1.1 Общие понятия

Усилителями называются устройства, в которых сравнительно маломощный входной сигнал управляет передачей значительно большей мощности из источника питания в нагрузку. Наибольшее распространение получили усилители, построенные на полупроводниковых усилительных элементах (биполярных и полевых транзисторах); в последние годы усилители преимущественно используются в виде готовых неделимых компонентов -- усилительных ИМС. Простейшая ячейка, позволяющая осуществить усиление, называется усилительным каскадом.

Электрические сигналы, подаваемые на вход усилителей, могут быть чрезвычайно разнообразны; это могут быть непрерывно изменяющиеся величины, в частности гармонические колебания, однополярные или двухполярные импульсы. Как правило, эти сигналы пропорциональны определенным физическим величинам. В установившихся режимах многие физические величины постоянны либо изменяются весьма медленно (напряжение и частота сети, частота вращения двигателя, напор воды на гидроэлектростанции). В переходных и особенно аварийных режимах те же величины могут изменяться в течение малых промежутков времени. Поэтому усилитель должен обладать способностью усиливать как переменные, так и постоянные или медленно изменяющиеся величины. Такие усилители являются наиболее универсальными и распространенными. По традиции их называют усилителями постоянного тока (УПТ), хотя такое название и не вполне точно: УПТ усиливают не только постоянную, но и переменную составляющую {приращения сигнала) и в подавляющем большинстве случаев они являются усилителями напряжения, а не тока. В УПТ нельзя связывать источник и приемник сигнала через трансформаторы и конденсаторы, которые не пропускают постоянной составляющий сигнала. Это условие вызывает некоторые трудности при создании УПТ, с которыми мы познакомимся ниже, но оно же обусловило еще большее распространение УПТ с появлением микроэлектроники: УПТ не содержат элементов, выполнение которых в составе ИМС невозможно (трансформаторы и конденсаторы большой емкости).

Анализируя возможность использования биполярных транзисторов для усиления электрических сигналов, мы ограничивались только одним частным случаем подачи на электроды транзистора определенных напряжений и не рассматривали некоторые достаточно важные физические процессы в полупроводнике. Но помимо уже описанной ситуации возможны и другие, приводящие, например, к протеканию в n-p-n-структуре тока не от коллектора к эмиттеру, а, наоборот, от эмиттера к коллектору и т.п. В общем случае для биполярноголярного транзистора возможны четыре устойчивых состояния (режима). Они отличаются друг от друга тем, в каком состоянии (прямое или обратное смещение) находятся эмиттерный и коллекторный переходы транзистора. Приведем их полное описание.

Активный режим -- соответствует случаю, рассмотренному при анализе усилительных свойств транзистора. В этом режиме прямосмещенным оказывается эмиттерный переход, а на коллекторном присутствует обратное напряжение, именно в активном режиме транзистор наилучшим образом проявляет свои усилительные свойства. Поэтому часто такой режим называют основным или нормальным.

Инверсный режим -- полностью противоположен активному режиму, т.е. обратносмещенным является эмиттерный переход, а прямосмещенным -- коллекторный. В таком режиме транзистор также может использоваться для усиления. Однако из-за конструктивных различий между областями коллектора и эмиттера усилительные свойства транзистора в инверсном режиме проявляются гораздо хуже, чем в режиме активном. Поэтому на практике инверсный режим практически не используется.

Режим насыщения (режим двойной инжекции) -- оба перехода транзистора находятся под прямым смещением. В этомом случае выходной ток транзистора не может управлять его входным током, т.е. усиление сигналов невозможно. Режим насыщения используется в ключевых схемах, где в задачу транзисторов входит не усиление сигналов, а замыкание/размыкание разнообразных электрических цепей.

Режим отсечки -- к обоим переходам подведены обратные напряжения. Такой режим также используется в ключевых схемах. Поскольку в нем выходной ток транзистора практически равен нулю, то он соответствует размыканию транзисторного ключа. Заметим, что кроме названных основных рабочих режимов в транзисторе возможен режим пробоя на различных переходах. Обычно он возникает только в случае аварии и не используется в работе, однако существуют специальные лавинные биполярные транзисторы, в которых режим пробоя является как раз основным рабочим режимом.

Для того чтобы рассмотреть принцип действия простейшего усилительного каскада, включенного по схеме с общим эмиттером (ОЭ), рассмотрим схему с транзистором n-р-n -типа, представленную на рис. 1.

биполярный транзистор усилительный резистор

Рис. 1. Простейшая схема включения транзистора с ОЭ.

Источник напряжения Е_к >> U_кэн, где U_кэн - обозначено на выходной характеристике транзистора (рис. 2.), связан с коллекторным электродом транзистора через сопротивление нагрузки R_к. Входной сигнал подается на базу транзистора (напряжение и_бэ и ток i_б). Построим зависимость U_кэ f(U_бэ)> называемую передаточной характеристикой каскада.

Рис. 2. Выходные характеристики биполярного транзистора с ОЭ.

При увеличении напряжения и_бэ растет ток i_Б (см. входную характеристику транзистора рис. 3 при и_кэ ? U_кэн), растет и ток коллектора: i_K =(в+1)I_КБ0 + в i_б..

Рис. 3. Входные характеристики биполярного транзистора с ОЭ.

В результате увеличивается падение напряжения на резисторе R_к, уменьшается напряжение и_кэ = Е_к - i_к R (рис. 4). При достижении напряжения и_кэ = U_кэн дальнейшее увеличение и_бэ не вызывает изменений напряжения и_кэ и тока i_к, протекающего через резистор R_к. В этом режиме к R_к приложено напряжение Е_к - U_кэн , и поэтому ток коллектора i_к = I_кн =( Е_к - U_кэн)/ R_к .

Рассмотрение передаточной характеристики каскада показывает, что при изменении напряжения и_бэ или тока i_Б в цепи маломощного источника сигнала можно изменить ток i_к и напряжение и_кэ в цепи более мощного источника Е_к. Однако коллекторное напряжение можно изменять лишь в пределах U_кэн ? и_кэ ? Ек, а ток -- в пределах I_КБо ? i_кэ ? (Ек - U_кэн)/ R_к (участок 11 на передаточной характеристике). При отрицательных и_бэ и на участке 1 через транзистор протекает только малый неуправляемый ток коллекторного перехода, а на участке 111 и_кэ = U_кэн и транзистор теряет свойства усилительного элемента. Еще один вывод, который можно сделать из анализа передаточной характеристики рассмотренного усилительного каскада: при увеличении и_бэ (участок II) и_кэ уменьшается. Усилитель, в котором приращение выходного сигнала противоположно по знаку приращению входного сигнала, называется инвертирующим.

Передаточная характеристика каскада позволяет нам рассмотреть различные способы работы каскада, называемые классами усиления.

На рис. 4 показаны произвольный двухполярный входной сигнал u_вх(t) и форма кривой напряжения на коллекторе и_кэ (t) в различных режимах (классах усиления). При работе в классе усиления В и_бэ = и_вх. Нелинейность передаточной характеристики каскада приводит к тому, что в классе В на выход передается сигнал только одной полярности: и_вх > 0. Класс В в рассмотренном простейшем каскаде можно использовать только для передачи не столь часто встречающихся однополярных сигналов. При передаче двухполярного напряжения форма его искажается, часть информации безвозвратно теряется.

Рис. 4. Передаточная характеристика транзисторного каскада с ОЭ

При работе в классе усиления А на вход усилителя одновременно со входным сигналом u_BX(t) подается также постоянное напряжение смещения, так что и_бэ = и_вх + U_см(см. временные диаграммы сигналов на рис. 4). Благодаря смещению в кривой напряжения и_бэ(t) входной сигнал воспроизводится полностью, практически без искажений формы, так как значения и_бэ постоянно соответствуют участку 11 передаточной характеристики. Режим работы усилителя, когда включены источники питания и подано смещение, но и_вх= 0, называется режимом покоя. В этом режиме и_бэ = U_бэп и i_б = I_бп, а и_кэ = U_кэп. При приложении отрицательного (или положительного) напряжения и_вх уменьшатся (или соответственно увеличатся) токи i_б и i_к и падение напряжения на Rк, в результате увеличится (уменьшится) напряжение

и_кэ = U_кэп + Д U_кэ

где Д U_кэ = и_вых -- полезный эффект усиления.

При работе в ключевом режиме (режим большого сигнала) изменение входного напряжения захватывает участки 1 - 111 передаточной характеристики (см. временные диаграммы на рис. 4). Форма передаваемого сигнала искажается (ограничивается его амплитуда). Подобный режим работы каскада находит широкое применение в импульсной технике при передаче импульсов прямоугольной формы, где ограничение амплитуды импульсов несущественно.

Выбор класса усиления и выбор режима покоя определяет не только форму передаваемого сигнала, но и мощность потерь, вызывающую нагрев транзистора:

На диаграммах рис. пунктиром изображена зависимость мощности Р_к в режиме покоя от напряжения смещения U_бэп Эта зависимость показывает, что выбор U_бэп в середине участка 11 передаточной характеристики каскада соответствует максимальным потерям мощности в транзисторе.