2. Підсилювальні каскади на біполярних транзисторах.

2.3.1 Підсилювальний каскад на біполярному транзисторі за схемою із загальним емітером

Одним із найпоширеніших підсилювальних каскадів на біполярних транзисторах є каскад із загальним емітером (каскад ЗЕ). У цьому каскаді емітер є загальним електродом для вхідного й вихідного ланцюгів.

Основними елементами схеми є джерело живлення Е_к, керований елемент-транзистор VT і резистор R_к. Ці елементи утворюють головний ланцюг підсилювального каскаду, у якому за рахунок протікання керованого колекторного струму створюється посилена змінна напруга на виході схеми. Схема найпростішого підсилювального каскаду на біполярному транзисторі представлена на рисунку 2.3.

+Е_К

R_б R_K

Сс I_вих

I_вх I_б

С VT

R_H

R_вх

Рисунок 2.3 - Схема найпростішого підсилювального каскаду на біполярному транзисторі

Інші елементи виконують допоміжну роль. Конденсатори , є розділяючими. Конденсатор виключає шунтування вхідного ланцюга каскаду ланцюгом джерела вхідного сигналу по постійному струму, що дозволяє, по-перше, виключити протікання постійного струму через джерело вхідного сигналу по ланцюзі й, по-друге, забезпечити незалежність від внутрішнього опору цього джерела напруги на базі в режимі спокою.

Функція конденсатора зводиться до пропущення в ланцюг навантаження змінної складової напруги й затримки постійної складової. Резистор задає режим спокою каскаду. Оскільки біполярний транзистор управляється струмом, струм спокою транзистора створюється завданням відповідної величини струму бази спокою . Струм спокою забезпечується резистором по ланцюгу – - база - емітер VT - загальна шина. Полярність джерела живлення відповідає підсилювальному каскаду із транзистором типу . Для підсилювального каскаду із транзистором типу полярність джерела повинна бути протилежною.

Для колекторного ланцюга підсилювального каскаду можна записати:

(1)

тобто сума падіння напруги на резисторі й колекторної напруги транзистора завжди дорівнює постійній величині .

Розрахунок нелінійного ланцюга, що складається з послідовно з'єднаних транзистора й резистора, тобто визначення , , для різних значень струму бази й опорів резистора , можна провести графоаналітичним методом, заснованим на використанні графічних побудов і розрахункових співвідношень. Для цього на сімействі колекторних характеристик (рисунок 2,б) необхідно провести з точки на вісі абсцис вольтамперну характеристику резистора , що задовольняє рівнянню:

(2)

Цю характеристику зручніше будувати по двох точках: при на вісі абсцис і при на вісі ординат. Побудовану в такий спосіб вольтамперну характеристику колекторного резистора часто називають лінією навантаження.

Точки перетинання її з колекторними характеристиками дають графічне рішення рівняння (2) для даного опору й різних значень струму бази . По цим точкам можна визначити колекторний струм однаковий для транзистора й резистора , а також напруги і .

Аналіз роботи підсилювального каскаду зручно проводити за допомогою перехідної характеристики, , що будують по точкам перетину лінії навантаження з колекторними характеристиками. На рисунку 2.4 наведені колекторні характеристики, вхідна характеристика, яка повернена на 90° , і подано побудову перехідної характеристики. Усі побудови виконані для схеми підсилювального каскаду без резистора .

Режим спокою характеризується робочою точкою (точка П на рис. 2.4). Для підсилювача робоча точка буде відповідати приблизно середині лінійної ділянки перехідної характеристики. Опір резистора визначають по формулі:

(3)

При подачі на вхід підсилювального каскаду змінної напруги (рис. 2.4) струм бази буде змінюватися відповідно до вхідної характеристики, тобто крім постійної складової він буде мати змінну . Одночасно із цим, у транзисторі будуть змінюватися емітерний і колекторний струми. Графік змінної

складової колекторного струму можна побудувати за допомогою перехідної характеристики, знаючи зміну струму бази . Переносячи зміну струму на лінію навантаження, можна простежити за змінами колекторної напруги й падіння напруги на резисторі .

Рисунок 2.4 - Колекторні характеристики підсилювального каскаду

Змінна складова колекторної напруги являє собою вихідну напругу підсилювального каскаду, що чисельно дорівнює й протилежна по фазі змінній складовій падіння напруги на резисторі:

(4)

Рисунок 2.5 - Зміна вхідної й перехідної характеристик при більших вхідних напругах

При більших вхідних напругах змінні складові иходять за межі лінійних ділянок вхідної й перехідної характеристик, у результаті чого форма кривої вихідної напруги зазнає значного викривлення (рис. 2.5). Ці викривлення, обумовлені нелінійністю зазначених характеристик, називають нелінійними. При позитивному напівперіоді вхідного струму транзистор входить у режим насичення, а при негативному - у режим відсічки..

При наявності резистора в схемі підсилювального каскаду режим роботи підсилювального каскаду при повільно змінюваних сигналах не зміниться. А для змінних сигналів паралельно резистору підключається резистор (для змінних сигналів середніх частот опір ємності не враховують). У цьому випадку крім лінії навантаження за постійним струмом (рис. 2.6) будують лінію навантаження за змінним струмом . Лінія навантаження по змінному струму проходить через точку спокою П. Другу точку До для побудови лінії навантаження можна визначити за законом Ома:

(5)

де - зміна струму колектора при зміні напруги колектор-емітер на величину ;

R_к - опір у ланцюзі колектора для змінного струму

Якщо довільно задану величину відкласти вліво від точки спокою П (рис. 2.6), то I_к потрібно відкласти нагору від струму (точка К). З'єднавши точки К і П прямою одержимо лінію навантаження за змінним струмом. Порівнюючи вирази (2) та (14) можна зробити висновок, що в підсилювальному

Рисунок 2.6 - Колекторно-емітерна характеристика підсилювального каскаду

каскаді зміниться вихідна напруга, а струм, який протікає через резистори й , перерозподілиться обернено-пропорційно величині опорів цих резисторів

	(6)
і

Задача визначення коефіцієнтів підсилення, вхідного й вихідного опорів каскаду вирішується при розрахунку підсилювального каскаду за змінним струмом. Метод розрахунку заснований на заміні транзистора й усього каскаду його схемою заміщення за змінним струмом (рис. 2.7).

- опір бази транзистора; - опір емітерного переходу; - опір колекторного переходу; - генератор струму колекторного ланцюга.

Розрахунок каскаду проводиться для області середніх частот, у якій залежність параметрів від частоти не враховується, а опори конденсаторів дорівнюють нулю. По змінному струмі опір джерела живлення дорівнює нулю.

Визначимо вхідний опір каскаду

(7)

де - опір вхідного ланцюга транзистора.

Для визначення опору виразимо напругу через струм I. Оскільки внутрішній опір джерела струму великий, а , маємо:

або

(8)

Поділивши ліву й праву частини (8) за струмом , знаходимо

(9)

де не перевищує 1...3 кОм.

Для визначення коефіцієнта підсилення по струму виразимо через . З цією метою спочатку визначимо струм через

(10)

При визначенні струму через можна не враховувати опір досить малий в порівнянні з опорами елементів вихідного ланцюга:

(11)

З обліком (10) маємо

(12)

Підставивши отримане співвідношення у вираження для коефіцієнта підсилення за струмом, знаходимо

	(13)
Коефіцієнт підсилення за напругою можна знайти, виразивши напругу на навантаженні через струм навантаження , а напруга джерела сигналу - через вхідний струм каскаду: (15)

Рисунок 2.7 - Схема заміщення за змінним струмом.

Підставивши в (15) співвідношення (14) знаходимо

(16)

У схемі із загальним емітером К_U = 20 ...100. Підсилювальний каскад ЗЭ здійснює поворот по фазі на 180° вихідної напруги щодо вхідної.

Коефіцієнт підсилення за потужністю у схемі ЗЕ становить (0,2...5)10³

Вихідний опір каскаду розраховують щодо його вихідних затискачів

(17)

Оскільки , то .