3.2. Каскады усилителей низкой частоты

В усилителях на биполярных транзисторах используют, как правило, схему включения с общим эмиттером, обеспечивающую усиление как по напряжению, так и по току (рис. 20, а).

В схеме (рис. 20, а) резисторы и , включенные между корпусом и точкой +Е_К образуют делитель для напряжения питания, часть которого, падающая на , создает напряжение U_БЭр, определяющее рабочую точку р' (рис. 20, б). Сопротивления делителя определяются из очевидных на с хеме соотношений

Рис. 20. Схема усилительного каскада с общим эмиттером (а) и анализ его работы на входной (б) и выходных (в) характеристиках транзистора

Ток делителя выбирают в пределах I_Д(2-5)I_Бр. Чем больше I_д, тем стабильнее работает каскад, так как изменения токов I_K и I_Э, а значит, и тока базы I_Б= I_K – I_Э незначительно влияют на величину напряжения смещения. В то же время не следует выбирать ток делителя слишком большим, потому что это снижает КПД каскада из-за потерь энергии в делителе.

Допустим сначала, что U_вх = 0. Под действием напряжения U_БЭр через открытый РN-переход «эмиттер-база» протекает постоянный ток базы I_Бр. Разделительный конденсатор C_р1 не дает возможности постоянному току протекать через источник входного сигнала.

Транзистор открыт и находится в активной области. Его состояние определит точка р пересечения нагрузочной прямой, проведенной через точки E_K и E_K/R_K, отсекаемые на осях (рис. 20, в), с характеристикой, соответствующей току I_Бр. Постоянный коллекторный ток I_Kp, создавая падение напряжения I_KpR_K, определит исходное напряжение между эмиттером и коллектором U_КЭр. Так как через разделительный конденсатор С_р2 постоянное напряжение не проходит, выходное напряжение U_вых = 0. Рассмотренное состояние схемы называют режимом работы по постоянному току.

Пусть от источника входного сигнала поступает синусоидальное напряжение с амплитудой U_вхm. Под его действием согласно входной характеристике (рис. 20, б) появляется переменная составляющая базового тока, проходящая через конденсатор С_p1 по цепи: эмиттер-база-С_р1-источник сигнала, с амплитудой +I_Бm в положительный и –I_Бm в отрицательный полупериоды сигнала. Состояние коллекторной цепи транзистора изменяется и амплитуда коллекторного тока определится точками пересечения нагрузочной прямой с выходными характеристиками, соответствующими базовым токам I_Бр+I_Бm и I_Бр–I_Бm. Изменения коллекторного тока от I_Кр+I_Кm до I_Кр–I_Кm приводят к пульсации падения напряжения I_КmR_K и, следовательно, к пульсациям напряжения U_КЭ с амплитудой U_КЭm=E_K – I_КmR_K. Через конденсатор С_р2 эти пульсации поступают на выход U_вых= U_КЭm. Этот режим называют режимом работы по переменному току.

Из приведенных на характеристиках построений видно, что U_вхm 0,1 В, U_вхm 5 В, и, значит, коэффициент усиления по напряжению такого каскада k= U_выхm/ U_вхm = 5/0,1 = 50.

Следует обратить внимание, что положительному полупериоду входного напряжения (когда U_Бэр+U_вхm) соответствует отрицательный полупериод выходного напряжения (т. е. U_Кэр–U_выхm). Иначе говоря, между входным и выходным напряжениями существует сдвиг фаз, равный 180°. Для получения наименьших искажений усиливаемого сигнала рабочую точку р' следует располагать на середине линейного участка входной характеристики.

На рис. 20, а показана схема с фиксированным напряжением смещения. Она работает достаточно стабильно, но в ней изменения температуры вызывают «плавание» рабочей точки. Поэтому применяют различные способы термостабилизации режима работы транзисторных каскадов.

Напомним, что особенно сильно влияют изменения температуры на неуправляемый ток коллектора I_K0 (он увеличивается в 2 раза при повышении температуры на каждые 10°).

Рис. 21. Схема термостабилизации режима транзисторного каскада с помощью эмиттерной RС-цепочки

Наиболее распространена схема термостабилизации с помощью R_ЭС_Э -цепочки (рис. 21), в которой навстречу напряжению смещения , снимаемому с резистора , действует напряжение, возникающее на резисторе R_Э от протекания по нему постоянной составляющей тока эмиттера I_Э–. При увеличении температуры возрастет постоянная составляющая тока коллектора I_К–. Так как I_Э–= I_К–+I_Бр, то увеличение I_К– приведет к увеличению постоянной составляющей тока I_Э– и падения напряжения R_ЭI_Э– В результате напряжение U_БЭ= – R_ЭI_Э–, уменьшится, что приведет к уменьшению тока базы I_Бр, а следовательно, и тока I_К–, стабилизируя его. Для отвода от резистора R_Э переменной составляющей тока эмиттера I_Э~ включают шунтирующий конденсатор С_Э достаточно большой емкости (десятки микрофарад), сопротивление которого х_С=1/2fC_Э мало для переменного тока.