11.1. Транзисторный усилитель с общим эмиттером

В основу рассмотрения усилительного каскада положим такой параметр, как напряжение база – эмиттер [7]. Будем исходить из напряжения U_БЭ, оцениваемого в рабочей точке характеристик величиной ≈ 0,6 ÷ 0,65 В для кремниевых транзисторов и 0,2 В для германиевых. Отдадим предпочтение кремниевым транзисторам, поскольку для них обратный ток во много раз меньше, чем для германиевых. Рассмотрим схему, приведённую на рис. 11.1.

Рис. 11.1. Схема усилителя с общим эмиттером, реализованная на транзисторе типа n-p-n.

В усилителе, схема которого приведена на рис. 11.1, в качестве нагрузки в цепи коллектора используется резистор. В схеме нет катушек индуктивности, поэтому не возникают колебательные процессы. Такой усилитель по типу используемых компонентов называется резистивным. Учитывая отсутствие собственных колебаний его также называют апериодическим.

В качестве нагрузки транзисторного усилителя могут быть включены не только резисторы, но и звукоизлучатели, реле, и тому подобные элементы. Рассмотрим работу транзисторного усилителя.

Приложим входное напряжение 0,6 В, достаточное чтобы мог протекать коллекторный ток приблизительно 1 мА. Если входной сигнал изменять на небольшую величину в окрестностях рабочей точки, то при увеличении входного тока I_Б, увеличится коллекторный ток, в соответствие с передаточной и выходной характеристиками (рис. 4.5 и рис. 4.6). Так как выходные характеристики почти горизонтальны, будем считать, что ток коллектора I_К не зависит от напряжения коллектор – эмиттер. Сделаем допущение, что ток коллектора зависит только от U_БЭ. В этом случае изменение I_К составит

∆I_К ≈ S∆U_БЭ,

где S – крутизна характеристики в рабочей точке. Так как коллекторный ток I_К протекает через сопротивление R_К, то падение напряжения на этом резисторе изменяется и выходное напряжение изменяется на величину

∆U_ВЫХ = - ∆I_К R_К ≈ - ∆U_БЭSR_К.

Таким образом, схема с ОЭ обеспечивает коэффициент усиления по напряжению

K_U= ∆U_ВЫХ/∆U_БЭ ≈ - SR_К. (11.1 )

Токи цепи базы и цепи коллектора связаны с напряжениями, приложенными к базовой и коллекторной цепям:

I_Б = I_Б(U_БЭ,U_КЭ), I_К = I_К(U_БЭ,U_КЭ).

Если пренебречь обратной передачей (S_ОБР = ∂I_Б/∂U_К ≈ 0), получим основные уравнения

dI_Б = (1/r_БЭ)dU_БЭ,

dI_к = SdU_БЭ + (1/r_КЭ)dU_КЭ .

Точный расчёт коэффициента усиления

Входное и выходное сопротивление

Выбор режима работы транзистора

Помимо входных и выходных цепей, цепей связи между кас­кадами, в схемах усилительных каскадов имеются элементы, пред­назначенные для обеспечения необходимого режима работы транзистора. Обычно начальный режим транзистора (режим покоя) определяется совокупностью постоянных составляющих напряже­ния коллектора U_К, тока коллектора I_К и напряжения (или тока) смещения управляющего электрода (базы в схеме с ОЭ или эмит­тера в схеме с ОБ). Начальному режиму соответствует начальное положение рабочей точки на нагрузочной прямой, по­строенной на семействе статических выходных характеристик. В транзисторных усилителях сопротивления нагрузки по постоян­ному и переменному токам обычно имеют разные величины.

Перед построением нагрузочной прямой необходимо опреде­лить рабочую область статических характеристик, огра­ниченную предельными значениями напряжения и тока коллек­тора (U_КМАКС и I_КМАКС); наибольшей мощностью, рассеиваемой коллектором, Р_КМАКС при наибольшей рабочей температуре.

В зависимости от исходного режима работы и амплитуды вход­ного сигнала ток в цепи коллектора может протекать либо в тече­ние всего периода изменения входного сигнала, либо в течение только части периода (в последнем случае в остальное время тран­зистор закрыт). Соответственно этому различают четыре разновид­ности режима работы транзистора — классы А, АВ, В и С.

В классе А начальное положение рабочей точки на нагру­зочной прямой и амплитуда входного (управляющего) тока выби­раются так, чтобы рабочая точка не выходила за те пределы нагру­зочной прямой, где изменения тока коллектора прямо пропорцио­нальны изменениям тока базы. При работе в классе А ток коллектора не прекращается (транзистор всегда открыт). Работа усилителя в классе А характеризуется минимальными нелиней­ными искажениями и невысоким к. п. д. Режим усиления класса А применяется в тех случаях, когда необходимы минимальные искажения, а выходная мощность и к. п. д. не имеют решающего значения. В классе А работают все каскады усилителей напряже­ния и маломощные выходные каскады.

При усилении малых сигналов начальное положение рабочей точки целесообразно выбирать так, чтобы получить максимальное значение параметра h₂₁ и наименьшее потребление мощности от ис­точника питания. Режим по току желательно выбирать так, чтобы коэффициент передачи тока базы β слабо зависел от изменений тока I_Э. Желательно учитывать и режим, при котором завод-из­готовитель гарантирует типовые значения электрических пара­метров транзистора.

Установка рабочей точки

Основные параметры каскада усиления, выполненного по схеме с общим эмиттером (рис. 11.1), сильно зависят от внешних возмущающих воздействий [9]. К ним, в первую очередь, следует отнести изменение температуры окружающей среды, вызывающее изменение обратного тока коллекторного перехода I_K0 и изменение напряжения на эмиттерном переходе транзистора U_БЭ. Кроме того, изменение температуры приводит к изменению коэффициента передачи тока h_21Э, изменению напряжения питания, изменению сопротивления нагрузки и т.п. Все эти воздействия приводят к изменению коллекторного тока транзистора и, соответственно, к изменению выходного напряжения усилительного каскада. Если принять за отсчётное значение (за 0 отсчётной шкалы) постоянное напряжение на выходе усилителя в отсутствие входного сигнала, то под действием дестабилизирующих факторов происходит отклонение выходного напряжения от значения, принятого за 0.

Изменение выходного напряжения или тока усилителя, не связанное с воздействием входного сигнала, а обусловленное изменением режимов работы его элементов, вызванным воздействием внешних дестабилизирующих факторов называется дрейфом нуля.

Внешние возмущения, изменяя ток покоя транзистора I_КП выводят усилитель из заданного режима работы. Так, при работе в классе А, рабочая точка может сместиться в нелинейную область характеристик. Поэтому при разработке транзисторных усилителей важным вопросом является обеспечение стабилизации точки покоя.

Существуют три основных способа стабилизации режима работы транзисторного каскада: термокомпенсация, параметрическая стабилизация, введение цепей отрицательной обратной связи.

Для задания рабочей точки можно было бы включить, последовательно с источником малого входного сигнала, источник постоянного напряжения смещения U_БЭСМ. Однако применение незаземлённого источника тока технически сложно и неэкономично. Поэтому базовое напряжение получают от того же источника, который обеспечивает питание коллекторной цепи. Источник входного переменного напряжения, подаваемого в цепь базы, отделяется от источника постоянного тока с помощью конденсатора, рис. 11.2 .

Рис. 11.2. Задание величины смещения базы с помощью делителя напряжения.

Выходное напряжение снимается с коллектора через другой конденсатор. В приведённой на рис. 11.2 схеме имеется два RC фильтра верхних частот. Нижняя граничная частота этих фильтров должна быть выбрана так, чтобы было обеспечено пропускание нижних частот сигнала.

Как следует из рассмотрения передаточной характеристики, рис. 4.6, влияние малых отклонений напряжения база-эмиттер коллекторный ток является существенным. Поэтому приходится изменяя сопротивление резистора R2 подбирать напряжение U_БЭ индивидуально для каждого применяемого транзистора. Схема особенно чувствительна к температурному дрейфу. Напряжение U_БЭ при заданном токе коллектора уменьшается на 2 мВ при повышении температуры на один градус. С учётом того, что рассматриваемое устройство является инвертором, при коэффициенте усиления, равном 100 дрейф напряжения коллектора в зависимости от температуры

∂U_К/∂Θ = 100*2мВ/К = - 200 мВ/К.

Следовательно, при повышении температуры на 10⁰, потенциал коллектора, в отсутствие усиливаемого сигнала, понизится на 2 В. При большем коэффициенте усиления и большем изменении температуры потенциал коллектора увеличится на недопустимую величину.

Рабочую точку можно задать с помощью базового тока. Для этого надо, чтобы базовый ток был стабильным. Соединим базовый контакт с источником питающего напряжения с помощью высокоомного резистора, как показано на рис. 11.3.

Рис. 11.3. Задание рабочей точки транзисторного усилителя с ОЭ с помощью базового тока.

Если необходимо установить коллекторный ток I_К, то в отсутствие входного сигнала следует задать базовый ток

I_Б = I_К/β .

Этот ток протекает через резистор R_Б. Сопротивление резистора R_Б определяется с учётом разности напряжения питании и напряжения на базе.

R_Б = (U_ИП – U_БЭ)/I_Б ≈ U_ИП//I_Б .

Так как коллекторное напряжение существенно больше напряжения база-эмиттер, последнее практически не влияет на ток базы. Это в значительной мере устраняет источник дрейфа. Температурная зависимость коэффициента усиления β этим не устраняется. Коэффициент усиления по току увеличивается приблизительно на 1% при повышении температуры на один градус. Недостатком этого способа является то, что относительно большие разбросы β существенно изменяют коллекторный ток и, соответственно, потенциал коллектора в отсутствие сигнала. Этот вариант, как и предыдущий, мало подходит для германиевых транзисторов.

Входное сопротивление усилителя со стабилизацией базового тока

R_ВХ =R_Б /r_БЭ

значительно больше, чем при установке рабочей точки с помощью делителя напряжения в цепи базы. Это также является недостатком рассматриваемого варианта, так как транзистор долго остаётся закрытым при воздействии большого положительного входного импульса, поскольку транзистор медленно разряжается через резистор R_Б.

Повышение стабильности рабочей точки достигается при использовании отрицательной обратной связи на низких частотах. Для этого в цепь эмиттера вводится резистор.

Схема с общим эмиттером и отрицательной обратной связью по току

Рис. 11.4. Схема усилителя с отрицательной обратной связью по току эмиттера.

Эмиттерный повторитель

Эмиттерным повторителем называют транзисторный каскад, выполненный по схеме с общим коллектором. Рассмотрим принцип работы этой схемы. Схема эмиттерного повторителя приведена на рис. 11.5.

Рис. 11.5. Схема эмиттерного повторителя.

Если приложить входное напряжение U_Б большее чем 0,65 В, то будет протекать эмиттерный ток и образуется падение напряжения на эмиттерном сопротивлении R_Э. Выходное напряжение (снимаемое с эмиттера) возрастёт на такую величину, что U_БЭ будет равно 0,6 ÷0,65 В. В этом случае выходное напряжение

U_ВЫХ = U_Б – U_БЭ ≈ U_Б – 0,65 В.

Если увеличивать потенциал базы, то коллекторный ток и падение напряжения на эмиттерном сопротивлении увеличиваются. Это означает, что напряжение база – эмиттер при увеличении эмиттерного тока увеличивается незначительно. Иначе говоря, выходное напряжение увеличивается почти на столько же, как входное, а коэффициент усиления

K = ∆U_ВЫХ/∆U_Б ≈ 1.

Можно точнее рассчитать коэффициент усиления. Обратимся к основному уравнению

dI_к = SdU_БЭ + (1/r_КЭ)dU_КЭ .

Учитывая, что

dU_КЭ = - dU_Б , dU_БЭ = dU_Б - dU_ВЫХ, dI_К = dU_ВЫХ/R_Э

получаем

k = dU_ВЫХ/dU_Б = 1/(1+1/S(R_Э||r_КЭ)) .

При R_Э >>1/S получаем k=1.

Это совпадает с результатом, полученным из физических соображений.

Входное сопротивление схемы с ОК совпадает с входным сопротивлением схемы с ОЭ и отрицательной обратной связью по току.

Вставить про сопротивления

Эмиттерный повторитель представляет собой преобразователь³⁴ сопротивлений. Он передаёт практически всю величину э.д.с. источника сигнала на значительно более низкоомный резистор. Путём включения эмиттерного повторителя можно согласовывать низкоомный каскад с высокоомным.

Рассмотренные усилители не содержат колебательных контуров, поэтому их можно отнести к классу резистивных. В них отсутствуют катушки индуктивности и поэтому не возникают колебательные процессы. В связи с этим их часто называют апериодическими. В качестве внутренней нагрузки в них используются резисторы. Такие усилители для увеличения коэффициента усиления соединяются между собой последовательно с помощью резисторов или RC цепочек.

Резонансный усилитель

Резонансные усилители являются усилителями переменного тока. Они применяются для усиления сигналов, лежащих в относительно узкой полосе частот. Такой усилитель содержит частотно избирательную цепь, осуществляющую фильтрацию. Другими словами, в резонансном усилителе присутствует электрический колебательный контур.

Схема резонансного усилителя с общим эмиттером в качестве коллекторной нагрузки вместо резистора имеет параллельный колебательный контур рис. 11.6.

Рис. 11.6. Принципиальная электрическая схема резонансного усилителя.

Усилители на полевых транзисторах

Отличие в работе усилительных устройств на полевых транзисторах от работы устройств на биполярных транзисторах связаны с различием свойств таких транзисторов. Наибольшее распространение в усилительных устройствах на полевых транзисторах получила схема с общим истоком. В этом случае применяются полевые транзисторы с управляющим p-n переходом или МДП транзисторы со встроенным каналом.

Рассмотрим схему [9], приведённую на рис. 11.7. На ней изображён каскад на транзисторе с каналом n типа и управляющим p-n переходом. Наиболее часто такая схема используется в режиме класса А. Такой режим применяют во входных каскадах усилителей. Такое применении объясняется теми преимуществами, которые полевые транзисторы имеют перед биполярными, то есть:

- большим входным сопротивлением, что упрощает его согласование с источником сигнала, даже если этот источник высокоомный;

- как правило, меньшим коэффициентом шума, что благоприятствует усилению малых сигналов;

- большей собственной температурной стабильностью режима покоя.

Каскады на полевых транзисторах обычно имеют меньший коэффициент усиления по напряжению в сравнении с каскадами на биполярных транзисторах.

Рис. 11.7. Схема усилительного каскада на полевом транзисторе (показаны источники э.д.с. смещения и входного сигнала).

Сходство выходных вольтамперных характеристик биполярных и полевых транзисторов позволяет пропустить здесь графический анализ усилительного каскада. Отметим также сходство применяемых схемных решений.

Усилительный каскад с транзистором, включённым по схеме с общим истоком

В полевом транзисторе с управляющим p-n переходом и каналом типа n источник напряжения сток-исток подключается к стоку плюсовым выводом. Источник управляющего напряжения затвор-исток подключается к затвору минусовым выводом. Чтобы задать режим по постоянному току с помощью одного источника напряжения на практике обычно используется введение в каскад отрицательной обратной связи по току нагрузки, то есть по току сток-исток. Схема с общим истоком и элементами отрицательной обратной связи в цепи истока приведена на рис. 11.8.

Рис. 11.7. Усилительный каскад с общим истоком.

В этой схеме добавлены резистор R_и и резистор в цепи затвора R_см, называемый резистором смещения и обеспечивающий гальваническую связь затвора с общей шиной, что необходимо для замыкания цепи смещения. Сопротивление резистора R_см выбирается меньше собственного входного сопротивления транзистора, что стабилизирует входное сопротивление каскада³⁵.

Собственный входной ток полевого транзистора мал, поэтому падение напряжения на R_см, вызываемое током смещения стремится к нулю.

Это означает, что напряжение смещения практически равно падению напряжения на резисторе R_и .

Резистор R_и наряду со смещением рабочей точки вводит в каскад последовательную отрицательную обратную связь по току нагрузки. Эта обратная связь стабилизирует рабочую точку каскада и уменьшает коэффициент усиления.

Температурный дрейф тока стока приблизительно равен 0,6%/⁰С. С ростом температуры ток стока уменьшается. Это исключает положительную обратную связь по температуре. Поэтому при малых изменениях температуры можно обойтись без цепей термостабилизации.

Схема с общим стоком, истоковый повторитель

Усилитель, выполненный по схеме с общим стоком ОС, обладает значительно большим входным сопротивление, чем усилитель, выполненный по схеме с общим истоком³⁶. Преимуществом усилителей с ОС является существенное уменьшение входной ёмкости каскада.

В отличие от эмиттерного повторителя выходное сопротивление истокового повторителя не зависит от внутреннего сопротивления источника сигнала. Истоковый повторитель не позволяет получить такие низкие выходные сопротивления, как эмиттерный повторитель. Это объясняется тем, что значение крутизны характеристики полевых транзисторов меньше, чем это значение для биполярных транзисторов. Для получения более высокого значения крутизны при сохранении высокого значения входного сопротивления применяют, так называемый составной транзистор (схема Дарлингтона), в котором входной транзистор полевой, а выходной – биполярный, рис. 11.8. Крутизна, составного транзистора

S ≈ S₁β .

Рис. 11.8. Схема Дарлингтона, составленная из полевого и биполярного транзисторов.

Управляемое сопротивление

Из рассмотрения выходных характеристик полевого транзистора следует, что величину сопротивления транзистора можно менять в широких пределах, изменяя напряжение затвор-исток. Для этого надо работать при малых напряжениях сток-исток. Сопротивление полевого транзистора связано с крутизной его передаточной характеристики

R_СИ = 1/S .

Наименьшая величина сопротивления соответствует напряжению U_ЗИ = 0, то есть, режиму открытого транзистора.

Для маломощных полевых транзисторов сопротивление колеблется от 50 до 500 Ом. Транзисторы, специально предназначенные для работы в качестве управляемых сопротивлений и аналоговых коммутаторов, имеют наименьшее сопротивление менее 10 Ом.

С помощью полевого транзистора можно сделать управляемый делитель напряжения. Схема такого делителя представлена на рис. 11.9.

Рис. 11.9. Управляемый делитель напряжения с полевым транзистором.

В такой схеме коэффициент деления

K= U_Вых/U_Вх = R_СИ/( R_СИ + R).

Чтобы коэффициент деления можно было изменять с помощью управляющего напряжения в широких пределах следует выбрать R>>R_СИОТКР. Следует учитывать, что линейность делителя сохраняется при малых значениях напряжения сток-исток, а при больших значениях этого напряжения R_СИ становится нелинейным.

Вопросы для самопроверки

77. Что называют электронным усилителем?

78. За счёт чего происходит усиление сигнала в электронном усилителе?

79. Перечислите, какие классы усилителей Вы знаете?

80. Что является основным показателем усилителя?

81. Как определяются входное и выходное сопротивления усилителя?

82. Нарисуйте схему усилителя, построенного по схеме с ОЭ.

83. Как задаётся рабочая точка для усилителя, выполненного на биполярном транзисторе?

84. Нарисуйте схему усилителя, выполненного на биполярном транзисторе с заданием рабочей точки с помощью базового тока.

85. Нарисуйте схему усилителя, в котором смещение базы делается с помощью делителя напряжения.

86. Нарисуйте схему с общим эмиттером с отрицательной обратной связью по току.

87. Нарисуйте схему эмиттерного повторителя и поясните её действие.

88. Опишите особенности резонансного усилителя.

89. Нарисуйте схему усилительного каскада на полевом транзисторе.

90. Нарисуйте схему усилителя с общим истоком и элементами отрицательной обратной связи в цепи истока.

91. Нарисуйте схему резонансного усилителя с ОЭ.

92. Нарисуйте схему усилителя с общим стоком.

93. Нарисуйте схему Дарлингтона, составленную из полевого и биполярного транзисторов.

94. Нарисуйте схему, в которой на основе полевого транзистора построен управляемый делитель напряжения.