Рисунок 2.26 – Усилительный каскад с общим эмиттером

Каскад содержит: усилительный элемент (биполярный транзистор VT); источник постоянного напряжения для питания выходной (коллекторной) цепи E_к; резистор R_к в цепи коллектора, выполняющий функции коллекторной нагрузки, на которой выделяется выходное напряжение; делитель напряжения (базовый делитель), состоящий из резисторов R1 и R2, предназначенный для задания положения ИРТ на нагрузочной прямой; конденсаторы C_р1 и C_р2, обеспечивающие разделение постоянной и переменной составляющих усиливаемого сигнала (гальваническую развязку усилительного каскада по постоянному току с источником сигнала и нагрузкой). В качестве нагрузки усилительного каскада на переменном токе используется резистор R_н.

Рассмотрим работу каскада, используя графики для токов и напряжений, приведенные на рисунке 2.27. В исходном состоянии (при отсутствии входного сигнала, то есть при U_вх = 0), с базового делителя на вход транзистора VT подается положительное напряжение смещения U_БЭ0 (рисунок 2.27, а). При этом ток коллектора равен I_К » b_стI_Б0 = I_К0, а напряжение на коллекторе транзистора – (рисунок 2.27, б).

а б

Рисунок 2.27 – Иллюстрация работы усилительного каскада в режиме усиления

При подаче на вход каскада переменного синусоидального напряжения U_вх с амплитудой U_{т вх} (рисунок 2.27, а, б) это напряжение суммируется алгебраически с постоянной составляющей U_БЭ0, что приводит к дополнительному открыванию транзистора при положительной полуволне входного напряжения U_вх и частичному закрыванию транзистора при отрицательной полуволне этого напряжения. Изменение тока базы под воздействием изменяющегося напряжения приводит, в свою очередь, к аналогичному изменению тока коллектора (на отрезке [аб], рисунок 2.27, а) по закону входного сигнала. Таким образом, в рассматриваемом усилительном каскаде фаза тока в выходной цепи (тока коллектора) совпадает с фазой входного сигнала (рисунок 2.27, б).

Мгновенное напряжение на коллекторе транзистора с учетом второго закона Кирхгофа можно представить выражением

, (2.50)

где R_{К экв} – эквивалентное сопротивление коллекторной нагрузки транзистора на переменном токе:

. (2.51)

Мгновенный ток коллектора изменяется по закону изменения входного сигнала и при синусоидальном сигнале на входе усилительного каскада может быть описан выражением

. (2.52)

Тогда напряжение на коллекторе равно

, (2.53)

где U_КЭ0 – постоянная составляющая коллекторного напряжения (напряжение покоя);

U_тКЭ – амплитуда коллекторного напряжения при наличии переменного сигнала на входе усилителя.

Как видно из рисунка 2.27, б, при изменении входного напряжения в первом полупериоде и_КЭ уменьшается из-за увеличения тока i_К и падения напряжения на R_к, а во втором полупериоде – увеличивается. Фаза напряжения на коллекторе транзистора противоположна фазе входного напряжения.

Выходное переменное напряжение снимается с коллектора транзистора и через разделительный конденсатор С_р2 подается на сопротивление нагрузки R_н, являющейся потребителем усиленного колебания (рисунок 2.26). Конденсатор С_р2 пропускает только переменную составляющую, то есть разделяет коллекторное напряжение на переменную и постоянную составляющие, поэтому обычно его называют разделительным.

Входным током в рассматриваемом усилительном каскаде является ток базы, а выходным – ток коллектора. Следовательно, коэффициент усиления тока

, (2.54)

то есть каскад обеспечивает усиление тока.

Коэффициент усиления напряжения определяется из выражения

, (2.55)

где R_вх – входное сопротивление каскада.

При b_стR_{К экв} > R_вх коэффициент усиления напряжения усилительного каскада больше единицы, то есть каскад усиливает сигнал по напряжению. Благодаря большому сопротивлению коллекторной области транзистора, включение сопротивления R_к почти не влияет на значение амплитуды переменного тока коллектора. Это значит, что сопротивление резистора R_к можно выбирать достаточно большим, обеспечивая тем самым значительное усиление напряжения.