Лекція №5. Підсилювачі

 

Потужність сигналів, які формують задаючі пристрої або елементи порівняння, часто недостатня для керування виконавчими механізмами. Для їх підсилення використовують підсилювачі, що здійснюють кількісне перетворення вхідного сигналу. В будь-якому підсилювачі вхідна і вихідна величини мають однакову фізичну природу і підсилення відбувається за рахунок того, що вхідний сигнал керує передачею енергії від джерела живлення до виходу підсилювача.

Основними показниками, що характеризують роботу підсилювачів, є коефіцієнт підсилення, межі зміни вхідного і вихідного сигналів, к. к.д. і спотворення. Коефіцієнтом підсилення називається відношення величини вихідного сигналу до вхідного. Спотворення підсилювача являє собою зміну форми вихідного сигналу в порівнянні з формою вхідного сигналу і може бути зумовлене нелінійністю статичної характеристики підсилювача і його інерційністю.

У системах автоматизації технологічних процесів у гідромеліорації найбільше широко застосовують напівпровідникові, релейні і гідравлічні підсилювачі.

 

Дані підсилювачі відрізняються високим коефіцієнтом підсилення (103...106), великим терміном служби (більш 100000 год), малою інерційністю (стала часу 10-3...10-6 с), економічністю, невеликими розмірами і масою, високою чутливістю (пороги чутливості за струмом 10-12...10-13 А і за напругою 10-5...10-6 В) і іншими якостями. Потужність напівпровідникових підсилювачів складає від долей вата до десятків кіловат.

 

Рис. 5.1. Схеми включення транзисторів типу p-n-p: ЗЕ – із загальним емітером; ЗК – з загальним колектором; ЗБ – із загальною базою.

 

Як підсилюючі елементи використовують біполярні і польові транзистори. У підсилювачах на біполярних транзисторах застосовують транзистори p-n-p і n-p-n типів. На рис. 5.1 представлені три схеми включення транзистора типу p-n-p. Якщо в них поміняти знаки напруг і напрямки струмів на зворотні, то одержимо схеми включення транзистора типу n-p-n.

Напруги і струми транзистора зв'язані співвідношеннями

 . /5.1/

Відношення   називається статичним коефіцієнтом передачі струму від емітера до колектора. Воно складає 0,95... 0,99 і більш. Відношення   називається статичним коефіцієнтом передачі струму від бази до колектора. У схемі з загальним емітером   знаходиться в межах 20...100. Чим вище   і   тим якісніший транзистор з погляду його підсилюючих властивостей.

Напруга   значно менша напруг   і  , тому що   прикладається до відкритого р-n-переходу. Для германія вона складає 0,2...0,5 В, а для кремнію – 0,8...1,0 В. Напруги   і   прикладається до закритого р-n- переходу і тому можуть досягати десятків і сотень вольт.

З представлених на рис. 5.1 схем із загальним емітером (ЗЕ), загальним колектором (ЗК) і загальною базою (ЗБ) найчастіше використовується схема з ЗЕ, тому що вона забезпечує найбільше підсилення за потужністю. Коефіцієнти підсилення за струмом і напругою в ній більше одиниці. Для схеми з ЗБ коефіцієнти підсилення за струмом менше, а за напругою більше одиниці. Тому дану схему використовують для підсилення напруги. Схема з ЗК має коефіцієнт підсилення за напругою, близький до одиниці, а за струмом - значно більше одиниці. Цю схему називають емітерним повторювачем і вона застосовується для підсилення потужності.

Роботу напівпровідникового підсилювача на біполярних транзисторах розглянемо на прикладі одного каскаду підсилення (рис. 5.2, а)

Рис. 5.2. Схема вхідного каскаду напівпровідникового підсилювача на   біполярному  транзисторі   (а)   і   його   характеристики   (б).

 

У вхідному колі транзистора включена напруга постійного зміщення   і вхідний сигнал. При   в колі бази протікає струм  , що викликає часткове відкриття транзистора і протікання в колі колектора струму  . Струми   і   називаються початковими і їх значення задається опором зміщення Rзм.

На рис. 5.2,б наведені залежності   для декількох значень струму Iб, навантажувальна характеристика і часові діаграми, які пояснюють роботу каскаду підсилення. При подачі на вхід змінної напруги   струм бази змінюється. У додатний напівперіод струм бази зменшується від   до  , струм колектора також зменшується, що призводить до росту напруги  , де Rк - опір у колі колектора. В відємний напівперіод струм   змінюється від   до   і Uке знижується. У результаті напруга Uке має сталу і змінну складові. Змінна складова Uвих, через ємність С2 поступає на вихід. Відношення амплітуди Uвих до амплітуди Uвх дорівнює коефіцієнтові підсилення за напругою. Фаза Uвих зміщується щодо фази Uвх на 180°.

Ємність С1 на вході підсилювача служить для того, щоб стала складова струму від джерела живлення Ек не протікала через джерело вхідного сигналу.

Якщо початкову точку 0 змістити або збільшити амплітуду вхідного сигналу, то через нелінійність характеристик транзистора форма вихідної напруги спотворюється і порушується пропорційність між Uвх і Uвих.

Підсилюючі каскади на біполярних транзисторах керуються струмом і мають низький вхідний опір, що ускладнює узгодження їх роботи з високоомними джерелами вхідних сигналів. Високий вхідний опір мають польові транзистори, керовані електричним полем, яке створює вхідна напруга. Дія вхідного сигналу Uвх, прикладеного до затвора, полягає в зміні електричного опору струмопровідного каналу, а отже, і струму в колі стоку. При Uвх =0 опір струмопровідного каналу найменший.

Як і біполярні, польові транзистори можуть вмикатися трьома способами: за схемою з загальним витоком, з загальним стоком,