книги / Электронные усилители
..pdfрез R1 Передается на базу, вызывая уменьшение тока смещения базы /*<,, что уменьшает возрастание тока коллектора /к0 Анало гичный Процесс происходит в схеме и при уменьшении тока кол лектор^.
СхеМн коллекторной стабилизации положения исходной рабо чей точки применяется редко. Она проста, экономична, но не обес печивает достаточной стабилизации положения исходной рабочей точки.
СхеМа эмиттерной стабилизации положения рабочей точки приведена на рис. 3.6, б. В этой схеме напряжение смещения меж ду базой и эмиттером состоит из двух встречно включенных напря
жений: Напряжения, |
снимаемого с |
резистора R2 |
делителя |
R1, |
|
R2, и Напряжения, |
снимаемого с |
резистора R 3, включенного |
в |
||
цепь эМиттера. Ток |
делителя |
протекает по цепи: + £ к , R2, |
R1, |
||
■—Е к . Этим током создается |
падение напряжения |
на резисторе |
R2.
Ток эмиттера протекает по цепи: + £ к, резистор R 3 , эмиттер -
база транзистора, — а далее разветвляется |
на ток базы / б0 |
и ток |
|
коллектора / к0. Ток базы / б0 затем |
протекает через базу, |
резис |
|
тор R1 и к —Ек. Ток коллектора / к0 |
затем |
протекает через пере |
ход база—-коллектор, резистор R'Uи к —Е к
Ток эмиттера / эо» протекая через резистор R 3, создает на нем падение напряжения U3, которое оказывается включенным в цепь база—эмиттер последовательно с напряжением смещения на ре зисторе R2. Таким образом, в схеме образуется отрицательная об
ратная связь по току, создаваемая током 13 |
Все напряжение |
об |
|
ратной связи U3 = I 3 R э подается с выходной цепи во |
входную. |
||
Следовательно, результирующее напряжение смещения |
|
|
|
R‘i—^3 0 R -j |
|
|
|
Ток делителя / д во много раз больше тока базы / б0 |
Поэтому |
||
напряжение па R2 (UR2 = I дЛг) не зависит |
от тока базы 1й0 , |
и |
смещение на базе при изменении тока коллектора 1 « будет изме няться только в результате изменения падения напряжения на ре зисторе R 3
Процесс стабилизации исходного положения рабочей точки за
ключается в следующем. При возрастании |
тока |
эмиттера |
из-за |
|||||
увеличения температуры (или при смене транзистора) |
увеличится |
|||||||
напряжение U9= I 3R 3 . что приведет к.уменьшению напряжения |
||||||||
смещения на базе транзистора, так как R2 и R 3 |
включены встреч |
|||||||
но. Ток 6a3bj U,) уменьшится и, |
следовательно, |
уменьшится ток |
||||||
эмиттера / э0. Но отрицательная |
обратная |
связь через R 3 приве |
||||||
дет и к уменьшению коэффициента усиления каскада. |
Чтобы не |
|||||||
допустить этого, отрицательную обратную связь |
по |
переменному |
||||||
току исключают |
шунтированием резистора |
R 3 |
конденсатором |
|||||
С 3. Сопротивление |
С9 для переменного тока сигнала |
мало, и пе |
||||||
ременного падения |
напряжения |
на R 3 не будет, |
а следовательно, |
|||||
де будет и отрицательной обратной связи по |
переменному |
току |
||||||
сигнала. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Схема эмиттерной стабилизации рабочей точки транзистора применяется часто. Она обеспечивает более высокую стабилиза цию положения рабочей точки транзистора.
Еще лучшую стабилизацию рабочей точки обеспечивает комби нированная схема (рис. 3.7), где используется отрицательная об ратная связь как по току, так и по напряжению. В этой схеме ре зисторы обратной связи Я э и R t\, шунтированы конденсаторами
С , и Сф для устранения обратной связи по переменному току.
Схемы стабилизации исходного положения рабочей точки о помощью отрицательной обратной связи применимы только в усилителях, работающих в режиме класса А, в котором постоян ная составляющая выходного тока транзистора не зависит от ам плитуды усиливаемого сигнала.
В режиме класса В, при котором среднее значение тока покоя зависит от амплитуды усиливаемого сигнала, применяют смеще ние фиксированным напряжением базы, а стабилизация исходно
го положения рабочей точки осуществляется схемами термокомненсации.
1ко*1ю*и £
Недостатком схем стабилизации с применением обратной связи является дополнительный расход мощности источника питания на
элементах цепей обратной связи.
В усилителях на полевых транзисторах применяют автоматиче ское истоковое смещение и комбинированную схему смещения о
истоковой стабилизацией. |
приведена |
на |
||
Схема |
истокового |
автоматического смещения |
||
рис. 3.8, а. |
Напряжением смещения здесь является |
напряжение, |
||
создаваемое током истока на резисторе R a. Оно подается на |
зат |
|||
вор через |
резистор R2, |
сопротивление которого можно выбирать |
||
очень большим (1 |
100 МОм), поскольку ток |
затвора очень |
мал и падения напряжения на нем по существу нет.
Стабилизация тока покоя выходной цепи по этой схеме осуще ствляется следующим образом: при возрастании выходного тока покоя под действием дестабилизирующих факторов увеличивается падение напряжения на резисторе R u , транзистор начинает за крываться, и ток покоя выходной цепи уменьшается. Но стабили зация здесь получается слабой из-за малой крутизны характерис тик полевых транзисторов. Поэтому схема, представленная на
рис. 3.8, а, применяется при небольших изменениях |
температуры. |
В схемах, где вероятна замена транзистора, такая |
стабилизация |
яе применяется.
Комбинированная схема смещения в каскаде на полевом тран зисторе приведена на рис. 3.8, б. Для улучшения стабилизации в
этой схеме сопротивление резистора R,, выбирают значительно большим, чем в схеме, приведенной на рис. 3.8, а, а возросшее паде ние напряжения на R„ компенсируется напряжением, снимаемым
сделителя Rl, R2.
3.4.НАГРУЗОЧНЫЕ И ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Зависимости между напряжениями и токами в цепях усили тельного элемента, например транзистора, называются его харак теристиками.
В том случае, когда во внешних цепях усилительного элемента сопротивлений нет, режим его работы называется статическим и характеристики, соответственно, называются статическими.
Однако в реальных усилительных каскадах во всех цепях уси лительного элемента включаются сопротивления. Режим работы усилителя при наличии сопротивлений во внешних цепях усили тельного элемента называется динамическим режимом.
Зависимости между мгновенными значениями напряжений и то ков в цепях усилительного элемента при наличии в этих цепях внешних сопротивлений называются динамическими характерис тиками.
Усилительный элемент имеет две цепи — входную и выходную, поэтому и динамические характеристики есть входные и выходные; проходные и сквозные.
Сопротивления во внешних цепях усилительных элементов в усилительных каскадах в общем случае комплексные, т. е. вклю чают в себя активную и реактивные составляющие.
Так, в выходной цепи сопротивление для постоянной составля ющей выходного тока активное; оно называется сопротивлением
Цепи постоянному току. А динамические характеристики, показы вающие зависимость постоянных составляющих напряжений и то ков при наличии в выходной цепи сопротивления нагрузки R„, на зываются динамическими характеристиками постоянного тока.
Динамические характеристики, показывающие зависимость пе ременных составляющих токов и напряжений с частотой сигнала кри наличии в выходной цепи активного сопротивления переменно му току R „ , называются динамическими характеристиками пере менного тока.
Выходные динамические характеристики. В динамическом ре жиме выходной ток создает на сопротивлении нагрузки RH па дение напряжения. Но так как выходной ток имеет постоянную и Переменную составляющие, то Можно построить динамичес кую характеристику постоян ного и переменного тока. По строим динамические характе ристики для простейшего кас када с активным сопротивле
нием нагрузки R „ в выходной Цепи- (рис. 3.9). Для этого вос пользуемся уравнением второ го закона Кирхгофа, выражаю щим зависимость между на пряжением и током выходной цепи:
Ек |
—■к Як I |
1 |
где !к и и к — мгновенные |
значения |
переменного коллекторного |
тока и напряжения соответственно.
Для построения динамической характеристики постоянного то ка надо учитывать сопротивление R K только для постоянной сос
тавляющей выходного тока |
/ к . Уравнение Кирхгофа |
принимает |
|
вид |
|
|
|
U RK +Uк = Е К или UK=£,< —A RK |
|
||
где / к — постоянная составляющая коллекторного |
тока; Ек — |
||
ЭДС источника питания; Uк |
— напряжение коллектора. |
||
Это выражение является |
уравнением |
выходной динамической |
|
характеристики постоянного тока. |
динамической характе |
||
Графическое изображение уравнения |
ристики постоянного тока на плоскости статических характеристик представляет собой прямую линию, называемую нагрузочной пря мой постоянного тока.
Построение нагрузочной характеристики на семействе выход ных статических характеристик tI( = f ( u K) удобно выполнить, оп ределив точки пересечения ее с осями координат. Так, из уравне ния UK *=ЕК —/ КДКпри / к = 0 получим UK= £ к . Эта точка пе ресечения нагрузочной прямой с горизонтальной осью. А при
С/к =0 находим точку пересечения с вертикальной осью 1 К~ Через эти точки проводим нагрузочную прямую, как по
казано на рио. 3.10.
Наклон нагрузочной прямой зависит от значения сопротивле ния нагрузки R к и определяется так: a = a rc tg l/R K.
Любая точка нагрузочной прямой определяет значения напря жения и тока коллектора iK при заданных значениях сопротивле
ния нагрузки RK и ЭДС источника питания. |
|
|
|
В усилительных каскадах обычно |
устанавливается постоянное |
||
значение тока смещения базы / б= / б0 |
Точка пересечения |
нагру |
|
зочной прямой со статической характеристикой при / б= / б0 |
назы |
||
вается точкой исходного режима или |
точкой покоя. |
Координаты |
|
этой точки определяют ток / к0 и напряжение UK0 выходной цепи в |
|||
исходном режиме. |
|
и выбранном |
|
При заданном значении ЭДС источника питания |
значении сопротивления нагрузки требуемое исходное положение рабочей точки достигается выбором значения тока базы / б
Выходная динамическая характеристика переменного тока строится с учетом всех сопротивлений в выходной цепи переменно му току сигнала. В схеме, приведенной на рис. 3.9, сопротивление
выходной цепи можно считать чисто активным. |
Уравнение дина |
|||
мической характеристики составим, учитывая то, |
что |
изменения |
||
выходного тока Д*Вых |
вызывают |
изменения выходного |
напряже |
|
ния Ди . Тогда цвых |
^ к loRn |
Д^в:лх R -—UQ |
i Вчх R н~ Здесь |
|
Uo=E—I0 R ,,. |
|
|
|
|
Графическое изображение уравнения динамической характери стики на плоскости статических характеристик усилительного эле
мента представляет собой прямую линию, называемую нагрузоч ной прямой переменного тока. Строится она тем же методом, что и нагрузочная прямая постоянного тока.
В том случае, когда активное сопротивление нагрузки одинако во для постоянного и переменного тока, динамическая характерис тика является одновременно и линией нагрузки как для постоян ного, так и для переменного тока.
Если сопротивление нагрузки для переменного тока отличается от сопротивления постоянному току, то линия нагрузки для пере менного тока пройдет через выбранную точку исходного режима под углом ось отличающимся от а. На рис. 3.10 показаны нагрузоч
ная характеристика |
постоянного тока при |
сопротивлении |
/?„ост |
|||
(прямая |
/) и динамические |
характеристики |
при |
сопротивлениях |
||
нагрузки |
переменному току, |
большем R ^ > /?„ |
(прямая 2 ) и |
|||
меньшем R"„<R = |
(прямая 3), чем постоянному току. |
|
||||
Практически построение |
динамической |
характеристики |
пере |
менного тока выполняют по двум точкам. Первой точкой является исходная рабочая точка Ло, выбранная на нагрузочной прямой по стоянного тока. Через эту точку должна проходить и динамическая характеристика, так как при прохождении через нуль переменного входного сигнала мгновенная рабочая точка А должна совпасть с исходной Л0. Вторую точку динамической характеристики можно
найти, либо задавшись некоторым произвольным |
приращением |
|
тока Дi и определив соответствующее ему |
приращение напряже |
|
ния Au=AiR, либо проведя через точку Л0 |
прямую -под углом |
|
«i = arctg lfR~ |
|
|
Пользуясь графическим методом, можно с помощью динамиче |
||
ской характеристики правильно выбрать |
режим |
усилительного |
элемента и определить значения токов и напряжений в цепях уси лителя.
Для примера построим графики, изображающие работу транзисторного усилителя. Сначала на семействе выходных стати ческих характеристик транзистора (рис. 3.10) строим нагрузочную прямую для сопротивления постоянному току, т. е. проводим пря мую через две точки: а — отрезок Оа равен —Е к; б — отрезок Об равен EK/R к+ Выбираем на ней положение исходной рабочей точки Ло, задавшись некоторым определенным значением /б За тем строим динамическую характеристику для переменного тока, проводя прямую через точку Ао под углом ai = arctg l/R~
По известному значению амплитуды входного сигнала / ьп можно установить пределы изменения тока базы в режиме усиле ния, а также участок динамической характеристики, по которому перемещается рабочая точка (участок ВС на рис. 3.11). Этот учас ток называется рабочим участком динамической характеристики.
Проекции половин рабочего участка на оси координат позволя ют определить амплитуды тока коллектора I Km и напряжения кол
лектора |
в положительный и отрицательный полупериоды сиг |
нала. |
|
Входная динамическая характеристика биполярного транзисто ра почти совпадает со статической характеристикой.
Входные динамические характеристики используют для опре деления напряжения смещения, подаваемого на усилительный эле мент, напряжения, тока и мощности входного сигнала, а также входного сопротивления.
3.5.ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ СХЕМЫ И ПАРАМЕТРЫ УСИЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Впроцессе анализа работы усилителя необходимо определить следующие его основные параметры: коэффициент усиления по то ку, напряжению и по мощности; входное сопротивление; выходное
сопротивление.
Для этого пользуются эквивалентными схемами.
Эквивалентной схемой называют электрическую схему, состав ленную из линейных элементов электрических цепей (сопротивле ний, емкостей, индуктивностей, генераторов тока или напряже ния), свойства которых одинаковы со свойствами реального уст ройства (прибора).
Эквивалентная схема усилительного каскада состоит из экви валентной схемы усилительного элемента и подключенных к ней простых элементов (проводимостей).
Эквивалентные схемы транзисторов. Различают два вида экви валентных схем транзистора: формальные, физические.
Формальные эквивалентные схемы собирают на основе пред ставления транзистора в виде активного линейного четырехполюс ника, свойства которого описываются уравнениями, связывающими
токи и напряжения на входе и на выходе через г-, у- или ft-пара метры.
На рис. 3.12 приведены схема замещения транзистора (а) эк вивалентным ему четырехполюсником (б) и схема замещения че тырехполюсника формальной схемой (в).
Формальные схемы не раскрывают физических свойств тран зистора, а только отражают реакцию схемы на токи и напряжения на внешних зажимах.
физические эквивалентные схемы транзистора представляют собой Электрическую модель транзистора. Элементы этих схем отображают внутренние (физические) параметры транзистора. Физические эквивалентные схемы наглядно показывают физичес кие свойства транзистора, включают в себя его физические пара метры и делают удобным анализ влияния параметров транзистора на параметры схем усилителей. Поэтому на практике они исполь зуются чаще других.
Эквивалентная схема биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. Из множества разнообразных экви валентных схем наиболее точно структуру транзистора отражает физическая Т-образная схема, легко преобразуемая в П-образную.
П-образная эквивалентная схема транзистора (схема Джиколетто) для биполярного транзистора, включенного по схеме с об щим эмиттером, приведена на рис. 3.13. Она справедлива для сравнительно низких частот, на которых можно пренебрегать ин дуктивностями выводов транзисторов. На этой схеме приняты сле
дующие обозначения: |
|
(для |
низкочастотных |
||
г 6' |
— объемное сопротивление базы |
||||
|
транзисторов г'б «100 Ом, для |
высокочастотных — |
|||
|
г ' « 5 0 Ом); |
|
|
|
|
Гдэ |
— сопротивление между базой и эмиттером |
(единицы и |
|||
г'6к |
десятки ом) ; |
базой и |
коллектором (сотни |
||
— сопротивление между |
|||||
г кэ |
килоом); |
|
|
|
|
— сопротивление между коллектором и эмиттером; |
|||||
Сдэ |
— емкость между базой и эмиттером (сотни пикофарад); |
||||
С к = С б'к — емкость между базой |
и коллектором |
(десятки пико |
|||
|
фарад); |
|
усилительные свойст |
||
UnS n — генератор тока, отображающий |
|||||
U,, |
ва транзистора; |
|
|
|
|
— напряжение, действующее на эмиттерном переходе; |
|||||
S,, |
— крутизна характеристики выходного тока |
транзисто |
|||
|
ра по напряжению на эмиттерном переходе. |
||||
Эквивалентная схема входной цепи транзистора. |
Для анализа |
и определения свойств входной цепи транзистора нужно привести схему, представленную на рис. 3.13, к виду, удобному для анализа. Как видно из рис. 3.13, входная цепь транзистора является нагруз кой для источника сигнала.
и, |
и. |
|
О" |
UA |
JU |
■< |
|
|
|
о |
|
С целью упростить входную цепь транзистора составим эквива лентную схему при коротком замыкании выхода. Замкнув накорот ко выход в схеме на рис. 3.13, получим схему, показанную на
рис. 3.14, а. Так как сопротивление гб'к |
во много раз больше со |
||
противления r 't 3 , то можно считать, что |
результирующее сопро |
||
тивление двух параллельно соединенных г'6у. и г бз будет пример |
|||
но равно г'Ьэ |
Емкости С ’бз |
и Ск объединим. Получим схему, по |
|
казанную на |
рис. 3.14,6. Эта |
схема удобна для анализа, т е. для |
определения коэффициента усиления и его зависимостей от часто ты.
Коэффициент усиления каскада с общим эмиттером определя ется так:
Ло15= /к //б
SO