4. Елементарні підсилювальні каскади

Елементарні підсилювальні каскади являють собою однокаскадні осередки, які використовуються як окремі складові багатокаскадних підсилювачів на дискретних транзисторах або складають структуру операційного підсилювача в інтегральному виконанні. До таких каскадів на біполярних транзисторах відносять каскади із спільним емітером (СЕ), спільним колектором (СК) і спільною базою (СБ). Схема СЕ (рис. 10.8) забезпечує як підсилення напруги, так і підсилення струму, а отже, забезпечує максимальне підсилення потужності.

Е_Д

Рис.10.8. Однокаскадний підсилювач за схемою СЕ

Каскад за схемою із СК (емітерний повторювач) повторює на виході вхідну напругу за амплітудою та фазою. Завдяки підсиленню струму забезпечується підсилення потужності.

Схема СБ повторює на виході струм, що надходить у вхідне коло каскаду (повторювач струму). Підсилення потужності в цьому каскаді забезпечується за рахунок підсилення напруги. Найчастіше в електронних підсилювачах різних типів і призначень застосовується каскад із СЕ і каскад із СК, який за рахунок великого вхідного і низького вихідного опорів вирішує проблему узгодження каскадів між собою, а також з навантаженням і джерелом вхідного сигналу без помітної втрати підсилення.

Рис. 10.9. Принципова електрична схема емітерного повторювача

Однокаскадні підсилювачі найчастіше працюють в режимі малого сигналу. У лабораторній роботі досліджуються схеми із СЕ та СК.

У схемі СЕ (рис. 10.8) змінна вхідна напруга U_вх, яка формується джерелом (давачем) вхідного сигналу з діючим значенням ЕРС Е_д та внутрішнім опором R_д, підводиться до входу підсилювача через роздільний конденсатор вхідного кола С_р1. Цей конденсатор перешкоджає передачі постійної складової напруги вхідного сигналу на вхід підсилювача, яка може викликати порушення режиму роботи підсилювача. Підсилена змінна напруга з колектора транзистора поступає в навантаження R_н через роздільний конденсатор С_р2, який розділяє вхідне коло підсилювача від зовнішнього навантаження R_н (найчастіше вхідний опір наступного каскаду підсилення) по постійній складовій колекторного струму I_ос. Значення ємностей С_р1 і С_р2 вибирають таким чином, щоб їх опори на частотах підсилювального сигналу були набагато меншими від вхідного опору підсилювача каскаду і опору навантаження R_н відповідно. Ці конденсатори і визначають хід АЧХ в області нижніх частот (див. рис. 10.3). Тому в області середніх частот, на яких опори роздільних конденсаторів незначні, спільним навантаженням каскаду за змінним струмом буде R_к.н=R_с||R_н.

Формування сигналу в схемі із СЕ детально розглядалося в лабораторній роботі 3 з використанням графоаналітичного методу.

Положення робочої точки в режимі спокою (за відсутності змінного вхідного сигналу) задається або за допомогою подільника напруги (рис. 10.8) фіксована напруга U_BE, або за допомогою постійного резистора R_B, що підключається між джерелом живлення Е_С та базою транзистора (схема із фіксованим струмом бази (рис. 10.9)).

Для стабілізації положення робочої точки при зміні температури служить опір R_Е. Збільшення колекторного струму I_С, викликане збільшенням температури, приводить до збільшення емітерного струму I_Е і спаду напруги на опорі R_Е. При цьому потенціал емітера відносно бази стає більш позитивним і емітерний перехід зміщується в зворотному напрямі. Це викликає зменшення базового струму I_В, в результаті чого струм колектора I_С також зменшується, прагнучи повернутися до початкового значення I_ОС.

Щоб усунути негативний зворотний зв’язок за змінною (корисною) складовою колекторного струму (за наявності вхідного змінного сигналу), резистор R_Е шунтують конденсатором С_Е великої ємності, опір якого для змінного сигналу незначний. Однак часто негативний зворотний зв’язок вводять штучно (конденсатор відсутній), що, зменшуючи коефіцієнт підсилення, поліпшує всі інші показники підсилювача.

Це дозволяє як і в схемі із СЕ розділити вихідне коло підсилювача за постійною і змінною складовими електричних сигналів.

У деяких випадках джерело інформаційних сигналів формує і постійну складову для забезпечення початкового положення точки спокою. При цьому у вхідному колі роздільний конденсатор, подільник напруг або R_В відсутні.

Вхідна і вихідна напруги підсилювального каскаду за схемою із СК збігаються за фазою, оскільки з надходженням вхідної напруги позитивної полярності базовий струм підвищується, зумовлюючи підвищення емітерного струму. Це підвищує спад напруги на опорі R_ЕН=R||R_Н і зростання позитивного потенціалу емітера, з якого знімається вихідний сигнал.

Зі схеми видно, що U_вх = U_ВЕ + U_вих. А U_вих = U_вх– U_ВЕ. Таким чином, підсилювальний каскад лише повторює вхідну напругу за рівнем напруги і фазою, звідки і назва – емітерний повторювач. Але така схема дає підсилення за струмом і потужністю.

Коефіцієнт підсилення за напругою

(10.8)

Наявність в емітерному повторювачі негативного зворотного зв'язку підвищує стабільність його характеристик, тобто зменшує частотні, фазові і нелінійні спотворення,а також значно підвищує вхідний опір та зменшує вихідний, що важливо для узгодження каскадів між собою і навантаженням. Ця схема має широкий динамічний діапазон, що дозволяє використовувати її як вихідний каскад аналогових інтегральних мікросхем для передачі сигналу великої амплітуди.