4.1.1. Усилительные каскады на биполярных транзисторах

Неотъемлемой частью практически любого устройства информационной электроники является усилитель электрических сигналов, содержащий один или несколько каскадов усиления, которые могут быть выполнены по различным схемам и на различной элементной базе.

Усилителями называют устройства, в которых относительно маломощный входной сигнал управляет передачей значительно большей мощности из источника питания в нагрузку. В общем случае усилители должны усиливать как переменные, так и постоянные или медленно изменяющиеся сигналы. Простейшая усилительная ячейка носит название усилительного каскада.

В практических устройствах электроники наиболее широкое распрост-ранение получила схема с общим эмиттером, имеющая наибольшее усиление по мощности (рис. 4.2). В выходную (коллекторную) цепь включена нагрузка R_к, а во входную (базовую) цепь − источник входного сигнала с напряжением U_вх. В этой схеме увеличение тока базы вызывает возрастание тока в цепи коллектора и уменьшает напряжение на коллекторе. Ток и напряжение на коллекторе связаны между собой уравнением: U_к-э = E_к − I_кR_к. Такой режим работы называют динамическим, а характеристики, определяющие связь между токами и напряжениями транзистора при наличии сопротивления нагрузки, − динамическими характеристиками. Динамические характеристики строят на семействе статических при заданных значениях напряжения источника питания коллекторной цепи E_к и сопротивления нагрузки R_к.

Рис. 4.2. Схема усилительного каскада с общим эмиттером

Усилители с глубокой отрицательной связью (ООС) широко применяются в микросхемах. Типичным представителем усилителя с глубокой ООС является каскад с эмиттерной нагрузкой, или эмиттерный повторитель, представленный на рис. 4.3.

У эмиттерного повторителя транзистор включен по схеме с общим коллектором (ОК), а нагрузка включена в эмиттерную цепь. Выходное напряжение, снимаемое с резистора R_э, совпадает по фазе с входным напряжением, при этом эмиттерный повторитель не дает усиления по напряжению. Несмотря на это у эмиттерного повторителя есть ряд преимуществ по сравнению с обычными усилительными каскадами.

Входное сопротивление эмиттерного повторителя велико, а выходное − мало. Малое выходное сопротивление эмиттерного повторителя позволяет использовать его при работе на низкоомную нагрузку, а сочетание большого входного и малого выходного сопротивлений дает возможность применять повторитель как согласующий каскад. Эмиттерный повторитель, как всякий усилитель с глубокой ООС, имеет малые частотные искажения и большой динамический диапазон входных сигналов при низком уровне нелинейных искажений. Глубокая ООС обеспечивает высокую стабильность параметров эмиттерного повторителя и их меньшую зависимость от изменения температуры и напряжения питания.

Рис. 4.3. Схема усилительного каскада с общим коллектором

Принципиальная схема каскада с общей базой (далее − ОБ) на n-p-n-транзисторе приведена на рис. 4.4. Резисторы R1 и R2 образуют делитель напряжения, обеспечивающий положительный потенциал эмиттера, т. е. смещение эмиттерного перехода в прямом направлении, поскольку потенциал базы равен нулю. Конденсатор C3 служит для устранения обратной связи по переменному току.

Входное сопротивление каскада с общей базой (ОБ), меньше входного сопротивления каскада с общим эмиттером (ОЭ) (практически оно не превышает нескольких десятков Ом). Коэффициент усиления по току всегда меньше единицы. При условии, что сопротивление источника сигнала во много раз превышает сопротивление транзистора со стороны базы, коэффициент усиления по току будет приблизительно равен единице, т. е. в этом случае каскад работает как повторитель тока.

Коэффициент усиления по напряжению существенно зависит от сопротивления нагрузки и сопротивления источника сигнала R_c. Для получения большего коэффициента усиления по напряжению нужно чтобы R_c → 0, а R_c → ∞.

Рис. 4.4. Схема усилительного каскада с общей базой

Вследствие малого входного сопротивления и при коэффициенте усиления по току меньше единицы каскад с ОБ в качестве промежуточного усилителя применяется редко, а используется как составная часть промежуточных усилителей, изменяя их свойства в нужную сторону.

Частотные свойства каскада с ОБ значительно лучше, чем у каскада с ОЭ, поэтому усилительные каскады с ОБ часто используют на повышенных частотах и для усиления широкополосных импульсных сигналов. Нелинейные искажения в каскаде с ОБ меньше, чем в каскаде с ОЭ. Это обусловлено значительно меньшей зависимостью коэффициента передачи при изменении протекающего через транзистор тока. Каскад с ОБ не инвертирует входной сигнал. Типовые значения параметров каскадов усиления приведены в табл. 4.1.

Т а б л и ц а 4.1

Типовые значения параметров каскадов усиления

Параметр	Схема включения
Параметр	с ОБ	с ОЭ	с ОК
Коэффициент усиления по напряжению	>1	>1	≈1
Коэффициент усиления по току	≈1	>1	>1
Коэффициент усиления по мощности	>1	>1	>1

4.2. Порядок выполнения работы

Работа выполняется в прикладном пакете MultiSim, который позволяет моделировать аналоговые, цифровые и цифроаналоговые схемы разной степени сложности. Имеющиеся в программе MultiSim библиотеки включают в себя набор часто используемых электронных компонентов, приборов, что дает возможность планировать и проводить исследования электронных схем при минимальных затратах времени. Есть возможность подключения и создания новых библиотек компонентов. Система схемотехнического моделирования MultiSim позволяет строить схемы различной степени сложности при помощи следующих операций:

выбор элементов и приборов из библиотек;

перемещение элементов и схем в любое место рабочего поля;

поворот элементов и групп на углы, кратные 90;

копирование, вставка или удаление элементов, групп элементов, фрагментов схем и целых схем;

изменение цвета проводников;

одновременное подключение нескольких измерительных приборов и наб-людение их показаний на экране монитора;

присваивание элементу условного обозначения;

изменение параметров элементов в широком диапазоне.

Все операции производятся при помощи мыши и клавиатуры.

Путем настройки приборов можно

изменять шкалы приборов в зависимости от диапазона измерений;

задавать режим работы прибора;

задавать вид входных воздействий на схему (постоянные и гармони-ческие токи и напряжения, треугольные и прямоугольные импульсы).

Графические возможности программы MultiSim позволяют

одновременно наблюдать несколько кривых на графике;

отображать кривые на графиках различными цветами;

измерять координаты точек на графике.

Соберите схему усилителя с общим эмиттером, изображенную на рис. 4.5, для исследования принимаем транзистор с идеальными характеристиками. Получите у преподавателя параметры входного сигнала. Измеряя токи и напряжения во входной (Е1) и в выходной (R_н) цепи, определите коэффициенты усиления. Коэффициент усиления по току определяется как отношение значения тока на выходе к значению тока на входе усилителя:

. (4.1)