11.6. Підсилювачі з загальною базою. Каскодний підсилювач

Підсилювач із включенням транзистора за схемою з загальною базою (рис. 11.11), як і підсилювач із загальним емітером, містить резистор R_К у колі колектора. Щоб створити напругу зсуву U_БЕС, встановлюють дільник напруги, що включає резистори Rl, R2. База з'єднується з загальним проводом по змінному струмі через конденсатор С1 досить великої ємності. З'єднання емітера з загальним проводом і одночасно з негативним полюсом джерела живлння здійснюється через резистор R_E опором не більш десятків ом. Якщо джерело вхідної напруги має малий опір постійному струму, то коло С_р1R_E може бути виключенe.

Вхідний струм транзистора є струмом емітера, що набагато більший струму бази. Вхідний опір транзистора для схеми з загальною базою h_11Б=U_БЕm/I_Em складає десятки ом і є малим. Від джерела сигналу такий каскад споживає набагато більшу потужність, ніж підсилювач із загальним емітером. Вихідний опір каскаду r_{вих.під} практично такий же, як і для підсилювача з загальним емітером: r_{вих.під}R_K. Коефіцієнт підсилення каскаду по напрузі розраховується по формулі, подібної до співвідношення (11.6):

О

Pис. 11.11. Підсилювач із загальною базою

скільки h_21Б<1, h_11Б<h_21Б, у даному випадку коефіцієнт підсилення по напрузі виходить менший, ніж у підсилювачі, включеному за схемою з загальним емітером. Підсилювач не вносить фазових зсувів, фаза вихідної напруги збігається з фазою напруги на вході. Вихідні характеристики транзистора, включеного за схемою з загальною базою, не містять крутої початкової ділянки. Тому колекторна напруга може змінюватися в межах від нуля до E_К. Нелінійні спотворення в підсилювачі малі.

Каскодний підсилювач у колі колектора керованого вхідною напругою транзистора замість резистора R_K містить транзистор, або групу транзисторів. Транзисторові властивий великий диференціальний опір r_Д=r_K=du_K/di_K, який рівний десяткам і навіть сотням кілоом. Тому в такому підсилювальному каскаді можна одержати високий коефіцієнт підсилення по напрузі. У залежності від схем включення по змінному струмі керованого транзистора і включеного в коло колектора розрізняють наступні варіанти схем каскодних підсилювачів: ЗЕ—ЗЕ, ЗЕ—ЗБ, ЗБ—ЗБ.

Включення транзисторів за схемою ЗЕ—ЗЕ в каскодному підсилювачі показане на рис. 11.12. Режим по постійному струмі задається установкою резисторів Rl, R2, R3. Вхідна напруга підводиться до бази транзистора VT2.

П ри змінах колекторного струму і_К2 транзистора його змінна складова створює спад напруги на опорі r_K1 (як у резисторному підсилювачі на резисторі R_К). Коефіцієнт підсилення каскода можна розрахувати, замінивши у формулі (11.6) R_K на r_K1:

В

Рис. 11.12. Каскодний підсилювач

еличина r_K складає десятки кілоом, тому коефіцієнт підсилення каскоду може бути високим.

11.7. Частотні характеристики підсилювачів і їхня корекція. Багатокаскадні підсилювачі

Оцінимо вплив частоти вхідної напруги на коефіцієнт підсилення резисторного каскаду. Звернемося до еквівалентної схеми резисторного підсилювача з відзначеними на ній ємнісними елементами (рис. 11.13), вплив яких ми раніш не приймали до уваги. Це розділові конденсатори С_р1, С_р2, міжелектродні ємності транзистора С_К і С_Е, ємність монтажу С_м.

Рис. 11.13. Еквівалентна схема резисторного підсилювача з урахуванням ємнісних елементів

Орієнтовно величини активних опорів у підсилювачі на транзисторі малої потужності відомі. Врахуємо, що ємність розділових конденсаторів складає одиниці-десятки мікрофарад, дифузійна ємність С_Е - одиниці пікофарад для високочастотних транзисторів і десятки пікофарад — для низькочастотних, ємність монтажу— 10—40 пф.

На низьких частотах f_н у десятки-сотні герц ємнісні опори є високими. Шунтування ними активних елементів і вплив на вхідний і вихідний опір можна не враховувати. Конденсатор C_p1 включений послідовно з переходом база — eмітер, конденсатор С_р2 — послідовно з навантаженням підсилювача. На зазначених частотах опори співрозмірні з вхідним опором підсилювача r_вх.під і опором навантаження R_H. Ємнісний опір і активний опір r_вх.під утворюють дільник з коефіцієнтом передачі

де ₁=С_р1r_вх.під.

Аналогічно у вихідному колі напруга на навантаженні є частиною колекторної напруги.

де ₂=С_р2R_H.

Таким чином, вихідна напруга підсилювача на низьких частотах менша, ніж на середніх, і залежить від частоти. Відбувається це по двох причинах: чим нижча частота сигналу, тим менша керуюча напруга на переході база — емітер і менша напруга на навантаженні в порівнянні з колекторною.

З урахуванням фазового зсуву колекторної напруги відносно напруги бази в підсилювачі з загальним емітером на кут  вихідна напруга підсилювача виявляється зсунутою відносно вхідної на кут = ₁+₂.

Факторами, що впливають на характеристики підсилювачів в області високих частот, є залежність коефіцієнта передачі струму транзистора h_21E від частоти, наявність ємності колекторного переходу С_K і ємності монтажу С_м. В області високих частот коефіцієнт передачі струму h_21E стає меншим. Між струмами колектора і бази є фазовий зсув. Тому коефіцієнт передачі струму є комплексною величиною:

де h_21Е0 — коефіцієнт передачі струму бази на низьких частотах.

Є мнісні опори 1/(С_к) і 1/(С_м) шунтують резистор R_K і навантаження R_H. В міру збільшення частоти загальний опір у колі колектора падає. З цієї причини і внаслідок зменшення значення h_21Е відбувається зниження коефіцієнта підсилення каскаду. Одночасно проявляється фазовий зсув вихідної напруги щодо вхідної.

Д

Рис. 11.14. Частотна характеристика підсилювача

ля частотної характеристики підсилювача характерними є завали (зменшення коефіцієнта підсилення) на низьких і високих частотах (рис. 11.14). Смуга частот коливань, що підсилюються лежить в межах від f_гр.н до f_гр.в.

З метою розширення смуги частот підсилюваних сигналів вводять спеціальні кола частотної корекції. Для підйому частотної характеристики на наднизьких частотах (30-300 Гц) у коло колектора (рис. 11. 15, а) додатково до резистора R_К вводять резистор і шунтують його конденсатором порівняно невеликої ємності. На низьких частотах опір конденсатора є досить високим. Загальний опір у колі колектора R_Кзаг=R_К+ зростає, що підвищує коефіцієнт підсилення каскаду.

Р ис. 11.15. Підсилювач з коригувальним колом для низьких (а) і високих (б) частот

Підйом частотної характеристики каскаду на високих частотах реалізують включенням дроселя в коло колектора додатково до резистора R_К (рис. 11.15, б). На високих частотах опір дроселя помітно зростає, коефіцієнт підсилення каскаду підвищується.

Вплив реактивних елементів у колі підсилювача дуже значний на частотах сигналів у діапазоні дуже високих (30—300 МГц) і ультрависоких (0,3—3 ГГц) частот. Побудова підсилювачів для цих діапазонів можлива при використанні високочастотних транзисторів з малими міжелектродними ємностями і індуктивностями виводів. Зборка підсилювачів ведеться так, щоб ємність монтажу була якнайменшою. Велике значення має узгодження вхідних опорів підсилювачів з вихідними опорами джерел сигналу і вихідних опорів каскадів з опором навантаження. Домагаються, щоб активні опори були рівні, а реактивні опори взаємно компенсувалися.

Для одержання сигналу великої амплітуди недостатньо його підсилення тільки в одному каскаді. У цих випадках шляхом послідовного з'єднання окремих каскадів створюють багатокаскадні підсилювачі. Вихідний сигнал попереднього каскаду служить вхідним сигналом послідуючого. В міру переходу від першого каскаду до наступних амплітуда напруги і потужність сигналу зростають.

Зв'язок по змінному струмі здійснюється через розділові конденсатори, за допомогою низькочастотних (з феромагнітними сердечниками) чи високочастотних (з феритовими сердечниками чи без них) трансформаторів. Розроблено схеми підсилювачів з безпосередніми зв'язками між каскадами і колами міжкаскадного зворотного зв'язку як по постійному, так і по змінному струмі.