Усилители. Транзистор, как линейный усилитель. Реальные схемы каскадов усиления. Обратные связи в усилителях

Глава 6.      Усилители.

6.1.  Классификация. Терминология. Параметры.

Разнообразные усилители находят чрезвычайно широкое применение на практике. Различают следующие усилители.

1. Усилители напряжения, тока, мощности. Соответственно, коэффициенты усиления . Часто усиление реализуется по всем трём параметрам, однако специфика усилителей проявляется. Если индекс у  отсутствует, то речь идёт о коэффициенте усиления по напряжению.

2. Широкополосные (ШУ) и узкополосные усилители (УУ).

3. Широкополосные усилители постоянного напряжения (или тока) и переменного (без постоянной составляющей). Последние проще.

4. Дифференциальные или разностные усилители (ДУ). Они имеют два отдельных входа и выходное напряжение должно быть пропорционально разности напряжений на входах.

5. Операционные усилители (ОУ). Они представляют собой сложные, многофункциональные усилители с очень большим собственным коэффициентом усиления. Обычно ОУ имеют дифференциальный вход.

Перечислим основные параметры усилителей: входное и выходное сопротивления; коэффициент усиления; полоса усиливаемых частот (или время установления для импульсных усилителей); диапазон линейных, пропорциональных изменений входного и выходного напряжений (динамический диапазон).

Часто в теории используется понятие идеального усилителя. Это есть линейный усилитель с бесконечно широкой полосой, у которого  и , где  - const. Идеальный ОУ имеет ещё и огромный коэффициент усиления ().

6.2. Транзистор, как линейный усилитель.

Рассмотрим биполярный транзистор npn  типа, включённый по схеме с общим эмиттером, рис. 6.1а. Все напряжения измеряются относительно общего провода (эмиттера), поэтому вторую букву у напряжений можно опустить. Транзистор представляет собой активный нелинейный четырёхполюсник, однозначно определяемый двумя семействами статических характеристик, изображённых на рис. 6.2.  Входные характеристики отражают зависимость входного тока от напряжений, . Эту зависимость удобно представить иначе, как зависимость . Тогда выходные характеристики отражают зависимость выходного тока от тех же параметров, .

Будем считать сигналы малыми. Это означает, что изменения напряжений и токов малы, по сравнению со средними их значениями (постоянными составляющими). Соответствующие малые области этих изменений, рабочие области, отмечены на семействах характеристик. Рабочие области желательно выбрать так, чтобы в них нелинейность характеристик проявлялась меньше.

Сделанные предположения позволяют написанные функции в этих малых областях разложить в ряды и ограничиться линейными членами. Получим систему линейных уравнений, связывающих приращения токов и напряжений.

.                               (6.1)

.
Эти равенства определяют четыре статических дифференциальных параметра, характеризующих транзистор, как линейный усилительный элемент. Входное сопротивление транзистора (наклон входных характеристик). Коэффициент обратной связи  (сдвиг входных характеристик). Коэффициент усиления тока базы . Выходное сопротивление транзистора , определяемое наклоном выходных характеристик. Типичные значения этих параметров для маломощных транзисторов таковы:  ком;  ком; ; .

Переход к линейной системе уравнений для приращений токов и напряжений соответствует замене характеристик транзистора в отмеченных областях отрезками параллельных прямых (линеаризация характеристик). Поведение характеристик вне отмеченных областей нас, фактически, не интересует.

Таким образом, для малых изменений токов и напряжений мы можем считать транзистор линейным четырёхполюсником, однозначно определяемым указанными статическими параметрами.

Опустим для сокращения записи значки «» у приращений токов и напряжений. Будем писать просто I  и U, имея в виду изменения, переменные составляющие. Однако надо всё время помнить, что постоянные составляющие токов и напряжений всегда есть, без них невозможно реализовать режим усиления. Просто пока они нас не интересуют. Примем в этой главе следующие обозначения        : .

Написанная выше система линейных уравнений для приращений соответствует системе уравнений линейного четырёхполюсника с матрицей H, рис. 6.1б. . Следовательно:  выходная проводимость .

Перейдём к анализу эквивалентных схем замещения транзистора. Процесс этот неоднозначный, поскольку можно предложить много схем. Два четырёхполюсника будут эквивалентны, если их матрицы одинаковы. Приведём только две схемы, используемые чаще всего.

6.2.1. Т – образная эквивалентная схема биполярного транзистора.

Она изображена на рис. 6.3. Здесь:  есть объёмное сопротивление базы транзистора (100 – 150 ом); r_э – сопротивление открытого входного p – n перехода (5 – 10 ом);  - сопротивление закрытого выходного перехода (10 – 50 ком). ЭДС генератора E пропорциональна току базы. Найдём h параметры этой схемы и сравним их с параметрами транзистора. Транзистор, как активный линейный четырёхполюсник, необратим, поэтому все четыре элемента матрицы независимы. Для определения элементов матрицы H, обычно рассматривают два режима работы схемы, режим короткого замыкания на выходе () и режим холостого хода на входе (). Поступим так же.