Усилители. Классификация и основные характеристики усилителей, страница 2

Селективные (избирательные) усилители имеют частотную характеристику, похожую на резонансную кривую колебательного контура или частотную характеристику полосового фильтра. Апериодическим (неизбирательным) усилителям свойственны соизмеримые значения полосы пропускания  и центральной частоты полосы пропускания .

С точки зрения применения выделяют электрометрические усилители: электронные устройства для измерения медленно меняющихся напряжений или токов (вплоть до 10^-16 … 10^-18 А); операционные усилители, предназначенные для выполнения определенных математических операций; усилители звуковой частоты; усилители промежуточной частоты радиоприемных устройств; усилители большой мощности и т. п. В физическом эксперименте используются также некоторые специальные усилители, например амплитудные, временные, неперегружаемые. Названия этих усилителей подчеркивают, что только отдельные их параметры имеют существенное значение: строгая линейность и стабильность амплитудной характеристики (см. рис. 3.2,е), стабильность временной задержки, быстрое восстановление параметров усилителя после воздействия любого сигнала, включая очень большие «перегружающие» сигналы.

3.3. Режим активных элементов по постоянному току

Для того, чтобы применить в схеме электронного усилителя (рис. 3.1) любой из реальных активных элементов, передаточные вольт – амперные характеристики которых приведены на рис. 3.3, к управляющему электроду выбранного элемента необходимо приложить напряжение смещения U_см , соответствующее заданному току покоя I_п . При этом должна быть обеспечена возможность наложения на U_см напряжения u_вх, подлежащего усилению. Проще всего взять отдельный источник напряжения, равного U_см и подключить его по схеме на рис. 3.4. Источник сигнала u_г подключен к затвору транзистора через разделительный конденсатор С, что предотвращает влияние на положение рабочей точки (U_см, I_п) выходного сопротивления источника сигнала u_Г. Напряжение на затворе относительно истока равно

u_вх  =  U_см + u_г    ,                                                                           (3.10)

а ток стока транзистора

i_с = I_п  + Su_г  ,                                                                                (3.11)

где S – крутизна передаточной вольт-амперной характеристики вблизи рабочей точки. Естественно, что наличие фильтра верхних частот (CR) делает схему нечувствительной к постоянной составляющей напряжения U_Г . Схема подачи напряжения смещения от отдельного источника типа приведенной на рис. 3.4 пригодна для любых активных элементов, однако практически она применяется редко.

Наиболее распространенные схемы обеспечения режима по постоянному току для различных активных элементов приведены на рис. 3.5. Так, для создания прямого смещения эмиттерного перехода биполярного транзистора (рис. 3.5,а) служит делитель на резисторах R1, R2. Для стабильной работы схемы ток этого делителя должен значительно превышать ток базы. Кроме того, при изменении температуры транзистора для стабилизации режима в эмиттер включают резистор R_Э, зашунтированный конденсатором С_Э. Если выполняется условие

       ,                                                                       (3.12)

то эта цепь практически не влияет на прохождение полезного сигнала. В то же время она ослабляет медленное изменение тока эмиттера I_Э. Например, повышение температуры вызывает увеличение I_Э и, следовательно, повышение потенциала эмиттера (по отношению к нулевому проводу). Так как потенциал базы относительно нуля не изменился, то это соответствует снижению напряжения прямого смещения на эмиттерном pn-переходе, что приводит к уменьшению I_Э, т. е. к компенсации первоначального возрастания. Уменьшение I_Э вызовет обратную реакцию. Заметим, что описанный процесс является частным случаем стабилизирующего действия отрицательной обратной связи.

Положительное смещение на затворе полевого транзистора с обогащенным каналом n–типа (рис. 3.5,б) также устанавливается с помощью делителя R1, R2 и стабилизируется RC–цепочкой в цепи истока.

Отрицательное смещение на сетке вакуумного триода (рис. 3.5, г) получают за счет начального тока I₀ через резистор в цепи катода (R_к). Так как сеточный ток при отрицательном смещении сетки практически равен нулю, то даже при больших R_c она находится под нулевым потенциалом. Положительное напряжение на катоде равно R_кI₀ , т. е. напряжение на сетке по отношению к катоду равно  -R_кI₀. Аналогичная картина наблюдается между затвором и истоком МОП–транзистора с обедненным n–каналом (рис. 3.5,в).

3.4. «Токовое зеркало»

Если два одинаковых транзистора VT1 и VT2 имеют одинаковые характеристики и расположены на одном кристалле, то их идентичность не нарушается при изменении температуры кристалла. Включение таких транзисторов по схеме (рис. 3.6,а) обеспечивает стабильный коллекторный ток I₂ транзистора VT2. Ток I₁ протекает через резисторR1 и открытый pn–переход база–эмиттер транзистора VT1 и равен:

   .                                                                    (3.13)

Так как U_и.п существенно больше U_БЭ , то ток  и мало зависит от температурных изменений U_БЭ . Ток I₁ протекает через эмиттерный pn–переход транзистора VT1 и согласно (1.43) создает на нем падение напряжения U_БЭ , которое, будучи приложено к такому же pn–переходу транзистора VT1, вызовет ток I₂ = I₁ . При этом сопротивление R2 коллекторной нагрузки транзистора VT2 должно быть не больше токозадающего сопротивления R1 (). Таким образом, для транзистора VT2 создан режим по постоянному току, не зависящий от температуры.

Рассмотренная схема получила название «токового зеркала» - ток I₂ является как бы зеркальным отражением тока I₁ и может использоваться в качестве источника постоянного тока, работающего на сопротивление нагрузки R2.

Ток I₂ можно изменять, подавая напряжение управляющего сигнала (u_г) на базу транзистора VT2. Однако источник этого сигнала будет сильно нагружен малым сопротивлением открытого транзистора VT1. Этого избегают, оставляя базу транзистора VT2 соединенной с базой транзистора VT1 по постоянному току, но разделяя по переменному. Напряжение сигнала (u_г) можно, например, подавать через разделительный трансформатор (рис. 3.6,б) либо через разделительную цепь С₁R₃ (рис. 3.6,в).