Усилитель с эмиттерной стабилизацией

Рассмотрим RС-усилитель, в котором транзистор вклю­чен по схеме с общим эмиттером и используется эмиттерная стабилизация начального режима работы (рис.18).

Конденсатор С₁, называемый разделительным, препят­ствует связи по постоянному току источника входного сигнала с усилителем, что может вызвать нарушение ре­жима работы транзистора по постоянному току. Конден­сатор С₂, также называемый разделительным, служит для разделения выходной коллекторной цепи от внешней на­грузки по постоянному току. Конденсатор С_э обеспечивает увеличение коэффициента усиления усилителя по напря­жению, так как уменьшает амплитуду переменной состав­ляющей напряжения u_RЭ (говорят, что конденсатор С_э ликвидирует отрицательную обратную связь на перемен­ном токе).

Рисунок 18

Легко заметить, что для рассматриваемой схемы линия нагрузки на постоянном токе (ЛН₌, при и_вх= 0) описы­вается следующим выражением, полученным при замене тока эмиттера током коллектора (так как i_Э ≈ i_K):

Пусть параметры элементов схемы таковы, что в на­чальном режиме работы i_б = i_б2. Соответствующее поло­жение начальной рабочей точки указано на рис.19. На основании приведенного выше краткого анализа схемы с эмиттерной стабилизацией получаем

При расчетах часто принимают, что u_бЭ = 0,6...0,7 В (для кремниевых транзисторов). Пренебрегая током I'_ко, полу­чаем i_K =β_ст·i_б.

Рисунок 1

Отсюда следует, что в схеме с эмиттерной стабилизацией ток базы непосредственно зависит от того, какое значение коэффициента β_ст будет иметь конкретный используемый транзистор. Если значение коэффициента β_ст окажется большим, то ток базы будет малым, и наобо­рот.

Предположим, что напряжение питания Е_к задано и требуется обеспечить начальный режим работы при задан­ном начальном токе I_КН .

Изложим порядок предварительного определения ве­личин R_Э, R₁ и R₂.

Напряжение u_RЭ выбирают из соотношения

Затем, учитывая, что , определяют R_Э:

Определяют максимальный ток базы i_б.макс, соответствующий минимальному значению β_мин коэффициента β:

Выбирают ток i_дел делителя напряжения на резисторах R₁ и R₂, протекающий при отключении базы транзистора от делителя. При этом пользуются соотношением

Находят сумму сопротивлений:

Определяют напряжение

При этом считают, что

Определяют

И, используя вычисленное выше значение суммы R₁ и R₂, получают

Изложенный порядок расчёта величин R_Э, R₁ и R₂ , а также другие подобные методики расчета электронных схем до применения математического моделирования со­ставляли основу ручного проектирования устройств элек­троники. После подобных расчетов из конкретных элек­трорадиоэлементов изготавливали макет устройства и в результате его практического исследования уточняли зна­чения параметров элементов схемы (к примеру, определя­ли действительно необходимое значение R_Э).

В настоящее время значение подобных расчетов состо­ит в том, что они:

- во-первых, помогают уяснить взаимосвязь различ­ных параметров элементов электронной схемы, т. е. позволяют более глубоко проникнуть в сущность явлений, имеющих место в этой схеме;

- во-вторых, позволяют получить предварительные, ориентировочные значения параметров элементов, которые используются при математическом модели­ровании для определения окончательных значений.

Проведем анализ усилителя с эмиттерной стабилизаци­ей. Поскольку в данной схеме действуют одновременно постоянные и переменные напряжения, то осуществляют анализ схемы сначала по постоянному току, а затем по переменному. Но для этого вначале изображают эквива­лентную схему замещения усилителя, заменяя транзистор его эквивалентной схемой замещения. Для упрощения анализа часто в эквивалентной схеме замещения транзи­стора источником тока I'_ко и резистором r'_х пренебрегают, так как r'_х велико (r'_х → ∞), а I'_ко мало (I'_ко → ∞ ). Получают эквивалентную схему замещения усилителя (рис. 2).

Рисунок 2

Параметры элементов усилителя (в частности, емкос­ти конденсаторов С₁, С₂ и С_э) выбирают таким образом, чтобы в области средних частот переменные составляющие напряжений на конденсаторах С_ь С₂ и С_э были пре­небрежимо малы.

Полезно отметить, что амплитуды указанных перемен­ных составляющих зависят не только от емкостей С₁, С₂ и С₃. В соответствии с изложенным, в линейной эквива­лентной схеме для средних частот сопротивлениями ука­занных конденсаторов пренебрегают.

Транзистор для усилителя выбирают таким образом, чтобы в области средних частот ухудшение его усилитель­ных свойств при увеличении частоты было незначитель­ным. Если обратиться к комплексному коэффициенту , то сказанное означает, что выбирают транзистор с такой предельной частотой f_пред, которая не меньше наибольшей частоты из области средних частот. Поэтому в линейной эквивалентной схеме усилителя для средних частот не ис­пользуют емкости транзистора, а коэффициент β считают вещественным и постоянным.

В соответствии с изложенным, а также с целью упро­щения расчетов, в эквивалентной схеме транзистора ос­тавлены только резисторы с сопротивлением r_б, r_э и ис­точник тока, управляемый током β· i_б.

Поскольку нас интересуют только переменные состав­ляющие токов и напряжений, то величиной Е_к и сопро­тивлением источника питания Е_к пренебрегают. Будем считать, что R_r= 0 и влиянием резисторов R₁ и R₂ на ко­эффициент усиления переменного сигнала и_вх можно пре­небречь.

Рассмотрим линейную эквивалентную схему для сред­них частот, изображенную на рис. 3.

Ценность этой схемы не ограничивается тем, что она позволяет выполнить ручной расчет режима усиления. Еще более важно то, что эта схема помогает уяснить вли­яние параметров различных элементов усилителя на спо­собность усиливать входной сигнал. Из этой схемы хоро­шо видно, что для переменных составляющих токов и напряжений резисторы R_K и R_Н включены параллельно. При ручных графических расчетах этот факт находит от­ражение в том, что на выходных характеристиках строят так называемую линию нагрузки на переменном токе ЛН_~, наклон которой определяется величиной

Выше указывалось, что наклон линии нагрузки на по­стоянном токе ЛН₌ определяется величиной R_K+ R_Э. Именно по линии ЛН_~ перемещается рабочая точка РТ (не НРТ!), характеризующая режим работы усилителя при наличии переменного входного сигнала и_вх. На рис. 4 указана амплитуда U_нm напряжения на нагрузке и_н, равная амплитуде переменной составляющей напряжения и_кэ, и соответствующие предельные точки к и е на линии ЛН_~. При этом предполагается, что ток базы изменяется в пре­делах от i_б1 до i_б3. Изобразим временные диаграммы, ха­рактеризующие работу усилителя (рис. 5).

Рисунок 3

Рисунок 4

Рисунок 5

Обратим внимание на тот факт, что выходной сигнал u_H сдвинут относительно входного и_вх на 180°, т. е. RС-усилитель инвертирует сигнал по фазе. Иногда этот факт под­черкивают тем, что считают коэффициент усиления по напряжению отрицательной величиной.

Коэффициент усиления усилителя по напряжению К_и является одним из наиболее важных параметров усилите­ля. При условии, что R_r=0, коэффициент К_и определя­ется выражением

где U_вх.т – амплитуда входного напряжения u_вх.

Обратимся к линейной эквивалентной схеме для сред­них частот (рис. 3). Обозначим через I_б.т амплитуду пе­ременной составляющей i_б - тока базы. Тогда амплитуда I_э.т переменной составляющей тока эмиттера i_Э равна (1 +β)I_бт, а величина U_вx.m определяется выражением

Величина U_н.т определяется выражением

С учётом выражений для U_вх.т и U_н.т получим

Важными параметрами усилителя являются его входное и выходное сопротивления. Из линейной эквивалентной схемы, соответствующей принятым допущениям, хорошо видно, что входное сопротивление усилителя фактически является входным дифференциальным сопротивлением транзистора для схемы с общим эмиттером (r_д.оэ). Очевид­но и то, что выходное сопротивление усилителя равно ве­личине R_K.

Коэффициент усиления по току К_i определяется выражением

где I_вх.т и I_н.т – соответственно амплитуды тока источника входного сигнала и тока нагрузки.

В соответствии с принятыми допущениями I_вх.т = I_б.т.

Легко заметить, что

С учётом этого получим

АЧХ и ФЧХ усилителя аналогичны типовым характе­ристикам. Спад АЧХ в области низких частот обусловлен уменьшением коэффициента усиления усилителя за счет увеличения реактивного сопротивления емкостей С₁ С₂, С_э. Спад АЧХ в области высоких частот обусловлен ограниченными ча­стотными свойствами транзистора.