2. Усилительные каскады на транзисторах

2.1. Основные понятия и определения

Исследуются маломощные усилительные каскады (УК), работающие на линейных участках характеристик усилительных приборов (УП). К их числу относятся каскады, выполненные по схемам с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК, или эмиттерный повторитель) на биполярных транзисторах (БТ), а также каскад на полевом транзисторе по схеме с общим истоком (ОИ).

В каскадах на биполярных транзисторах по схеме с ОЭ, показанной на рис. 2.1, и по схеме с ОК, представленной на рис. 2.2, перевод транзисторов в рабочее состояние (задание рабочей точки) осуществляется с помощью делителей R₁, R₂ в цепи базы. Необходимость подачи смещения от внешнего источника здесь обусловлена тем, что БТ имеют “правые” проходные характеристики (рабочая область таких характеристик располагается в правом верхнем квадранте). Резисторы, включенные в цепь выходных электродов транзистора R_K и R_Э, определяют положение рабочей точки на поле выходных характеристик в соответствии с уравнением

U_КЭ = E_П – I_КR_К – I_ЭR_Э.

Резистор R_Э, включенный в цепь эмиттера, в каскадах по схемам с ОЭ

и ОК участвует в работе как входной цепи (падение напряжения на нем входит во входной контур), так и выходной (падение напряжения на нем обусловлено протеканием через него выходного тока), что обусловливает существование в каскадах отрицательной обратной связи (ООС). Эта связь, всегда действующая на постоянном токе (на переменном токе она может быть исключена путем шунтирования R_Э конденсатором С_Э), используется для стабилизации положения рабочей точки транзистора.

Конденсаторы С_Р1 и С_Р2, включённые во входную и выходную цепи каскадов, являются разделительными, назначение которых состоит в исключении влияния внутреннего сопротивления источника входного сигнала R_Д и сопротивления нагрузки R_Н на положение рабочей точки.

В каскаде с ОИ (рис. 2.3) на полевом транзисторе с управляющим p–n переходом, имеющим ”левые” проходные характеристики (рабочий участок таких характеристик располагается в левом верхнем квадранте), обеспечивается автоматическое смещение за счёт падения напряжения на резисторе R_И.

Назначение конденсаторов в схеме с ОИ С_Р1, С_Р2 и С_И то же, что и в схемах ОЭ и ОК.

К основным показателям усилительного каскада (усилителя) относятся: коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности, входное и выходное сопротивления и полоса усиливаемых частот.

2.2. Коэффициенты усиления каскада

Коэффициенты усиления УК зависят от свойств УП и элементов схемы,

определяющих положение рабочей точки УП и глубину отрицательной обратной связи (ООС) на частоте сигнала.

Собственный коэффициент усиления по напряжению каскада на биполярном транзисторе (БТ), включённом по схеме с общим эмиттером (ОЭ рис. 2.1), при наличии в цепи эмиттера, не зашунтированного конденсатором

Рис.2.1. Каскад с общим эмиттером

Рис. 2.1. Каскад с общим эмиттером

резистора R_Э, т.е. при наличии в схеме ООС по току, определяется выражением

где – входное сопротивление без учета сопротивления базового делителя;  – коэффициент усиления транзистора по току; r_Б – сопротивление базы транзистора; – дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода.

Если резистор R_Э в схеме каскада зашунтирован конденсатором С_Э, то его значение в формуле (2.1) следует заменить значением модуля полного сопротивления в цепи эмиттера

В каскаде по схеме с общим коллектором (ОК) (рис. 2.2)

Рис. 2.2. Каскад с общим коллектором

собственный коэффициент усиления определяется выражением

В каскаде на полевом транзисторе по схеме с общим истоком (ОИ) (рис. 2.3)

Рис. 2.3. Каскад с общим истоком

собственный коэффициент усиления по напряжению равен:

где S – крутизна транзистора при заданном токе стока.

R_С и R_И - сопротивления в цепи стока и истока, соответственно.

Если сопротивление R_И зашунтировано конденсатором С_И, то на частотах где , можно считать . Крутизна S при заданном значении тока стока _С определяется через паспортное значение крутизны S₀ при значении тока стока _С0 по приближённой формуле

Влияние внешних по отношению к каскаду сопротивлений (сопротивления нагрузки и внутреннего сопротивления источника входного сигнала) на величину сквозного коэффициента усиления (К_СКВ) учитывается с помощью коэффициентов передачи делителей, образующихся на входе (К_ВХ) и выходе (К_ВЫХ) каскада:

(2.5)

где

R_ВХ и R_ВЫХ – входное и выходное сопротивления каскада; Е_Г – э.д.с. источника входного сигнала.

Измерение коэффициентов усиления (КУ) по напряжению осуществляется путём измерения напряжений во входной (U_Г, U_ВХ) и выходной (U_ВЫХ) цепях. Для минимизации погрешности при практическом определении КУ входное сопротивление вольтметров, используемых для измерения этих напряжений, должно отвечать условиям

R_ВХ.V R_ВХ, R_ВХ.V R_ВЫХ, R_ВХ.V R_Н.