3.4.4 Усилительный каскад с общим эмиттером

В связи с тем, что усилительный каскад с общим эмиттером осуществляет усиление как по току, так и по напряжению и имеет достаточно большое входное сопротивление, он получил наибольшее распространение. Схема усилительного каскада приведена на рисунке 3.15.

а б

а – принципиальная схема; б – построение выходного сигнала.

Рисунок 3.15 – Усилительный каскад с общим эмиттером

Назначение элементов: транзистор VТ – нелинейный управляемый элемент; емкости C₁ и C₂ служат для подачи входного сигнала на усилитель и снятия выходного сигнала и, кроме того, обеспечивают "развязку" источника входного сигнала, нагрузки и источника питания усилителя по постоянному току. Под "развязкой" понимается исключение протекания постоянного тока источника питания через источник сигнала (С₁) и через нагрузку (С₂). Резисторы R₁ и R₂ предназначены для задания рабочей точки во входной цепи, а резистор R_к – в выходной цепи.

Для обеспечения минимальных нелинейных искажений положение рабочей точки на характеристиках необходимо задать на линейных участках (точка O' и О рисунок 3.15б). В схеме (рисунок 3.15а) резисторы R₁ и R2,включенные между +U_n и -U_n (общая шина), образуют делитель напряжения питания. Напряжение на R₂ должно быть равно U_бо и задает положение точки O' на входной характеристике.

Для определения положения рабочей точки на выходных характеристиках необходимо решить задачу нахождения токов и напряжений при последовательном соединении линейного элемента (R_к) и нелинейного – (VТ). Задача решается графоаналитическим методом. На выходных характеристиках в масштабе графика строится прямая для R_к. Построение осуществляется по двум точкам: режим холостого хода – точка С (U = U_n; I = 0) и режим короткого замыкания – точка D (U = 0; I = U_n/R_к) (рисунок 3.15б). Точка О пересечения нагрузочной прямой DC с выходной характеристикой транзистора, соответствующей I_бо, дает решение задачи (U_ко, I_ко). Данное построение проведено для случая, когда входного переменного сигнала нет (е_вх = 0). Так как через конденсатор С2 постоянный ток не протекает, то выходное напряжение также равно нулю (U_вых = 0). Рассмотренное состояние схемы называют режимом работы по постоянному току.

Для анализа работы в режиме усиления гармонического сигнала необходимо учесть следующее: сопротивление разделительных конденсаторов на рабочей частоте мало и можно считать, что

1/С₁  0 и 1/С₂  0. (3.64)

Кроме того, в источнике питания усилителя присутствует емкость сглаживающего фильтра гораздо большей величины, чем С_1, и С₂, т.е. можно считать, что для переменной составляющей источник питания представляет короткое замыкание. В связи с этим, для переменной составляющей нагрузочное сопротивление будет представлять параллельное соединение R_н и R_к и равно:

R^'_н = R_нR_к/(R_к + R_н) . (3.65)

Нагрузочная прямая по переменному току будет проходить через рабочую точку О под углом , равным:

 = arctg(1/R'_н)Кm, (3.66)

где К_m = m_I/m_U – масштабный коэффициент;

m_I – масштаб по оси токов;

m – масштаб по оси напряжений.

На рисунке 3.15б нагрузочная прямая представлена пунктирной линией A'OB'.

Если от источника сигнала на базу транзистора поступает синусоидальное напряжение с амплитудой U'_mвх, то базовый ток будет изменяться от I_бо до I_б2 при положительной полуволне и от I_бо до I_б1, при отрицательной (рисунок 3.15б). При этом на выходных характеристиках положение рабочей точки будет изменяться от точки 0 до точки A' при I_б = I_б2 и от точки 0 до точки В' при I_б = I_б1. Таким образом, при гармоническом входном сигнале рабочая точка на входной характеристике колеблется между точками 0'' и 0''' относительно 0', а на выходных характеристиках – между А' и В' относительно точки 0. Так как для работы выбраны линейные участки характеристики, то форма базового и коллекторного тока будет повторять форму входного сигнала. В связи с тем, что напряжение на коллекторе транзистора определяется соотношением

U_к = U_n – I_к R_к, (3.67)

оно будет находиться в противофазе с входным сигналом.

В рассмотренной схеме усилителя рабочая точка транзистора задается с помощью делителя напряжения, т.е. задается напряжение U_бо. Такой способ называется задание рабочей точки фиксированным напряжением на базе. Сопротивления делителя определяются из очевидных соотношений (рисунок 3.15а):

(3.68)

U_бо, I_бо определяются с помощью входной характеристики (рису- нок 3.15в). Выбор величины тока делителя осуществляется из следующих соображений. Чем больше Ig, тем стабильнее работает каскад, так как изменение токов Iк и Iэ, а значит и тока базы I_б = I_к – I_э, незначительно влияют на величину напряжения смещений. В то же время I_g не следует выбирать очень большим, так как это снижает КПД каскада и уменьшает входное сопротивление усилителя. Уменьшение входного сопротивления связано с тем, что резисторы R₁ и R₂ для входного сигнала (по переменной составляющей) включены параллельно входному сопротивлению транзистора. Общее сопротивление R₁ и R₂ равно:

R_б = R₁ R₂/(R₁ + R₂) . (3.69)

R_б должно быть значительно больше R_вхт и составлять несколько килоом, так как иначе делитель зашунтирует транзистор и общее входное сопротивление каскада, равное:

R_вхк = R_вхт R_б/(R_вхт + R_б), (3.70)

окажется недопустимо малым. Практически ток делителя выбирают в пределах

I_g = (2  5)I_{бо .} (3.71)

а б в

а – фиксированным напряжением на базе; б – фиксированным током базы; в – входная характеристика.

Рисунок 3.16 – Способы задания рабочей точки транзистора

Другим распространенным способом задания рабочей точки является фиксация I_бо. Схема такого каскада приведена на рисунке 3.16б. Величина сопротивления резистора R₁ определяется из соотношения

R₁ = (U_n – U_бо)/I_бо. (3.72)

Так как U_n > U_бо, то I_бо  U_n/R₁, т.е. является величиной постоянной.

Термостабилизация режима работы усилительного каскада.

Как уже отмечалось в разделах 2.3 и 2.4, параметры полупроводниковых приборов существенно зависят от температуры. В связи с этим, этапы развития полупроводниковой электроники неразрывно связаны с разработкой и совершенствованием схемных решений улучшения термостабильности устройств. Различают два основных способа термостабилизации: применение термозависимых элементов и использование отрицательной обратной связи. На рисунке 3.17 приведены различные схемные решения стабилизации рабочей точки транзистора с помощью термозависимых элементов.

а б в г д

а, б – терморезистора; в – диода; г – транзистора; д – входные ВАХ.

Рисунок 3.17 – Схемы термостабилизации рабочей точки с помощью

термозависимых элементов

Сущность этого метода заключается в автоматическом изменении положения рабочей точки транзистора таким образом, чтобы скомпенсировать температурные изменения параметров. Если рабочая точка транзистора задается с помощью делителя напряжения (рисунок 3.17а), то напряжение на базе зафиксировано и при изменении температуры рабочая точка из положения 0 переместится в положение 0’ (рисунок 3.17д). Штриховая линия на рисунке соответствует входной характеристике при повышенной температуре.

Для устранения этого явления резистор R₂ выбирают с отрицательным ТКС, и с ростом температуры, в соответствии с выражениями (3.68), напряжение на базе транзистора уменьшится; рабочая точка перейдет в положение 0''; базовый ток вернется в исходное состояние и, следовательно, положение рабочей точки на выходной характеристике не изменится. Аналогично будет происходить стабилизация режима работы, если использовать в качестве R₁ терморезистор с положительным ТКС. Если рабочая точка задается фиксированным током, то стабилизация достигается использованием в качестве R₁ (рисунок 3.17б) терморезистора с ТКС > 0. Недостатком схем стабилизации с помощью терморезисторов является сложность термостабилизации в диапазоне температур, так как законы изменения сопротивления терморезисторов и параметров транзисторов от температуры не совпадают. В связи с этим в качестве термозависимых элементов используют P–N переход, выполненный из такого же материала, что и транзистор усилителя. В качестве P–N переходов используют диоды (рисунок 3.17в); транзисторы в диодном включении (рисунок 3.17г). Так как напряжение на P–N переходе VD (рисунок 3.17в) и VT1 (рисунок 3.17г) при увеличении температуры уменьшается, то это приводит к уменьшению напряжения смещения на транзисторе усилителя и восстановлению значения базового тока. Закон изменения смещения будет в точности соответствовать температурным изменениям параметров транзистора усилителя. При использовании этого метода довольно сложно учесть изменение коллекторного тока.

Более эффективным методом термостабилизации является использование ООС в усилителе, когда воздействие на вход усилителя осуществляется пропорционально изменению выходной величины. На рисунок 3.18 приведены схемы термостабилизации с помощью ООС по току (рису- нок 3.18а) и по напряжению (рисунок 3.18б). В разделе 3.4.3 уже рассмотрели, что ООС уменьшает влияние внешних дестабилизирующих факторов, одним из таких факторов может быть температура. Рассмотрим подробнее работу схем. В схеме (рисунок 3.18а) в цепи эмиттера усилителя добавлена цепочка R₄, C₃.

С помощью этих элементов реализуется ООС по постоянному току. Величина емкости С₃ выбирается таким образом, чтобы сопротивление (1/С₃) на рабочей частоте равнялась нулю. Таким образом, по переменной составляющей в данной схеме ООС нет и цепочка С₃, R₄ на коэффициент усиления не влияет. При возрастании температуры происходит увеличение тока базы, коэффициента усиления, , тока эмиттера. Это вызывает увеличение падения напряжения на R₄. Напряжение U_R4 приложено к переходу база-эмиттер транзистора через резистор R₂ обратной полярностью (рисунок 3.18а).

а б

а – ООС по току; б – ООС по напряжению.

Рисунок 3.18 – Схемы термостабилизации рабочей точки с помощью отрицательной обратной связи

U_бэ = U_R2 – U_R4 . (3.73)

Следовательно, при повышении температуры смещение на базе транзистора уменьшается и базовый ток возвращается в исходное состояние.

В схеме рисунка 3.18б реализована ООС по напряжению. Схема работает следующим образом. Повышение температуры в конечном итоге вызывает рост тока коллектора, это приводит к уменьшению напряжения на коллекторе в соответствии с соотношением

U_к = U_n – I_к R₂.

Так как резистор R₁, задающий базовый ток, подключен к коллектору транзистора, то ток базы будет уменьшаться, что и приведет к стабилизации тока коллектора. Ток базы в этой схеме можно определить из соотношения

. (3.74)

В этой схеме действует ООС по переменному напряжению. Для ее устранения резистор R₁ разбивают на две части и замыкают среднюю точку через емкость большой величины на общую шину (на рисунке 3.18б показано пунктиром).

На практике чаще всего используются одновременно оба способа: положение рабочей точки во входной цепи стабилизируется с помощью термозависимого элемента и, кроме того, вводится ООС.