Транзисторные усилительные каскады переменного тока

Г.А. Орлов, А.К. Токарев

Транзисторные усилительные каскады 
переменного тока

Учебное пособие

Московский государственный технический университет 
имени Н.Э. Баумана

ISBN 978-5-7038-4534-9 

© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016
© Оформление. Издательство 
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016

УДК 621.375.1
ББК 32.852.3
        О-66

Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru 
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/190/book1541.html

Факультет «Специальное машиностроение»
Кафедра «Специальная робототехника и мехатроника»

Рекомендовано Редакционно-издательским советом
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия

Рецензент
канд. техн. наук, доцент А.В. Кузнецов

Орлов, Г. А.
Транзисторные усилительные каскады переменного тока : 
учебное пособие / Г. А. Орлов, А. К. Токарев. — Москва : 
Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2016. — 54, [2] с. : ил.

ISBN 978-5-7038-4534-9 

Даны общие сведения об усилительных устройствах и их основных 
технических показателях. Рассмотрены особенности их схемотехники, 
основные технические показатели простейших усилительных каскадов, 
принципы построения каскадов с одним источником питания, виды 
обратных связей и их влияние на основные технические показатели. 
Приведен пример построения транзисторного каскада со стабилизацией рабочей точки.
Для студентов-бакалавров, получающих образование по направлениям подготовки «Роботы и робототехнические системы» и «Мехатроника и робототехника», изучающих дисциплины «Электронные устройства робототехнических систем специального назначения», «Электронные устройства мехатронных систем».

УДК 621.375.1
ББК 32.852.3

О-66

ПРЕДИСЛОВИЕ

Усилительные устройства непрерывно совершенствуются, что обусловлено их широким применением во всех областях техники. 
В настоящее время невозможно найти какую-либо отрасль промышленности, в которой не использовались бы электронные приборы или 
электронные устройства измерительной техники, автоматики и вычислительной техники. Этим объясняется необходимость издания 
учебной литературы, в которой отражаются современное состояние, 
тенденции и перспективы развития усилительно-преобразовательных 
устройств мехатронных и робототехнических систем.
Предлагаемое учебное пособие содержит основополагающие сведения о принципах построения различных усилительных каскадов, 
физических процессах, происходящих при усилении различных сигналов. Формализованные математические методы анализа практически 
не использовались, поскольку они размывают физическую картину 
происходящих процессов и не способствуют их целостному восприятию.
При подготовке учебного пособия нашел отражение многолетний 
опыт преподавания курсов «Электронные устройства мехатронных 
систем» и «Электронные устройства робототехнических систем» 
в МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Издание предназначено для студентов-бакалавров, обучающихся 
по направлениям подготовки «Роботы и робототехнические системы», 
«Мехатроника и робототехника». Кроме того, оно может быть использовано студентами родственных специальностей и специалистами, 
работающими в области электронных устройств.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Входное сопротивление — внутреннее сопротивление усилительного устройства со стороны его входа, которое является нагрузкой для 
источника входного сигнала.
Выходное сопротивление — внутреннее сопротивление усилительного устройства со стороны его выхода по отношению к нагрузке.
Граничная частота — частота входного сигнала, при которой коэффициент усиления отклоняется от принятого за номинальный 
в условное число раз, чаще всего соответствует уменьшению коэффициента усиления на 3 дБ.
Динамический диапазон — отношение максимального выходного 
(входного) напряжения к минимальному выходному (входному) напряжению электронного устройства.
Коэффициент нелинейных искажений (коэффициент гармоник) — 
отношение действующего значения суммы высших гармоник выходного напряжения к действующему значению его первой гармоники.
Нелинейные искажения — это изменения формы колебания, обусловленные нелинейностью характеристик транзисторов и других 
элементов.
Полоса пропускания (рабочий диапазон частот) — область частот, 
в которой коэффициент усиления находится в допустимых пределах 
(обычно 3 дБ).
Усилитель — электронное устройство, содержащее один или несколько усилительных каскадов, предназначенное для увеличения 
параметров электрического сигнала (напряжения, тока, мощности), 
в котором входной сигнал малой мощности управляет передачей сигнала большой мощности из источника питания в нагрузку.
Усилительный каскад — ступень усилителя, содержащая один или 
несколько усилительных элементов, пассивные компоненты, цепи 
связи с нагрузкой и источником входного сигнала.

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 
ОБ УСИЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВАХ

1.1. Назначение и применение усилительных устройств

В настоящее время широко используют методы получения и применения информации различных видов с помощью электрических 
сигналов. Их интенсивность зачастую бывает мала, поэтому возникает необходимость усиления слабых электрических сигналов. Устройства, позволяющие это осуществить, получили название усилительных 
устройств, или усилителей. Они очень широко применяются в аппаратуре для радиосвязи, телевидения, телемеханики, автоматического 
регулирования, а также в вычислительной технике и для проведения 
физических, медицинских и других научных исследований.
В общем случае усилитель — это устройство, увеличивающее мощность входного сигнала. Такое его определение является наиболее 
общим, поскольку независимо от того, усиливается ток или напряжение, в нем всегда увеличивается мощность входного сигнала. Поэтому 
усилитель в соответствии с законом сохранения энергии должен 
включать в свой состав источник питания. Преобразование энергии 
источника питания в энергию усиленного электрического сигнала 
осуществляется с помощью активных элементов усилителя: биполярных и полевых транзисторов, интегральных микросхем, электронных 
ламп и т. д.
На рис. 1.1 изображена структурная схема, а на рис. 1.2 — обобщенная эквивалентная схема усилителя, содержащая источник входного сигнала (генератор) Ес с ЭДС и внутренним сопротивлением Rс, 
активную нагрузку Rн (либо реактивную Zн) усилителя, а также источник питания с подводимой (потребляемой) мощностью Pпотр. Входная и выходная мощности сигнала обозначены Pвх и Pвых соответственно, а входные и выходные напряжения и токи как Uс, Iс и Uн, Iн.
Почти всегда амплитуда входных сигналов бывает настолько мала, 
что увеличение их посредством одного усилительного элемента быва

ет недостаточным. Тогда усилитель включает в свой состав несколько 
усилительных ступеней или каскадов с соответствующими коэффициентами усиления Kj, где j = 1, 2,…, n. Сигналы, полученные с выхода 
первого каскада, подают на вход второго и т. д., пока амплитуда сигналов не достигнет требуемой величины (рис. 1.3).
Каждый из усилительных каскадов представляет собой совокупность усилительного элемента и нескольких пассивных элементов — 
резисторов, конденсаторов, катушек индуктивностей, диодов и т. п., 
объединенных в общую электрическую схему и выполняющих опре
Рис. 1.1

Рис. 1.2

Рис. 1.3

деленные функции. Пассивные элементы в усилительном каскаде 
должны обеспечить работу усилительного элемента с получением 
максимального неискаженного усиления входного сигнала. Независимо от типов активных электронных приборов, применяемых в усилительном каскаде, принципы усиления остаются едиными и сводятся 
к тому, что в цепях этого усилительного элемента устанавливаются 
определенные постоянные токи. Такой режим работы называют статическим по постоянному току, или режимом покоя. Он характеризуется тем, что устанавливаются постоянные составляющие напряжений 
и токов всех электродов активного элемента. Эти составляющие 
определяют состояние рабочей точки данного активного усилительного прибора.

1.2. Классификация усилительных устройств

Усилительные устройства можно классифицировать по различным 
признакам. Важнейшими из них являются вид и принцип действия 
усилительного элемента, рабочая область частот и характер усиливаемых 
сигналов, особенности схем соединения элементов усилителя. Основные признаки классификации усилителей рассмотрены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Признак
Тип усилителя

По типу усилительного элемента
Ламповые.
Транзисторные:
• на дискретных биполярных транзисторах;
• на дискретных полевых транзисторах;
• на интегральных микросхемах.
Тиристорные.
Оптоэлектронные

По диапазону частот 
усиливаемых 
колебаний

Постоянного тока — позволяют усиливать как 
переменную, так и постоянную составляющую 
электрического сигнала, т. е. имеют нижнюю 
граничную частоту fн = 0.
Переменного тока — усиливают только переменную 
составляющую сигнала в определенной полосе частот

Признак
Тип усилителя

По частотному  
признаку
Низкой частоты (fв < 1 МГц).
Высокой частоты (fв > 10МГц).
Промежуточной частоты (fв до 10 МГц).
Широкополосные (fв > 10 МГц)

По энергетическому 
признаку
Усилители:
напряжения;
тока;
мощности

По виду межкаскадных связей
С резистивно-емкостной (RC) связью.
С трансформаторной связью.
С гальваническими связями.
С оптоэлектронными связями

По природе внутренних процессов 
в усилителе

Аналоговые — непрерывному аналоговому сигналу 
на входе соответствует непрерывный аналоговый 
сигнал на выходе.
Импульсные — непрерывному сигналу на входе 
соответствует импульсный сигнал на выходе.
Релейные — непрерывному сигналу на входе соответствует сигнал на выходе, имеющий три состояния: 
нулевое, максимальное Umax и минимальное Umin

По способу 
построения
Прямого усиления.
Косвенного усиления (с преобразованием сигнала)

Следует отметить, что существуют и другие виды усилительных 
приборов: диэлектрические, магнитные, параметрические, молекулярные. Но усилители этих видов не получили столь широкого распространения, поскольку они не обладают универсальностью, присущей 
транзисторным или ламповым усилителям. В этом учебном пособии 
будут рассматриваться только транзисторные усилительные каскады, 
поскольку ламповые усилители в настоящее время практически не 
применяются, а тиристорные и оптоэлектронные усилители используются в специализированных устройствах.

Окончание табл. 1.1

1.3. Основные технические показатели 
и характеристики усилительных устройств

Основные технические показатели условно можно разделить на 
две группы: на эксплуатационные и на качественные технические показатели.

1.3.1. Эксплуатационные технические показатели

Коэффициенты усиления. При экспериментальных исследованиях 
усилительных устройств наибольшее распространение получили:
KU — коэффициент усиления по напряжению, KU = Uвых /Uвх, кроме обычной формы представления коэффициента усиления, существует логарифмическая форма KU [дБ] = 20 lg KU;
KI — коэффициент усиления по току, KI = Iвых /Iвх, KI [дБ] = 
= 20 lg KI — коэффициент усиления по току в децибелах;
KP — коэффициент усиления по мощности, KP = Pвых /Pвх, KP [дБ] = 
= 10 lg KP — коэффициент усиления по мощности в децибелах.
Коэффициенты усиления по напряжению и току, как правило, 
комплексные величины, характеризуемые и модулем, и фазой. Это 
связано с наличием в составе усилителей реактивных элементов.  

Параметры входной и выходной цепей усилительного каскада 
представлены в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Параметр
Цепь

входная
выходная

Мощность
Pвх
Pвых

Сопротивление
Rвх
Rвых

Напряжение
Uвх
Uвых

Ток
Iвх
Iвых

КПД усилителя. Рассчитывается по формуле η = Pн /Pпот , где 
Pн — мощность, отдаваемая усилителем в нагрузку; Pпот — мощность, 
потребляемая усилителем.

Надежность. Под надежностью следует понимать свойство изделия 
сохранять во времени свои параметры и характеристики в заданных 
пределах при определенных условиях эксплуатации.

1.3.2. Качественные технические показатели

Амплитудная характеристика (характеристика «выход — вход»). 
Зависимость амплитуды выходного сигнала от амплитуды сигнала 
входного Uвых = f (Uвх). Вид амплитудной характеристики зависит от 
типа усилителя. 
Для усилителя переменного тока амплитудную характеристику обычно изображают в первом квадранте. В общем случае она имеет линейную 
и нелинейную зоны, зону шумов и зону насыщения (рис. 1.4). 

Различают следующие виды шумов:
1) шумы типа наводок, вызванные действием электрических или 
электромагнитных полей; 
2) фоновые (фон — сигнал с частотой питающей сети или кратной 
ей; вызваны неидеальностью источника питания);
3) термические (зависят от температуры; ими обладают резисторы, 
термические элементы);

Рис. 1.4