8.3 Усилители на транзисторах

С учетом нелинейных свойств выходных характеристик как биполярных, так и полевых транзисторов обязательным условием их работы на линейных (усилительных) участках является задание их нормального статического режима (режима покоя) по постоянному току в отсутствие входного сигнала. В практических приложениях для фиксации начальной рабочей точки транзистора (начального статического режима) применяют следующие три схемы:

• с фиксированным током базы;

• с коллекторной стабилизацией;

• с эмиттерной стабилизацией.

На рис.8.10 представлена схема с фиксированным током базы.

Рис. 8.10. Схема с фиксированным током базы

Для этой схемы в соответствии со вторым законом Кирхгофа

I_кR_к+U_кэ=Е_к, откуда

.

Это уравнение определяет линию нагрузки на выходных характеристиках транзистора (рис.8.11).

Рис.8.11. Линия нагрузки для схемы с фиксированным током базы

В соответствии со вторым законом Кирхгофа

I_бR_б+U_б = E_к, откуда

С учётом того, что <<Е_к получаем I_б . ВыбираяI_б = I_б2, получаем, что начальная рабочая точка (НРТ) транзисторного усилителя лежит между областью отсечки (точка Y) и областью насыщения (точка Z). Таким образом, для заданных Е_к и R_к ток базы зафиксирован на линейном участке работы транзистора и может быть определен из формулы I_к =_ст I_б + I_К0.

К недостаткам этой схемы относят то, что при воздействии внешних факторов, например, температуры изменяются параметры _ст и I_К0 меняя параметры НРТ, и для транзисторов с разными значениями _ст приходиться производить перерасчет R_б, для сохранения положения НРТ.

На рис.8.12 представляется схема с коллекторной стабилизацией, обеспечивающая лучшую стабилизацию начальной точки.

Рис.8.12. Усилитель с коллекторной стабилизацией

В этой схеме используется отрицательная связь по напряжению через резистор R_б. Рассмотрим принцип ее работы. Пусть по некоторым внутренним причинам (например, из-за роста температуры) увеличивается ток коллектора I_к. Это приведет к увеличению падения напряжения U_RK, уменьшению напряжения U_КЭ и уменьшению тока базы I_б (I_б ), что в свою очередь будет препятствовать увеличению тока коллектора (I_к=_стI_б), обеспечивая стабилизацию НРТ в определенном диапазоне.

Хорошую стабилизацию НРТ обеспечивает схема с эмиттерной стабилизацией, вариант которой представлен на рис. 8.13.

Рис.8.13. Схема усилителя с эмиттерной стабилизацией.

В этой схеме коллекторный ток стабилизируют через стабилизацию тока эмиттера (I_к=I_э). Для этого в схеме используют стабилизирующий резистор R_Э, на котором создается практически постоянное напряжение U_КЭ, путем введения делителя напряжения на резисторах R₁ и R₂.Этот делитель подбирается таким образом, что величина I_б практически не влияет на величину напряжения U_R2, тогда

.

В соответствии со вторым законом Кирхгофа

U_RЭ =U_R2 – U_бэ.

При воздействии дестабилизирующих факторов величина U_бэ изменяется мало, поэтому мало изменяется и величина U_RЭ, составляющая небольшую долю напряжения Е_К.

На рис. 8.14 приведена одна из практических схем усилителя с эмиттерной стабилизацией.

Рис.8.14. Вариант схемы усилителя с эмиттерной стабилизацией

В этой схеме конденсаторы С₁ и С₂ обеспечивают ее гальваническую развязку (по постоянному току) от источника входного сигнала и от последующих электронных схем. Конденсатор С_э уменьшает влияние отрицательной обратной связи по эмиттерной цепи на переменном токе, а это в свою очередь увеличивает коэффициент усиления схемы по напряжению для переменного входного сигнала.

Расчет элементов этой схемы можно осуществлять графическими методами, с использованием эквивалентных схем замещений на постоянном и переменном токе, помощью моделирующих программ, так как это было показано в предыдущем разделе на примерах отдельных электронных компонентов (диодов, транзисторов).

В качестве примера расчета элементов схемы представленной на рис.8.14 приведем ее графический анализ. Для этого на графике выходных характеристик построим линию нагрузки на постоянном токе при U_вх=0. Учитывая, что I_к = I_э, уравнение линии нагрузки определяем в соответствии с соотношением

=(8.1)

На рис. 8.15 приведен график линии нагрузки на выходных характеристиках кремниевого транзистора.

Рис.8.15. Выходные характеристики для схемы с эмиттерной стабилизацией

Точка пересечения линии нагрузки с осью U_кэ определяется при I_к=0, откуда из (8.1) следует, что =илиU_КЭ=Е_КЭ.

Точка пересечения линии нагрузки с осью I_к определяется при U_кэ=0. То есть.

Для обеспечения работы усилителя в нормальном режиме начальный ток базы следует выбирать таким образом, чтобы он обеспечивал равную удаленность НРТ от областей насыщения и отсечки. В нашем варианте выбираем I_б = I_б2.

Учитывая, что для обеспечения режима эмиттерной стабилизации R₁ и R₂ выбираются так, чтобы ток базы I_б практически не влиял на величину напряжения U_R2, получаем.

С учетом малости тока I_ко, I_к = I_б_ст, а из соотношения I_э = I_к+I_б получаем:

.

Из последней формулы следует, что в схеме с эмиттерной стабилизацией ток базы зависит от _ст конкретного транзистора.

Рассмотрим вариант инженерного “ручного” расчета величин R_э, R₁ и R₂ при заданных напряжениях питания E_П и начальном токе коллектора I_КН.

1. При расчете R_э из соотношения U_RЭ = (0.10.3)E_к и с учетом того, что I_эI_к получаем:

.

2. Расчет R₂ осуществляют по формуле:

,

где I_дел – ток делителя напряжения на резисторах R₁ и R₂ протекающий при отключении базы транзистора от делителя.

Этот ток может быть задан соотношением I_дел = (810)I_бмах – максимальный ток базы, соответствующий минимальному значению _min от _ст, выбранного транзистора. При этом

Величину U_R2 находят из соотношения U_R2=U_RЭ+U_БЭ, причем для кремниевых транзисторов полагают U_бэ = (0.60.7) В.

Окончательно получаем:

.

3. Расчет R₁ производят из условия:

R₁+R₂ = откуда

R₁=

Приведенный порядок расчета является весьма приближенным и зачастую он требует уточнения параметров в макетном варианте исполнения.

Более точный расчет обеспечивается при использовании эквивалентных схем, в которых транзистор заменяют соответствующей схемой замещения. Вариант такой схемы замещения приведен на рис. 8.16.

Рис.8.16. Эквивалентная схема усилителя с эмиттерной стабилизацией

Iко не может влиять на результаты расчёта т.к. схема замещения применима лишь для переменного тока.

В этой схеме с целью упрощения ее анализа не учитываются параметры и . Параметры емкостей С₁, С₂ и С_э выбираем таким образом, что бы в области средних частот переменные составляющие напряжений на них были пренебрежительно малы. Транзистор выбирают с тем расчетом, чтобы в области средних частот ухудшение его усилительных свойств при увеличении частоты было незначительным и чтобы его параметр _ст мог обеспечить требуемые усилительные свойства схемы.

Расчет схемы осуществляют при использовании законов Ома и Кирхгофа в два этапа на постоянном и переменном токе. На постоянном токе обеспечивают оптимальное положение НРТ, на переменном токе производится расчет коэффициентов усиления и уточняется ряд параметров элементов схемы. При этом при расчетах на переменном токе величиной Е_к и сопротивлениями источника питания и входного генератора часто пренебрегают. Тогда легко заметить, что в эквивалентной схеме, резисторы R_К и R_Н оказываются включенными параллельно. Не вдаваясь в тонкости расчета, отметим, что для схемы, приведенной на рис.8.16, в области средних частот коэффициент усиления по напряжению определяется выражением:

.

Коэффициент усиления по току определяется выражением:

.

Из последних выражений для заданных значений К_u и К_I может быть рассчитано (уточнено) значение R_к при известной величине R_н.

Усилительные каскады на полевых транзисторах управляются напряжением приложенным или к запертому р-n–переходу (в транзисторах с управляющим р-n–переходом) или между электрически изолированными затвором и подложкой (в МДП транзисторах). Усилительные схемы на полевых транзисторах обладают высоким входным сопротивлением, особенно на низких частотах (до 10¹⁵ Ом). С повышением частоты входное сопротивление транзистора существенно уменьшается из-за наличия емкостей затвор-исток и затвор-сток.

Анализ усилительных каскадов на полевых транзисторах можно проводить графоаналитическими или аналитическими методами, а так же с использованием специальных моделирующих программ на ПЭВМ.

При анализе схем используют ряд основных соотношений, описывающих характеристики полевых транзисторов:

I_c  I_c.нач.(1-U_зи / U_зи.отс)²;

S  S_нач.(1-U_зи / U_зи.отс);

S_нач 2I_нач. / U_зи.отс,

где S_нач и I_нач – крутизна и ток, соответствующие нулевому напряжению на затворе относительно истока.

На рис. 8.17 приведен пример построения усилителя на полевом транзисторе с р-n–переходом, включенном по схеме с общим истоком.

Рис.8.17. Пример усилителя на полевом транзисторе

Для создания начального запирающего напряжения на р-n-переходе в схему введено сопротивление R_И, на котором создается падение напряжения U_RИ от протекания начального тока истока I_ИH. Так как ток затвора пренебрежительно мал, падение напряжения на сопротивлении R₃ практически равно нулю, поэтому U_ИЗ = U_RИ.

При заданном начальном токе стока (I_CH = I_ИH) и начальном напряжении U_ИЗН между истоком и затвором сопротивление R_И выбирают из соотношения СопротивлениеR₃ обычно выбирают порядка 1 мОм.

Приведенную на рис. 8.17 схему называют схемой с автоматическим смещением. Она характеризуется повышенной стабильностью обеспечения начального режима работы. Стабилизация осуществляется следующим образом. При изменении начального тока I_СН происходит увеличение напряжений U_RИ и U_ИЗ, что будет препятствовать значительному увеличению тока I_СН.

Коэффициент усиления этой схемы по напряжению определяется соотношением

где S – статическая характеристика крутизны полевого транзистора.

Назначение конденсаторов в этой схеме аналогично назначению конденсаторов в схеме с эмиттерной стабилизацией на биполярном транзисторе.

Частотные характеристики транзисторных усилителей аналогичны частотным характеристикам электронных усилителей, рассмотренных в разделе 8.1.

В усилительных схемах используют различные режимы работы транзистора (классы работы): А, АВ, В, С и Д.

В режиме А ток коллектора всегда больше нуля (I_к>0) и его величина зависит от величин входного сигнала. Рассмотренные выше RC – усилители обычно работают в режиме А.

В режиме В начальный ток I_КН=0. Поэтому ток коллектора может только увеличиваться. При синусоидальном входном сигнале в цепи коллектора протекают положительные полуволны тока у транзисторов n-p-n типа и отрицательные – у транзисторов p-n-p типа. Режим АВ является промежуточным между режимами А и В.

В режиме С на вход транзистора подается начальное запирающее напряжение, поэтому в цепи коллектора в каждый период входного сигнала ток протекает в течение времени меньшего, чем половина периода.

Режимом Д называют ключевой режим работы (транзистор находится в режиме насыщения или в режиме отсечки).