ü выходное сопротивление , характеризующее нагрузочную способность усилителя; условием передачи усилителем максимальной мощности в нагрузку является равенство выходного сопротивления и сопротивления нагрузки .
2. Принцип построения каскада усиления
Минимальную часть усилителя, сохраняющую его функции, называют каскадом усиления. Обычно усилитель состоит из нескольких каскадов усиления, соединенных между собой межкаскадными связями, с помощью которых выходной сигнал одного каскада усиления передается на вход следующего. Первые каскады усиления, предназначенные, главным образом! для усиления напряжения сигнала, называют предварительными. Каскад, служащий для усиления мощности сигнала, называют оконечным.
Каскады усиления состоят из последовательно включенных управляемого элемента, параметры которого изменяются в зависимости от поступающего на его вход напряжения или тока, и резистора нагрузки . В показанной на рис. 3 эквивалентной схеме управляемый элемент (лампа или транзистор) заменен резистором , сопротивление которого зависит от напряжения входного сигнала .
Рис.3 Эквивалентная схема входной цепи каскада усиления.
При отсутствии входного сигнала в цепи проходит постоянный ток . При появлении входного сигнала изменяется сопротивление резистора, а следовательно, полное сопротивление цепи и ток в ней, т. е. кроме постоянной составляющей тока в цепи появляется переменная составляющая Если сопротивление управляемого элемента изменяется строго пропорционально напряжению , то и ток пропорционален напряжению . Следовательно, падение напряжения на резисторе нагрузки создаваемое переменной составляющей тока также пропорционально входному напряжению , т.е. где — коэффициент усиления напряжения.
Основным требованием, предъявляемым к каскаду усиления, является воспроизведение формы входного сигнала на выходе, т. е. его минимальные нелинейные искажения. Выполнение этого требования обеспечивается подачей определенных напряжений и токов на выводы усилительного элемента. Транзистор во время ожидания входного сигнала находится в режиме молчания, или покоя.
Электрическому состоянию транзистора в режиме покоя соответствует определенная точка на его входных и выходных характеристиках, называемая рабочей точкой каскада усиления . Электрические параметры транзистора в рабочей точке имеют индекс «р.т», Так, электрическое состояние транзистора, включенного с ОЭ, характеризуется токами базы и коллектора , а также напряжениями базы и коллектора по отношению к эмиттеру.
Рис.4 Схема каскада усиления (а) и графическое представления представление его работы при неправильно выбранной рабочей точке (б).
Схема каскада усиления и графическое представление его работы при неправильно выбранной рабочей точке показаны на рис. 4,а,б. В режиме покоя транзистор закрыт, так как напряжение на эмиттерном переходе . Следовательно, его токи и также равны нулю. Напряжение tнa коллекторе транзистора , так как падение напряжения на резисторе нагрузки .
Под действием входного сигнала рабочая точка смещается в пределах его двойной амплитуды . Большую часть периода напряжения транзистор будет закрыт и только в течение части положительного полупериода сигнала появится ток базы . При этом транзистор откроется и его коллекторный ток вызовет напряжение на резисторе нагрузки , которое и будет усиленным выходным сигналом, существенно отличающимся, но форме от входного.
Для получения выходного сигнала с минимальными нелинейными искажениями следует выбрать такое положение рабочей точки, при котором каждому новому мгновенному значению входного сигнала будет соответствовать новое мгновенное значение выходного. Схема такого каскада усиления и графическое представление его работы показаны на рис. 5, а, 6. Напряжением постоянного смещения . В рабочая точка выводится на середину прямолинейного участка входной характеристики транзистора. В режиме покоя базовый ток транзистора , а коллекторный , так как среднее значение данного транзистора равно 50.
Коллекторная цепь транзистора состоит из двух участков: промежутка коллектор — эмиттер и резистора нагрузки между которыми напряжение коллекторного источника распределяется следующим образом:
.
Для лучшего использования транзистора напряжение принимают равным . Тогда при коллекторном напряжении . равном 30 В, сопротивление загрузки
При подаче на базу транзистора входного сигнала, амплитуда которого ограничена линейным участком входной характеристики (для получения малых нелинейных искажений рабочая точка не должна выходить за пределы этого участка), в цепях базы и коллектора появятся переменные составляющие их токов, соответственно имеющие амплитуды и . При этом амплитуда выходного сигнала , а коэффициент усиления напряжения
Таким образом, мы рассмотрели принцип построения каскада усиления.
3. Усилители на лампах
На рис. 6 показана схема простейшего лампового усилителя. Управляемой в нем является анодная цепь, а управляющей — сеточная. При изменении напряжения на сетке лампы пропорционально изменяется анодный ток, который создает на нагрузочном сопротивлении пульсирующее напряжение. Разделительный конденсатор пропускает на выходные клеммы только переменную составляющую анодного напряжения. Подбирая соответствующие величины , и тип лампы, можно получить на выходных клеммах переменное напряжение, амплитуда которого будет во много раз превышать величину .
Ламповый усилитель усиливает не только напряжение, но и мощность входного сигнала. Для управления анодным током требуется только изменять разность потенциалов между сеткой и катодом. В этом случае в сеточной цепи лампы протекает незначительный ток и входная потребляемая мощность намного меньше, чем полезная мощность, выделяемая в нагрузке.
Важным условием нормальной работы усилителя является строгое соответствие формы выходного и входного сигналов. Анодный ток изменяется пропорционально сеточному напряжению только на прямолинейном участке ламповой характеристики. Чтобы анодный ток изменялся па прямолинейном участке и чтобы эти изменения были наибольшими, начальное значение тока (ток покоя) должно соответствовать середине прямолинейного участка сеточной характеристики (рис. 7, а), Точка А на ламповой характеристике, определяющая значение тока покоя, называется рабочей. Положение рабочей точки определяется величиной постоянного напряжения смещения на сетке — . На рис, 7, а приведен график, иллюстрирующий процесс изменения анодного тока при подаче на вход усилителя переменного синусоидального напряжения с амплитудой . Режим работы электронной лампы, при которой изменение анодного тока происходит в пределах прямолинейной части ламповой характеристики, называется режимом класса А. В режиме А анодный ток протекает в течение всего периода изменения сеточного напряжения. Этот режим характеризуется малой величиной нелинейных искажений, но является неэкономичным (к. п. д. не более 20—30%). Его обычно применяют в предварительных усилителях низкой частоты и в выходных усилителях малой мощности (до 3—4 вm). Для характеристики режимов усиления вводят понятие об угле отсечки. Угол отсечки — это половина той части периода, в течение которой через лампу протекает ток.
При выборе рабочей точки в начале сеточной характеристики, анодный ток протекает в течение половины периода (). Такой режим работы лампы называется режимом В (рис. 7, б). В данном режиме возникают большие нелинейные искажения, но к. п. д. достигает 60—65%.
Промежуточный режим, при котором , называется режимом АВ (рис. 7, в). Режим, при котором угол отсечки , называется режимом С (рис. 7, г). Режимы В, АВ и С применяются в двухтактных усилителях мощности низкой частоты.
К буквам, обозначающим режим, ставятся индексы: 1 — при отсутствии сеточных токов, 2 — при работе с сеточными токами. Например: .
Анодное напряжение лампы усилителя равно разности между напряжением источника и падением напряжения на сопротивлении :
Изменение напряжения на сетке вызывает пропорциональное изменение анодного тока, что в свою очередь вызывает изменение анодного напряжения. С увеличением сеточного напряжения возрастает величина тока , а анодное напряжение уменьшается. Следовательно, сеточное и анодное напряжения изменяются в противофазе и выходной сигнал сдвинут относительно входного по фазе на угол 180°.
Динамическую анодную, или нагрузочную, характеристику усилительной лампы строят следующим образом. На осях координат семейства статических анодных характеристик обозначаются две точки А и В (рис. 8). Точка А соответствует анодному напряжению при ; точка В — анодному току при
Рис. 8. Построение динамической анодной характеристики.
Прямая линия, соединяющая точки А и В, и будет динамической характеристикой.
Рабочая точка С расположена на статической характеристике, снятой при сеточном напряжении , и соответствует анодному напряжению . Угол наклона динамической характеристики
Страницы: 1, 2, 3
