3. Резисторный каскад. Принцип действия. Питание цепей транзистора

Основным каскадом усиления и предварительных усилителях является резисторный каскад, так как он содержит минимальное число реактивных элементов и может обеспечить при определен­ных условиях достаточно большой коэффициент усиления. Свое название каскад получил по нагрузке по постоянному току в цепи коллектора (стока)— резистору. На рисунке 3 приведены простейшие схемы резистивных усили­тельных каскадов на БТ, включенных по схеме с ОЭ. Необходимое напряжение на базу можно подавать через резистор R_Б (рисунок 3,а) или с делителя напряжения R_б1R_б2 (рисунок 3,б). Сопротивление R_Б во много раз превышает сопротивление перехода база-эмиттер для постоянного тока, поэтому смещение через резистор R_Б называют сме­щением фиксированным током базы. Смещение с помощью делителя напряжения меньше изменяется при изменении температуры, старении и замене экземпляров транзисторов, поэтому называется смещением фиксированным напряжением база — эмиттер.

Напряжение смещения на базу можно подавать параллельно с на­пряжением сигнала (рисунок 3,а,б) и последовательно с напряже­нием сигнала, если сигнал подается через трансформатор. Смещение на базу с делителя напряжения также можно подавать и последовательно с напряжением сигнала. При последовательном включении напряжений сигнала и смещения входное сопротивление каскада больше, чем при параллельном.

а – через резистор, б – через делитель напряжения.

а – через резистор, б – через делитель напряжения.

а – через резистор, б – через делитель напряжения.

Рисунок 3 - Схемы подачи смещения в цепь база-эмиттер

Анализ работы резисторного каскада сводится к тому, чтобы подобрать такие элементы схемы, которые обеспечат наибольшее усиление и наименьшие частотные и фазовые искажения.

Источник питания выбирают в зависимо­сти от назначения усилителя и требуемой выходной мощности (напря­жения сигнала на заданной нагрузке). Если предъявляются требова­ния к экономичности усилителя, выбирают как можно меньшее напря­жение питания. Внутреннее (выходное) сопротивление источника питания должно быть достаточно малым, чтобы нежелательные обратные связи через общий источник питания каскадов не приводили к нестабильности характеристик усилителя.

Питание БТ типа p – n – p в режиме усиления осуществляется подачей отрицательного напряжения на коллектор и небольшого поло­жительного напряжения на эмиттер (относительно базы). Питание БТ типа n – p – n отличается лишь полярностью напряжения источников питания. Необходимое напряжение база-эмиттер составляет в среднем 0,25 В для германиевых и 0,6...0,7 В для кремниевых БТ.

Полная электрическая схема резисторного усилительного каска­да приведена на рисунке 4.

Рисунок 4 – Полная электрическая схема резисторного каскада

Назначение элементов в этой схеме сле­дующее. Резисторы R1 и R2 образуют делитель для подачи на базу транзистора напряжения смещения, обеспечивающего исходный режим, т.е. для смещения рабочей точки покоя П в заданный уча­сток характеристики. Ток базы в исходном режиме

I _6н протекает по цепи: +Е_к, R_э , участок эмиттер — база транзисто­ра, резистор R1, —Е_к .

Резистор R_э обеспечивает температурную стабилизацию режима покоя каскада. Конденсатор С_э шунтирует резистор R_э по переменному току, исключая отрицательную обратную связь по переменному току. Отсутствие конденсатора С_э вызывает умень­шение коэффициента усиления каскада вследствие наличия отри­цательной обратной связи.

Конденсатор С_р1 является разделительным. Он не допускает шунтирования входной цепи каскада цепью источника сигнала по постоянному току, что исключает прохождение постоянного тока через источник входного сигнала, а также влияние внутреннего сопротивления источника сигнала на напряжение на базе в режиме покоя.

Конденсатор С_р2—также разделительный. Он не пропуекает постоянную составляющую напряжения источника питания Е_к на базу транзистора следующего каскада. Емкость этого конденсато­ра выбирается обычно настолько большой, чтобы усиливаемый сигнал проходил через него без ослабления.

Переменная составляющая входного тока протекает от нижнего зажима источника входного сигнала, далее разветвляется на три составляющие: одна протека­ет через R2 к точке Б, вторая — через С_э, участок эмиттер—база к точке Б, третья — через С_ф1, R1 к точке Б. Затем от точки Б ток протекает через С_р1 к верхнему зажиму источника входного сигнала. Цель переменной составляющей коллекторного тока следую­щая: общий провод, конденсатор С_{э ,} эмиттер — коллектор транзистора. Далее эта цепь разветвляется на две цепи: одна — резистор R_к, конденсатор С_ф2 на общий провод, а другая — конден­сатор С_р2 , резистор R1_сл, конденсатор С_ф2; третья — через R2_сл , входное сопротивление и входную емкость последующего каскада на общий провод. Емкости Сф и С_э настолько большие, что сопротивление ихдля переменного тока оказывается ничтожно малым.

При использовании транзисторов имеющих три вывода (электрода) один из них всегда оказывается общим для входной и выходной цепей

Все напряжения в схеме измеряются относительно общего электрода. Получаются три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ) общим эмиттером (ОЭ) общим коллектором (ОК) (рисунок 5).

Рисунок 5 – Cхемы включения транзистора

Сравнения позволяют сделать следующие основные выводы:

• схема с общей базой ОБ имеет самый большой номинальный коэффициент усиления (К_ус) по напряжению, но самый малый коэффициент усиления по току. Схема с общим коллектором ОК имеет коэффициент усиления Ко меньше единицы, но коэффициент усиления по току много больше единицы. Схема с общим эмиттером ОЭ имеет самый большой К_ус по мощности;

• в схеме с ОЭ происходит инверсия полезного сигнала. Схемы с ОБ и ОК не изменяют фазу;

• в схеме с ОБ самая большая входная проводимость (равная S). В схеме с ОК входная проводимость самая малая;

• в схеме с ОБ самая маленькая выходная проводимость. В схеме с ОК входная проводимость самая большая.

Вклю­чение транзистора с ОБ позволяет получить усиление только на­пряжения. Коэффициент усиления тока при таком включении меньше единицы и мало изменяется при изменении режима работы, темпера­туры и замене экземпляров транзисторов. Коэффициент усиления мощ­ности сравнительно невелик, однако при замене экземпляров транзи­сторов, их старении и изменении температуры изменяется значительно меньше, чем при других включениях транзистора.

Входное сопротивление транзистора при включении с ОБ меньше, чем при других включениях, и находится в пределах от десятых долей ома (для транзисторов большой мощности) до десятков ом (для транзи­сторов малой мощности). При увеличении сопротивления нагрузки входное сопротивление возрастает. Выходное сопротивление при вклю­чении с ОБ больше, чем при других включениях, и растет при увели­чении внутреннего сопротивления источника сигнала. Коэффициент гармоник при включении транзистора с ОБ обычно не превы­шает нескольких процентов даже при полном использовании транзи­стора.

Включение транзистора с ОЭ позволяет получить усиление как тока, так и напряжения сигнала. Коэффициент усиления мощности при таком включении наибольший, однако он очень изменяется при изменении режима транзистора, температуры и замене экземпляров транзисторов. Входное сопротивление транзистора при включении с ОЭ значительно выше, чем при включении с ОБ, и находится в преде­лах от нескольких ом (для транзисторов большой мощности) до тысяч ом (для транзисторов малой мощности). При увеличении сопротивле­ния нагрузки входное сопротивление уменьшается. Выходное сопро­тивление транзистора меньше, чем при включении с ОБ, и уменьшается при увеличении внутреннего сопротивления источника сигнала. Коэф­фициент гармоник при включении транзистора с ОЭ больше, чем при других включениях. Однако такое включение применяется наиболее широко, так как позволяет получить наибольшее усиление мощности (напряжения при заданном сопротивлении нагрузки).

Включение транзистора с ОК позволяет достичь наибольшего входного сопротивления (до сотен килоом для маломощных БТ). Это сопротивление существенно возрастает при увеличении сопротивления нагрузки. Выходное сопротивление при таком включении меньше, чем при других включениях, и находится в пределах от десятых долей ома (для транзисторов большой мощности) до тысячи ом (для транзи­сторов малой мощности). Оно резко возрастает при увеличении внут­реннего сопротивления источника сигнала. Коэффициент усиления напряжения при включении транзистора с ОК меньше единицы, коэф­фициент усиления тока несколько больше, чем при включении с ОЭ, и очень изменяется при изменении режима работы, температуры и замене транзисторов.

Включение с ОК применяют в каскадах предварительного усиле­ния, когда требуются большое входное сопротивление и малая входная емкость.

При выборе источника пита­ния каскадов на транзисторах необходимо учитывать, что увеличение напряжения питания позволяет увеличить сопротивление в цепи кол­лектора и, следовательно, коэффициент усиления каскада. Однако при этом снижается КПД каскада. При большем напряжении питания можно выбрать большее сопротивление в цепи эмиттера, улучшив тем самым стабильность режима транзистора. Жела­тельно, чтобы напряжение питания составляло 6...15 В, причем мень­шие значения предпочтительны для малогабаритных и портативных устройств с автономным питанием.

Режим работы транзисторов при слабых сигналах (не более 5 мВ) выбирают обычно так, чтобы получить необходимые усилительные параметры при как можно меньшем потребляемом токе. Динамическую характеристику в этом случае не строят, поскольку используется ее очень малый участок. Определяют только положение рабочей точки и соответствующие ей токи и напряжения на электродах. Значение тока коллектора в рабочей точке выбирают с учетом того, что при его увеличении возрастают крутизна характеристики прямой передачи транзистора и, следовательно, коэффициент усиления, однако снижается КПД каскада. Обычно для каскадов, работающих в режиме слабых сигналов, выбирают ток коллектора в пределах 0,5...5 мА (чаще всего 1...2 мА). Напряжение на коллекторе в рабочей точке U_К0 не должно пре­вышать U_K=(0,6...0,8)U_КЭmax, где U_КЭmax - максимально допу­стимое напряжение коллектор - эмиттер. При меньших U_К0 выше надежность каскада. Кроме того, U_К0 должно быть значительно меньше ЭДС источника питания Е (желательно U_К0 < 0,5E). Уменьшение U_К0 (иногда ниже 2 В) целесообразно для снижения уровня шумов первых каскадов усилителя, работающего при очень слабых входных сигналах. Выбрав напряжение на коллекторе и ток коллектора, можно определить по характеристикам транзистора необходимое смещение на базу. Выбранные параметры определяют мощ­ность, рассеиваемую на коллекторе: Р_К= I_К0U_K, и полное активное сопротивление элементов каскада, включаемых в цепи коллектора и эмиттера: R_S = (Е - U_K0)/I_К0- Сопротивление R_S состоит из сопротивлений резисторов R_К, R_Э и R_Ф или R_К и R_Э (см.рис.10,а,б). Для повышения надежности каскадов целесооб­разно типы транзисторов и режим их работы выбирать так, чтобы P_К была намного меньше максимально допустимой Р_Кmax, приводимой в справочных данных.

При выборе режима работы каскада, усиливающего сильные сиг­налы (предвыходного), основное значение имеет выбор той области ста­тических характеристик транзистора, в которой можно получить заданную максимальную амплитуду тока, напряжения или мощности при допустимом уровне нелинейных искажений и по возможности меньшем расходе энергии источника питания. В случае бестрансформа­торной связи предвыходного каскада с выходным типы транзисторов и их режим следует выбирать в зависимости от требуемой амплитуды тока I_m во входной цепи выходного каскада. Максимально допустимый ток коллектора должен удовлетворять условию I_Кmax > 2I_m. Ток коллектора в рабочей точке выбирают из условия I_К0=I_m+I_Кmin, причем I_Kmin обычно принимают равным (0,1...0,2)I_m. Динамическую характеристику проводят с углом наклона, соответствующим сопротивлению нагрузки каскада для переменного тока R_Н, так, чтобы ее середина совпала с линией I_К0 (точка О на рис.11) и мини­мальное напряжение на коллекторе U_Kmin было не меньше 1...2 В. Определив напряжение на коллекторе в рабочей точке U_К0, вычисляют, R_S и Р_К так же, как и при слабых сигналах (см. выше). Кроме того, определяют амплитуду тока базы по выходным характеристикам (см. рис.11) и амплитуду напряжения на входе каскада по входной ха­рактеристике, при которых достигается амплитуда тока на выходе I_m .