Теоретические знания

1 Выбор режима работы усилителя по постоянному току

Рабочая точка биполярного транзистора определяется совокупностью значений постоянных токов базы и коллектора, а также напряжением коллектора. Эта точка находится на нагрузочной прямой, которая строится на семействе коллекторных характеристик биполярного транзистора (рис.4.4). Иначе говоря, нагрузочная прямая – это геометрическое место рабочих точек транзистора.

Нагрузочная прямая строится следующим путем (только для линейной нагрузки):

• для заданного напряжения питания Е_П определяется максимальный ток коллектора, который определяет резистор коллекторной нагрузки;

• между точками I_K ( при U_KE =0) и Е_П проводится прямая линия, которая называется нагрузочной прямой.

Поскольку модуль коэффициента усиления для схемы с общим эмиттером равняется

, (4.4)

где β – коэффициент передачи транзистора по току в схеме с общим эмиттером;

r_BE – внутреннее сопротивление перехода эмиттер-база;

то угол наклона прямой нагрузки определяется коллекторным резистором R_К и характеризует коэффициент усиления схемы. Положение рабочей точки покоя (начальный ток базы) выбирается таким образом, чтобы допустимые изменения входного тока не приводили к ограничению выходного сигнала на уровне напряжения питания или к насыщению транзистора (рис.4.5).

Чтобы предотвратить искажения выходного сигнала необходимо, во-первых, задать начальный ток базы, который бы не зависел от температуры; во-вторых, необходимо обеспечить подачу на базу транзистора двухполярного сигнала (иначе говоря, нужно обеспечить смещение нулевого уровня входного сигнала на уровень рабочей точки); в-третьих, нужно исключить влияние начального уровня входного напряжения на величину начального тока базы.

У казанные условия выполняются при подаче базового тока покоя с помощью базового делителя R2, R3 (рис.4.2). Тогда ток через базовый делитель равняется

, (4.5)

а напряжение на базе транзистора

. (4.6)

Оно состоит из напряжения на переходе база-эмиттер U_BE и напряжения U_E на эмиттерном резисторе R5. Поэтому ток через эмиттерный резистор R5 (который приблизительно равняется току коллектора) равняется

, (4.7)

где I_К – ток коллектора;

U_BE = 0,5…0,6 В.

Тогда напряжение на резисторе коллекторной нагрузки равняется

. (4.8)

Значение резисторов R2, R3, R5 выбираются таким образом, чтобы U_K = E_П/2. Это дает оптимальное значение тока покоя транзистора.

2 Стабилизация работы транзисторного усилителя с помощью отрицательной обратной связи

Технологическое отклонение номиналов резисторов, емкостей и коэффициента передачи транзистора по току β, а также их температурная зависимость, вызывает необходимость в стабилизации начального тока базы. Практически для этой цели используют отрицательную обратную связь с помощью введения эмиттерного резистора R5 (последовательная ООС по току). Использование такого резистора уменьшает коэффициент усиления каскада, но ток коллектора в этом случае уже не зависит от β

. (4.9)

Для того чтобы влияние ООС сказывалось только на постоянном токе, эмиттерный резистор R5 шунтируют емкостью С3. Тогда на высоких частотах ООС по переменному току будет отсутствовать. Конденсаторы С1 и С3 разделяют цепи постоянного и переменного тока, что обеспечивает независимость каскада усиления от других каскадов.

Коэффициент усиления по напряжению такого каскада приблизительно равняется

. (4.10)

Знак “−“ означает, что входной сигнал усилителем инвертируется.

Входное сопротивление такого усилителя определяется параллельным соединением сопротивления базового делителя и входного сопротивления базового перехода

_(4.11)

где || - знак обозначения параллельного соединения элементов.

Выходное сопротивление усилителя определяется в первую очередь сопротивлением коллекторной нагрузки и выходным сопротивлением коллекторного перехода и поскольку последнее значительно больше, то выходное сопротивление усилителя приблизительно равняется

. (4.12)

Реально входное сопротивление усилителя достигает единиц…десятков кОм, а выходное - единиц кОм …сотен Ом.