16

3.3. Типовая схема однокаскадного усилителя на биполярном транзисторе, включенного по схеме с оэ

На принципиальной схеме усилителя на биполярном транзисторе VТ, включенного по схеме с общим эмиттером (рис. 3.5), обозначено:

♦

Рис. 3.5

Е_с , R_с и Е_п , R_вт - источники входного сигнала и питания транзистора с соответствующими внутренними сопротивлениями;

U_вх - напряжение входного сигнала;

R_Б1, R_Б2 - резисторы делителя напряжения питания U_п (обычно напряжение U_п = 10÷30 В), предназначенные для установки тока базы І_Б; транзистора (по постоянному току), т. е. рабочей точки (точки покоя) на линии нагрузки;

R_Э - резистор обратной отрицательной связи транзистора VТ по постоянному току, подбором сопротивления которого обеспечивается температурная стабилизация его режима усиления. Так, при увеличении температуры возрастают постоянные составляющие токов коллектора І_К и эмиттера І_Э и происходит падение напряжения R_ЭІ_Э. В результате напряжение U_БЭ уменьшается, что вызывает уменьшение тока базы І_Б, и, следовательно, тока І_К, стабилизируя его;

Сэ - конденсатор большой ёмкости (десятки микрофарад), шунтирующий сопротивление резистора R_Э по переменному току, что исключает ослабление усиливаемого сигнала по переменному току цепью обратной связи;

R_К - нагрузочный резистор, сопротивление которого ограничивает ток коллектора І_К транзистора VТ;

С₁ и С₂ - разделительные конденсаторы входной и выходной цепей, обеспечивающие гальваническую развязку усилителя по постоянному току (предотвращающие прохождение постоянной составляющей тока от источника сигнала к усилителю и от усилителя к нагрузке).

Для удобства анализа работы усилителя отдельно рассматривают его схемы замещения по постоянному (рис. 3.6) и переменному току (рис. 3.8).

В режиме работы усилителя по постоянному току для получения наименьших нелинейных искажений усиливаемого сигнала рабочую точку а (рис. 3.7) выбирают посередине рабочего участка bc линии нагрузки по постоянному току, описываемой уравнением:

где

Линию нагрузки строят следующим образом. Из приведенного уравнения следует, что при І_Кп= 0, Uк_п=U_п, а при Uк_п= 0, І_Кмах=U_п/R_К. Через две найденные точки проводят прямую (нагрузочную) линию. Задав ток базы в режиме покоя І_Бп,

находят на пересечении линии нагрузки по постоянному току с выходной характеристикой транзистора при І_Б =І_Бп точку покоя а(Uк_п, І_Кп).

Сопротивление резистора рассчитывают по формуле

Приближенно токи покоя коллектора и эмиттера в рабочей точке а рассчитывают по формулам:

Напряжение покоя эмиттера .

Сопротивления а ёмкость где fc -частота входного напряжения U_вх

В режиме работы усилителя по переменному току принимают

пренебрегают также внутренним сопротивлением R_вт и ёмкостью С_п, источника питания, т. е. источник питания в схеме замещения замыкают накоротко (рис. 3.8,а).

Таким образом, в схеме усилителя с ОЭ усиливается ток и напряжение входного сигнала.

Пользуясь графиками, изображенными на рис. 3.7, нетрудно определить входное сопротивление и коэффициенты усиления каскада:

Следует обратить внимание, что положительному полупериоду входного напряжения U_вх соответствует отрицательный полупериод выходного напряжения U_К ~ U_вых. Иначе говоря, между входным и выходным напряжениями существует сдвиг фаз, равный 180°, т. е. схема усилителя с ОЭ является инвертирующим устройством, усиливающим и изменяющим фазу входного напряжения на 180°.

Обычно рассмотренный тип усилительного каскада работает в режиме усиления слабых сигналов (постоянные составляющие тока базы и коллектора существенно

превосходят аналогичные переменные составляющие). Эти особенности позволяют использовать аналитические методы расчета параметров усилительного каскада на низких частотах по известным h-параметрам транзистора (рис. 3.8, 6), полагая, что транзистор работает в линейном режиме. При этом сигнал, поданный на вход усилителя, практически не искажается на его выходе.

Наличие в усилителе междуэлектродных ёмкостей транзистора и монтажных ёмкостей приводит к возникновению частотных искажений усиливаемых сигналов в области высоких частот.

При подаче на вход усилителя синусоидального сигнала большой амплитуды возникают искажения выходного сигнала, основной причиной которых является нелинейность входных и выходных характеристик транзистора.

Как отмечалось, при расчёте усилительного каскада в области верхних частот учитывают ёмкость С_К-коллекторного р-п-перехода, условно включаемую между коллектором и базой.

Входное сопротивление определяют по формуле

Входное сопротивление усилительного каскада на биполярном транзисторе с ОЭ обычно имеет значение порядка нескольких сотен ом. Выходное сопротивление обычно на порядок больше входного. Это обстоятельство необходимо учитывать при подключении к усилителю высокоомного источника сигнала (Rс >>R_вх) и низкоомной нагрузки (Rн ≤ R_К )

В этом случае при расчете основных параметров усилительного каскада учитывают сопротивления Rс и Rн:

Реальный коэффициент усиления по напряжению К_и всегда меньше коэффициента усиления, не нагруженного усилителя (Rн » R_К). Эта разница тем заметнее, чем больше выходное сопротивление и меньше сопротивление нагрузки Rн.

На практике реальный коэффициент усиления каскада К_и может достигать нескольких сотен, а коэффициент усиления по мощности К_р=К_иК_і в схеме с ОЭ - нескольких тысяч.

Усилительные каскады на полевых транзисторах работают аналогично усилителям, собранным на биполярных транзисторах, если учесть, что управляющим сигналом усилителя на полевом транзисторе является напряжение затвора U₃, а коэффициент усиления по напряжению усилителя с общим истоком (с ОИ) при Rд » Rс (Rд - дифференциальное выходное сопротивление транзистора)

где - крутизна стоко-затворной характеристики транзистора; Rс и Rи- сопротивления резисторов, включенных в цепи стока и истока транзистора усилителя.

Вследствие высокого входного сопротивления усилителей на полевых транзисторах можно использовать разделительный конденсатор С₁ небольшой ёмкости.