4. Апериодические усилительные каскады в режиме малого сигнала
При построении усилительных устройств наибольшее распространение получили каскады на биполярных и полевых транзисторах, использующие соответственно схемы включения транзистора с общим эмиттером и общим истоком. Реже используются схемы включения с общим коллектором и общим стоком. Схемы включения с общей базой или общим затвором находят применение только в узком классе устройств, например, во входных цепях радиоприемных устройств, работающих в диапазоне УКВ.
Схема с общим эмиттером
Рисунок 2 – Упрощенная схема включения биполярного транзистора п-рп-типа с ОЭ
На рис. 2 приведена упрощенная схема включения биполярного транзистора п-р-п-типа с ОЭ, а на рис. 3 – семейства типичных статических характеристик этой схемы.
а) входные характеристики б) выходные характеристики
в) характеристики передачи г) характеристики обратной связи
Рисунок 3 – Статические характеристики схемы с ОЭ
Рассмотрение этих характеристик позволяет сделать следующие выводы.
Из входных характеристик (рис. 3.3,а) видно, что при достижении током базы IБо определенного уровня он практически перестает влиять на напряжение UБЭ, а вот незначительное изменение этого напряжения может приводить к существенным колебаниям тока IБо. Выходные характеристики (рис. 3.3,6) и характеристики передачи (рис. 3.3,в) позволяют сделать следующие заключения. Ток базы в активном режиме оказывает большое влияние на ток коллектора IКо (естественно, и на ток эмиттера IЭо, поскольку Iэ ≈ IК ), а тот одновременно незначительно зависит от колебаний напряжения UКЭо.
Итоговый вывод: при включении по схеме с ОЭ на положение рабочей точки биполярного транзистора (т.е. на ток коллектора IКо), находящегося в режиме линейного усиления (активный режим), наибольшее влияние оказывает ток базы IБо, который, в свою очередь, может сильно колебаться под воздействием изменений напряжения UКЭо. Токи коллектора IКо и эмиттера IЭо практически полностью определяются током базы транзистора. Напряжение UКЭо не оказывает существенного влияния на другие электрические показатели каскада и должно выбираться только из соображений обеспечения нахождения транзистора в области линейного усиления и не превышения предельных электрических режимов на электродах транзистора.
На практике получили распространение два способа обеспечения заданно-
го положения рабочей точки по постоянному току: схема с фиксированным током базы (рис. 4) и схема эмиттерно-базовой стабилизации (рис. 5).
В первой схеме стабильность всех показателей каскада по постоянному току базируется на поддержании устойчивого значения тока базы транзистора 1Б.
Достигается это созданием безальтернативной цепи протекания постоянного тока через резистор RБ и эмиттерный переход транзистора VT1. Поскольку сопротивление эмиттерного перехода мало, то ток IБ целиком определяется напряжением питания UП и значением базового сопротивления RБ :
Рисунок 4 – Схема с фиксированным током базы
βСТ – статический коэффициент передачи тока базы в схеме с ОЭ.
Но данная формула также демонстрирует и основной недостаток схемы с
фиксированным током базы (рис. 4). Дело в том, что при производстве биполярных транзисторов возникает большой разброс в возможных значениях коэффициента βСТ т.е. для разных экземпляров приборов необходимо устанавливать разные токи базы, чтобы обеспечить требуемое значение тока коллектора IК0 (заметим, что в выборе этого параметра недопустимы вольности, он определяет множество важнейших характеристик каскада, например, таких, как коэффициент усиления, линейность усиления, потребляемая мощность и т.п.). Таким образом, конкретная величина сопротивления RБ будет определяться теми характеристиками, которые присущи конкретному экземпляру примененного в каскаде транзистора, а не всем приборам данной серии. Это крайне неудобно при серийном производстве, поэтому схема с фиксированным током базы не находит широкого применения, гораздо больше распространена схема эмиттерно-базовой стабилизации (рис. 5) и различные ее доработки.
Рисунок 5 – Схема эмиттерно-базовой стабилизации
В этой схеме положение исходной рабочей точки каскада стабилизируется за счет поддержания неизменного значения напряжения на переходе эмиттер база транзистора.
Простейший способ обеспечения данного режима состоит в применении подключенного к базе транзистора делителя напряжения на двух резисторах R1, R2 , ток через который I Д0 значительно превышает все возможные значения тока базы IБо (это гарантирует, что ток базы транзистора не будет оказывать существенного влияния на напряжение в средней точке делителя). Стабильное напряжение UБЭ0 на эмиттерном переходе автоматически стабилизирует ток коллектора IКо транзистора.
Поскольку такой физический параметр транзистора, как сопротивление
эмиттерной области rЭ ; остается достаточно стабильным при массовом производстве, то и отпадает необходимость подбирать элементы делителя напряжения под
каждый конкретный прибор — достаточно лишь один раз произвести расчеты, учитывая тип и номинал применяемых транзисторов, и требуемое значение тока коллектора (эмиттера). Таким образом, схема эмиттерно-базовой стабилизации оказывается гораздо более удобной при массовом производстве и поэтому используется гораздо чаще.
Схема с общим коллектором
Упрощенная схема включения биполярного транзистора п-р-п-типа с общим коллектором (ОК) приведена на рис. 6.
Рисунок 6 – Упрощенная схема включения биполярного транзистора n-p-n
типа с ОК
На рис. 7 представлены входные статические характеристики этой схемы.
Рисунок 7 – Семейство входных статических характеристик с ОК
Ее выходные характеристики с учетом Iэ ≈Iк практически полностью совпадают с выходными характеристиками схемы с ОЭ (рис. 3).
Из статических характеристик видно, что напряжение на коллекторном переходе UБК0 , которое является входным для схемы с ОК, имеет большое влияние на ток базы IБ0 транзистора (но не наоборот) и почти совпадает (с учетом UБК0 ≥ UЭБ0 ) c напряжением UЭК0.
В то же время выходной ток IЭо оказывается значительно выше входного тока IБО и линейно от него зависит:
IЭ0 ≈ βIБ0 . Из этого следует важная особенность схемы с ОК: большое входное и низкое выходное сопротивление, что позволяет использовать ее как усилитель тока в различных цепях (при равенстве коэффициента усиления по напряжению единице схему с ОК принято называть эмиттерным повторителем).
На рис. 8 изображена схема задания смещения в транзисторном каскаде с ОК.
Рисунок 8 – Схема задания смещения в каскаде с ОК
Данная схема очень похожа на схему эмиттерно-базовой стабилизации, рассмотренную ранее для каскада с ОЭ, однако здесь мы стабилизируем напряжение на участке коллектор-база транзистора. Оказывается, что это также позволяет однозначно определить рабочую точку каскада (при заданном стабильном напряжении коллектор-база мы имеем стабильное значение тока базы и линейно от него зависящих токов эмиттера и коллектора транзистора). В схеме с ОК в цепи протекания тока базы IБО кроме перехода эмиттер – база транзистора VТ1 всегда оказывается также резистор RЭ. Здесь данный резистор фактически играет роль нагрузки.
Рассмотрим несколько подробнее его влияние на происходящие в каскаде процессы.
Делитель на резисторах R1, R2 позволяет стабилизировать напряжение UБКо на коллекторном переходе транзистора VТ1. Поскольку это напряжение очень близко по значению к напряжению UЭКо, на долю участка база - эмиттер остается достаточно незначительный диапазон возможных значений, причем увеличение напряжения на эмиттерном переходе UЭБо возможно только за счет снижения падения напряжения на резисторе RЭ , т.е. при уменьшении тока эмиттера IЭо, и наоборот. Но само по себе уменьшение тока эмиттера должно вызывать не увеличение, а уменьшение напряжения на эмиттерном переходе транзистора.
Действительно:
UЭБ =IБ0rБ+IЭ0rЭ≈IЭ rЭ
Таким образом, в схеме имеет место отрицательная обратная связь - по току нагрузки. Заметим, что значение сопротивления Rэ в этой схеме не может быть ни слишком большим, ни слишком малым, поскольку, с одной стороны, оно определяет режим работы каскада по токам Iк0 ≈ Iэ0 , а с другой –и является нагрузкой в цепи протекания выходного тока усилительного каскада (схема с ОК применяется именно как усилитель тока). Зачастую в реальных схемах резистора RЭ как такового и нет, его роль может выполнять входное сопротивление следующего за эмиттерным повторителем каскада.
Введение дополнительного сопротивления в эмиттерную цепь протекания тока транзистора может оказаться полезным и в каскаде с ОЭ. Там это сопротивление будет выполнять только роль элемента обеспечения ООС по току, поскольку нагрузка включается в коллекторную цепь. Может показаться, что смещение каскада с ОК можно организовать и способом, аналогичным тому, который был использован в схеме с фиксированным током базы, но это является ошибкой. Дело в том, что здесь в цепи протекания тока IБО появляется резистор RЭ падение напряжения на котором зависит в основном от тока IK0, т.е. даже незначительные колебания (например, ввиду колебаний температуры) тока IK0 могут привести к изменению тока базы IБО транзистора и, соответственно, к значительному смещению рабочей точки каскада.
Схема с общей базой
Упрощенная схема каскада с ОБ и ее статические характеристики приведены на рис. 9, 10.
Рисунок 9 – Упрощенная схема включения биполярного транзистора
n-р-n-типа с ОБ
Рисунок 10 – Статистические характеристики схемы с ОБ
Для задания смещения в схеме с ОБ используются все те же принципы, которые были описаны выше для каскадов с ОЭ и ОК: либо стабилизируется ток базы IБ0 , либо: напряжение на эмиттерном переходе транзистора UЭБ0 .
Топология каскада с ОБ такова, что оба варианта в нем реализуемы только при разделении цепей по постоянному и переменному токам (исключения возможны, если мы будем использовать источник питания со средней точкой или несколько источников питания), что неосуществимо для низкочастотных усилительных каскадов. Именно поэтому такие усилители применяются, как правило, только на достаточно высоких частотах (реже как динамические нагрузки других каскадов). Пример схемы высокочастотного усилителя на транзисторе во включении с ОБ с эмиттерно-базовой стабилизацией рабочей точки по постоянному току приведен на рис. 11.
Рисунок 11 – Высокочастотный усилитель по схеме с ОБ и эмиттерно-
базовой стабилизацией
На рис. 12 показано, как можно обеспечить смещение при наличии
источника питания со средней точкой или двух независимых источников питания
Рисунок 12 – Каскад на биполярном транзисторе по схеме с ОБ питанием
от источника со средней точкой или от двух независимых источников питания