Теоретичні відомості до лабораторної роботи

Підсилювачем називається пристрій, призначений для збільшення (підсилення) потужності електричних сигналів.

Потужність вихідного сигналу відносно потужності вхідного сигналу збільшується за рахунок енергії джерела живлення.

Принцип підсилення полягає в тому, що малопотужний вхідний сигнал керує потоком енергії значно більшої потужності, яка надходить від джерела енергії (джерела живлення) у навантаження. З цією метою між джерелом живлення та навантаженням включений підсилювальний елемент (наприклад, транзистор), опір якого змінюється під впливом вхідного сигналу.

Основними параметрами підсилювача є:

1. Коефіцієнт підсилення – це відношення вихідного параметра до вхідного: – коефіцієнт підсилення за напругою; – коефіцієнт підсилення за струмом; – коефіцієнт підсилення за потужністю.

Підсилювач, насамперед, підсилює потужність електричного сигналу.

2. Вхідний опір – це опір між вхідними клемами підсилювача для змінного струму: .

3. Вихідний опір – це опір між вихідними клемами підсилювача для змінного струму: .

4. Коефіцієнт корисної дії (ККД) підсилювача – це відношення потужності, що надходить у навантаження, до потужності, яка споживається від джерела живлення: . (Примітка: В електричних колах постійного струму потужність визначається як Р = UI, де U – напруга, I — сила струму. В колах змінного струму добуток миттєвих значень напруги u та струму i є миттєвою потужністю: р = ui, тобто потужністю в даний момент часу, яка є змінною величиною).

Процеси в підсилювачі характеризуються декількома основними характеристиками.

Амплітудно-фазочастотна характеристика.

У загальному випадку, вихідна напруга та струм підсилювача зміщенні за фазою відносно вхідної напруги та струму , що обумовлено наявністю в схемах реактивних елементів. У зв'язку з цим, коефіцієнт підсилення за напругою та струмом є величиною комплексною, яка характеризується модулем і фазою: ; .

Модуль коефіцієнта підсилення підсилювачів і його фаза залежать від частоти сигналу, який підсилюється.

Амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) – це залежність модуля коефіцієнту підсилення підсилювача від частоти сигналу, який підсилюється: .

Фазочастотна характеристика (ФЧХ) – це залежність фазового зсуву між вхідним і вихідним сигналами від частоти : .

Приклад АЧХ і ФЧХ показаний на рис. 4.2.

а) б)

Рис. 4.2 АЧХ (а) та ФЧХ (б) підсилювача

Внаслідок наявності в схемі підсилювача реактивних елементів, а також через частотні властивості транзистора коефіцієнт підсилення підсилювача, має різні значення на різних частотах. Це явище називається частотними спотвореннями підсилювача. Для їх оцінки вводиться параметр – коефіцієнт частотних спотворень М, який дорівнює відношенню коефіцієнта підсилення на середніх частотах (СЧ) до коефіцієнта підсилення на даній частоті :

. (4.1)

Частоти, на яких коефіцієнт спотворень М досягає гранично припустимого значення, називаються верхньою та нижньою граничними частотами.

Різниця називається смугою пропускання підсилювача.

Часто, значення коефіцієнта М приймають рівним: . Тоді граничні частоти згідно виразу (4.1) визначаються на рівні: .

Важливою для підсилювача є також амплітудна характеристика – залежність амплітуди вихідного сигналу від амплітуди вхідного (рис. 4.3).

Рис. 4.3 Амплітудна характеристика

Для ідеального підсилювача амплітудна характеристика є прямою лінією, що проходить через початок координат.

Амплітудна характеристика реального підсилювача збігається з характеристикою ідеального лише на ділянці аб (див. рис. 4.3).

При вхідних сигналах вихідна напруга підсилювача перестає зростати, оскільки при цьому підсилювач переходить з режиму А лінійного підсилення в режим В (рис. 4.4). Результатом є спотворення вихідного сигналу.

При вхідних сигналах вихідна напруга підсилювача залишається практично постійною і рівною . Напруга називається напругою власних шумів підсилювача. Власні шуми підсилювача це паразитні коливання, які спричиняються зовнішніми завадами, неідеальністю джерел живлення, процесами в елементах перетворювача (наприклад, в реактивних елементах), які сприймаються підсилювачем як корисні сигнали і, відповідно, підсилюються ним. Якщо амплітуда вхідного сигналу буде меншою за амплітуду власних шумів, цей сигнал не буде вирізнений, тому за допомогою підсилювача неможливо підсилювати сигнали з амплітудою .

а) б)

Рис. 4.4. Прохідна характеристика підсилювача , форми вхідного та вихідного сигналів для режиму лінійного підсилення А (а) та нелінійного підсилення В (б).

Відношення називається динамічним діапазоном підсилювача.

Найбільше поширення одержали підсилювачі, у яких транзистор включений за схемою зі спільним емітером. Такі підсилювачі забезпечують максимальний коефіцієнт підсилення за потужністю.

Підсилювач із резистивно-ємнісним зв'язком ( – підсилювач) – це багатокаскадний підсилювач, у якому зв'язок між каскадами здійснюється через розділяючі конденсатори. На рис. 4.5 зображена схема одного каскаду підсилення.

Рис. 4.5 Схема однокаскадного – підсилювача

Основним елементом підсилювального каскаду є транзистор , який забезпечує підсилення електричного сигналу.

Резистори , є вхідним дільником напруги. Вони визначають напругу зміщення, яка подається у вхідне коло транзистора між базовим та емітерним виводами. Таким чином задається положення робочої точки на вхідній ВАХ транзистора, яке в свою чергу визначає положення робочої точки на вихідних ВАХ і визначає клас підсилення підсилювача.

Опір є колекторним навантаженням транзистора. За допомогою цього резистора задається режим роботи колекторного ланцюга транзистора по постійному струму (визначається нахил навантажувальної характеристики, яка будується на вихідних ВАХ транзистора і на перетини якої з цими характеристиками визначається робоча точка для вихідного каскаду – рис. 4.6).

Резистор забезпечує негативний зворотний зв'язок по постійному струму і призначений для термостабілізації робочої точки транзистора. Оскільки струм через транзистор в схемі рис. 4.5 протікає знизу вгору, то на емітерному виводі транзистора наявний „–” потенціал. Збільшення температури призводить до зростання теплового струму транзистора (див. л.р. №2), і, як наслідок, до збільшення загального струму колектора: . Зростання струму колектора призводить до збільшення струму емітера згідно співвідношення . Зростання струму емітера викликає збільшення падіння напруги на резисторі і, відповідно, збільшення „–” потенціалу на емітері. Для транзистора p-n-p типу, який використаний в даній схемі, негативний потенціал на емітері призводить до призакривання приладу, і, як наслідок, до зменшення струму колектора. Таким чином здійснюється температурна стабілізація положення робочої точки.

Конденсатор по змінному струму шунтує резистор і виключає негативний зворотний зв'язок по змінному струму. Завдяки цьому процеси стабілізації робочої точки реалізуються лише для постійної складової.

Розділяючий конденсатор розділяє джерело вхідного сигналу та вхід підсилювача по постійному струму. Оскільки опір конденсатора для змінного струму є незначним, то на вхід підсилювального елементу подається чисто синусоїдальний сигнал, який в подальшому підсилюється. Крім того, завдяки цьому конденсаторові постійна напруга з резистивного дільника , не буде впливати на режим роботи джерела вхідного сигналу .

Конденсатор виконує аналогічні функції у вихідному колі. У результаті, в навантаження буде надходити виключно змінна складова підсиленого сигналу.

Якщо підсилювач багатокаскадний, то навантаження є вхідним опором наступного каскаду.

Принцип роботи транзисторного підсилювача полягає в тому, що при невеликій зміні вхідного сигналу, який подається між базою і емітером транзистора, струм бази зміниться на деяке значення . При цьому, струм колектора зміниться на значно більше значення . Навантаженням транзистора по змінному струму є резистори та , увімкнені паралельно. Отже, еквівалентний опір навантаження транзистора по змінному струму . Принцип підсилення наочно ілюструє рис. 4.6.

Початкове положення робочої точки Р задається відповідним вибором резисторів дільника (рис. 4.5), і визначається значенням напруги у вхідному колі . Спроектувавши точку на вхідну характеристику визначається положення робочої точки Р та струм бази , що відповідає їй (рис. 4.6.а).

а) б)

Рис. 4.6. Графічна ілюстрація процесу підсилення в підсилювачі на біполярному

транзисторі

На вихідних характеристиках обирається характеристика, знята для струму і визначається положення робочої точки як точка перетину даної характеристики з навантажувальною прямою. Для робочої точки визначаються початкові значення струму та напруги (рис. 4.6.б).

Під впливом напруги вхідного сигналу змінюється величина струму бази. Проекція амплітудних значень вхідного сигналу на вхідну характеристику дає два значення струму бази та (точки 1 та 2 на рис. 4.6). Зміна базового струму викликає у колекторному колі пропорційну зміну струму колектора (відповідно струми та ). Зростання колекторного струму, в свою чергу, призводить до збільшення падіння напруги на еквівалентному опорі навантаження .

Проекцією точок 1 та 2 на вісь напруг вихідних характеристик здійснюється побудова вихідного підсиленого сигналу . З графіків видно, що в схемі відбувається поворот фази синусоїдальної вхідної напруги на 180⁰ (вхідна напруга та вихідна напруга знаходяться в протифазі).

Режим роботи підсилювача і клас підсилення визначаються вибором робочої точки Р на вхідній і вихідній динамічних характеристиках транзистора. Для одержання максимальної вихідної потужності на навантаженні динамічна навантажувальна характеристика вибирається таким чином, щоб вона перебувала поблизу лінії гранично припустимого режиму , але не перетинала її. У режимі підсилення класу А робоча точка Р вибирається приблизно посередині динамічної навантажувальної характеристики. Побудовані графіки дозволяють визначити основні параметри підсилювального каскаду:

Розглянута схема має АЧХ, показану на рис. 4.2. Зниження коефіцієнта підсилення на низьких частотах (НЧ) пов'язане з наявністю в схемі розділових конденсаторів , а також конденсатора . При зниженні частоти опір конденсаторів зростає. У результаті, падіння напруги на них збільшується, що призводить до зменшення амплітуди сигналу, що надходить на вхід підсилювального елементу, і, відповідно, підсиленої напруги на навантаженні. В області середніх частот (СЧ) опір конденсаторів , стає зневажливо малим і його можна не враховувати. В області високих частот (ВЧ) починають проявлятися частотні властивості транзистора (почерговий перехід транзистора з режиму насичення в режим відсічки в навпаки – ключовий режим роботи) і його коефіцієнт підсилення падає (оскільки підсилення можливе лише в активному режимі). Розглянута схема підсилювального каскаду підсилює як струм (), так і напругу (), завдяки чому вона знаходить широке застосування як складова частина різних транзисторних пристроїв.

Емітерний повторювач – це підсилювальний каскад, зібраний за схемою із спільним колектором. Схема емітерного повторювача наведена на рис. 4.7.

Рис. 4.7. Схема однокаскадного емітерного повторювача

Призначення переважної частини елементів даної схеми аналогічне попередній. Але оскільки навантаження в схемі СК вмикається в коло емітера, то резистор є навантаженням схеми по постійному струму і задає робочу точку вихідного ланцюга транзистора. Навантаженням транзистора по змінному струму є паралельно включені опори та . Еквівалентний опір навантаження .

Вихідна напруга підсилювача на рис. 4.7: . Оскільки в транзисторі напруга дуже мала (в активному режимі перехід база-емітер транзистора відкритий, і падіння напруги на ньому мінімальне), можна вважати, що .Отже, емітерний повторювач не підсилює напругу (). Однак схема забезпечує підсилення струму, оскільки . Таким чином, емітерний повторювач забезпечує підсилення струму і потужності.

У схемі емітерного повторювача відсутній шунтувальний конденсатор . Отже, вся вихідна напруга виділяється на резисторі . Відносно переходу база-емітер транзистора ця напруга включена послідовно і зустрічно із вхідною напругою. Таким чином, у схемі реалізується послідовний негативний зворотний зв'язок по вихідній напрузі. У зв'язку із цим, емітерний повторювач має великий вхідний і малий вихідний опір. Зазначені властивості емітерного повторювача визначають області його застосування. Емітерний повторювач використовується як підсилювач струму та як елемент узгодження високоомного джерела вхідного сигналу з низькоомним навантаженням.

Оскільки в емітерному повторювачі реалізується глибокий негативний зворотний зв'язок, він відповідним чином впливає на параметри та характеристики підсилювача. Зокрема, поліпшується амплітудно-частотна характеристика і розширюється смуга пропускання, зменшуються лінійні та нелінійні спотворення, і т.д., однак коефіцієнт підсилення за напругою значно падає.

Контрольні питання

1. Основні режими роботи біполярного транзистора (стан pn- переходів для кожного режиму роботи).

2. Визначення підсилювача.

3. Основні параметри підсилювача.

4. Що таке амплітудно-частотна характеристика підсилювача? Зовнішній вигляд.

5. Що таке фазочастотна характеристика підсилювача? Зовнішній вигляд.

6. Що таке амплітудна характеристика? Зовнішній вигляд.

7. Явище частотних спотворень підсилювача. Коефіцієнт частотних спотворень.

8. Пояснити як за експериментально знятими характеристиками визначити смугу пропускання та добротність підсилювача.

9. Вигляд амплітудної характеристики ідеального підсилювача.

10. Пояснити як за експериментально знятими характеристиками визначити динамічний діапазон підсилювача.

11. Чим зумовлений спад амплітудно-частотної характеристики на низьких (НЧ) та високих (ВЧ) частотах?

12. Чим зумовлена відмінність амплітудної характеристики реального підсилювача від ідеальної для високих напруг?

13. Що таке власні шуми підсилювача?

14. Що таке динамічний діапазон підсилювача?

15. По якій схемі увімкнений транзистор в емітерному повторювачі?

16. Які властивості транзистора дозволяють використовувати його як підсилювальний елемент?

17. Чому емітерний повторювач не підсилює напругу?

18. Призначення елементів схем RC -підсилювача та емітерного повторювача.

19. Види зворотного зв'язку в підсилювачах.

20. Режими роботи підсилювальних каскадів.