Усилитель

Рассмотрим усилительный каскад, выполненный на транзисторе структуры n-p-n (Рис. 1). Если на базе присутствует напряжение смещения, следовательно через коллекторную цепь течёт ток. Этот ток вызывает падение напряжения на сопротивлении нагрузки Rн, чем больше ток коллектора, тем больше падение напряжение: Uн=Iк*Rн. Ток коллектора управляется током базы. Для правильной работы усилителя необходимо подобрать ток базы так, чтобы ток коллектора вызвал падение напряжения на сопротивлении нагрузки, равное половине напряжения питания. Например, если напряжение питания 10 В, то на нагрузке должно быть 5 Вольт.

Рис. 1

Напряжение между эмиттером и коллектором назовём напряжением коллектора Uк (Рис. 2). Если сложить напряжение коллектора и напряжение нагрузки, то получится напряжение питания: Uк+Uн=Uп. Отсюда следует, что напряжение коллектора Uк=Uп-Uн. Учитывая, что Uн=Iк*Rн, получаем Uк=Uп-Iк*Rн.

Рис. 2

Меняя ток базы, можно менять напряжение коллектора. При увеличении тока базы, будет увеличиваться ток коллектора, а значит и напряжение нагрузки. Поэтому напряжение коллектора будет уменьшаться. Таким образом, можно нарисовать график зависимости напряжения коллектора от тока базы (Рис. 3). Чем выше сопротивление нагрузки, тем круче зависимость. Если сопротивление нагрузки равно нулю (когда коллектор напрямую соединён с «плюсом» источника питания), то напряжение коллектора всегда равно напряжению питания.

Рис. 3

Из графика видно, что для правильной работы усилителя необходимо, чтобы ток базы составлял 250 мкА (Рис. 4). При таком токе, напряжение коллектора равно половине напряжения питания.

Рис. 4

Пусть на вход усилителя подаётся сигнал с амплитудой 150 мкА. Рассмотрим правильную работу усилителя. Изменение тока базы на 150 мкА вызывает изменение напряжения коллектора на 4 Вольта. При правильном режиме работы усилителя, транзистор усиливает сигнал без искажений (Рис. 5).

Рис. 5

Если режим усилителя выбран неправильно, то сигнал на выходе будет искажён. Например, пусть ток базы равен 400 мкА. Если подать на базу сигнал с амплитудой 200 мкА, то при некоторых мгновенных значениях тока базы, напряжение коллектора будет равно нулю (Рис. 6).

Рис. 6

Ток базы определяется сопротивлением резистора в цепи базы (сопротивление смещения). Подбирая сопротивление этого резистора (при отсутствии входного сигнала), можно добиться такого тока базы и тока коллектора, чтобы на сопротивлении нагрузки была половина напряжения питания (Рис. 7). Обычно для маломощных транзисторов сопротивление смещения составляет от 100 до 300 кОм.

Рис. 7

Усилительный каскад на одном транзисторе обеспечивает усиление входного сигнала до 100 раз. Очень часто этого оказывается недостаточным. Поэтому в усилителе используют не один каскад усиления а два и более. Рассмотрим два одинаковых каскада усиления, подключённых к одному и тому же источнику питания (Рис. 8). Возникают два вопроса: 1) как подключить источник сигнала (например, микрофон), который необходимо усилить, ко входу первого каскада усиления? 2) как передать усиленное напряжение (или ток) с выхода первого каскада на вход второго каскада для дальнейшего усиления?

Рис. 8

Ответим сначала на второй вопрос. Напряжение на базе относительно эмиттера в правильно настроенном усилителе составляет 0,5-1 Вольт, а напряжение на коллекторе составляет половину напряжения питания (примерно 5 Вольт). Поэтому мы не можем непосредственно соединить коллектор первого транзистора с базой второго. Необходимо применить устройство, которое не будет пропускать постоянную составляющую напряжения (5 Вольт) коллектора на базу, но пропустит переменную составляющую (усиленный сигнал). Таким устройством является конденсатор. Конденсатор пропускает переменный ток, но не пропускает постоянный. Источник сигнала подключается к базе первого транзистора, также, через конденсатор. На рисунке 9 изображён двухкаскадный микрофонный усилитель.

Рис. 9

Вспомним простейший делитель напряжения, собранный на двух резисторах (рисунок 10). Если подать напряжение U0 на вход, то напряжение на выходе U будет выражаться по следующей формуле:

Например, пусть сопротивление первого резистора R1=5000 Ом, а сопротивление второго резистора R2=1000 Ом. На вход подаётся напряжение 10 Вольт. Подставляя эти данные в формулу, получаем (Рис. 11):


Рис. 10

Рис. 11

Конденсатор связи и входное сопротивление транзистора представляют собой делитель напряжения (Рис. 12). Поэтому на транзистор поступает не весь сигнал, а только его часть. Сопротивление конденсатора зависит от частоты и выражается следующей формулой:

Где f – частота, Гц; С – ёмкость конденсатора, Ф; Rc – емкостное сопротивление конденсатора переменному току.

Рис. 12

Токи в микрофонном усилителе имеют частоту от 20 до 20000 Герц. Входное сопротивление транзистора составляет несколько сотен Ом или несколько килоОм. Пусть сигнал с микрофона имеет частоту f=100 Гц и амплитуду 10 мВ, входное сопротивление транзистора Rвх=1000 Ом. Посмотрим, сигнал какой амплитуды попадёт на вход транзистора, если взять конденсатор ёмкостью 0,01 мкФ. Сопротивление конденсатора току частотой 100 Гц составляет:

тогда напряжение на входе транзистора:

Амплитуда сигнала уменьшилась в 160 раз! Для частоты 10000 Гц сигнал ослабнет только в 2,6 раза. Поэтому, если в микрофонный усилитель поставить такой конденсатор, он будет усиливать только высокие частоты тока звуковой частоты. В таком усилители должны применяться конденсаторы ёмкостью не менее 10 мкФ. В этом случае ток с частотой 100 Гц ослабнет только в 1,16 раза, а ток с частотой 10000 Гц - в 1,0016 раза. В усилителях высокой частоты, которые применяются в радиоприёмниках, можно использовать конденсаторы ёмкостью менее 1000 пФ (0,001 мкФ).