
- •6 Усилители электрических сигналов
- •Общие сведения об усилителях
- •Принцип построения усилительных каскадов
- •Усилители на биполярных транзисторах
- •Усилительный каскад на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером (оэ)
- •Усилительный каскад на биполярном транзисторе по схеме с общим коллектором (ок) (эмиттерный повторитель)
- •Режимы работы усилителей на биполярных транзисторах
- •Способы обеспечения режима покоя
- •Усилительный каскад на полевом транзисторе с управляющим p-n переходом
- •Линия нагрузки по переменному току т0т3 определяется сопротивлением
- •Усилительный каскад на полевом мдп-транзисторе с индуцированным каналом
- •Усилительный каскад на полевом мдп-транзисторе со встроенным каналом
- •Многокаскадные усилители
- •Обратные связи в усилителях
- •Усилители мощности
- •Усилительный каскад с трансформаторным включением нагрузки
- •Основные параметры усилителей мощности
- •Операционные усилители
- •Общие сведения
- •Основные схемы включения оу
- •Схемы включения оу для выполнения математических операций
Усилительный каскад на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером (оэ)
О
сновными
элементами схемы (рис. 6.5) являются
источник питания Ек,
управляемый элемент – транзистор VT
и резистор Rк.
Эти элементы образуют главную цепь
усилительного каскада, в которой за
счет коллекторного тока создается
усиленное переменное напряжение на
выходе схемы. Остальные элементы
выполняют вспомогательную роль.
Конденсаторы Ср1,
Ср2
являются разделительными. Конденсатор
Ср1
исключает шунтирование входной цепи
каскада цепью источника входного сигнала
по постоянному току. Функция конденсатора
Ср2
сводится к пропусканию в цепь нагрузки
переменной составляющей напряжения и
задержанию постоянной составляющей.
Резисторы R1, R2 используются для задания режима покоя каскада. Поскольку биполярный транзистор управляется током, то ток покоя в цепи коллектора Iкп создается заданием соответствующей величины тока базы покоя Iбп. Резистор R1 предназначен для создания цепи протекания тока Iбп. Совместно с R2 резистор R1 обеспечивает необходимое напряжение на базе UR2 относительно зажима «+ Ек» источника питания.
Работа усилительного каскада сопровождается изменением его температурного режима. Причин тому две: тепловое действие тока коллектора и температура окружающей среды. Обе причины ведут к росту тока покоя Iкп, а соответственно и токов Iэп, Iбп. В результате изменяются параметры режима покоя, что приводит к появлению нелинейных искажений. Таким образом, усилительный каскад с ОЭ нуждается в температурной стабилизации положения рабочей точки (уменьшении влияние температуры на начальное положение рабочей точки). С этой целью в эмиттерную цепь введен резистор Rэ, на котором создается напряжение отрицательной обратной связи (ООС) по постоянному току URэ.
Рост тока коллектора Iкп ведет к увеличению тока эмиттера Iэп, что приводит к росту падения напряжения URэ, в результате чего уменьшается напряжение Uбэп
|
(6.9) |
соответственно уменьшается ток базы Iб и ток коллектора Iк, т.к.
|
(6.10) |
Таким образом, ток покоя коллектора остается практически неизменным при изменении температурного режима усилительного каскада.
В активном режиме на резисторе Rэ падает напряжение, вызванное протеканием как постоянного, так и переменного токов. Согласно выражению (6.9) это приводит к изменению напряжения Uбэп − появляется ООС по переменному току. Для ее устранения резистор Rэ шунтируют конденсатором Сэ, сопротивление которого на частоте усиливаемого сигнала мало, вследствие чего переменный ток iэ протекает через конденсатор, а постоянный ток Iэп − через резистор Rэ.
Принцип действия каскада на биполярном транзисторе, включенном по схеме с ОЭ заключается в следующем. При подключении к входу усилителя источника синусоидальной э.д.с. ег на базе транзистора появляется синусоидальное напряжение uвх, которое изменяет напряжение Uбэп. Под влиянием напряжения uвх в цепи базы появляется переменная составляющая тока iб, которая вызывает появление переменной составляющей тока коллектора iк = iб. На коллекторе транзистора за счет падения напряжения на резисторе Rк падает напряжение Uвых, переменная составляющая которого через конденсатор Ср2 прилаживается к нагрузке Rн:
|
(6.11) |
Расчет каскада по постоянному току проводится графоаналитическим методом. Графические построения проводятся с помощью выходных характеристик транзистора (рис. 6.6, б). В осях выходных ВАХ проводят линию нагрузки каскада по постоянному току (Т1Т2), которая описывается уравнением
|
(6.12) |
Построение линии нагрузки каскада по постоянному току проводят по двум точкам, характеризующим режим холостого хода (точка Т1) и короткого замыкания (точка Т2) выходной цепи каскада:
– для точки Т1: кп = 0, Uкэп = Ек;
– для точки Т2: Uкэп = 0, кп = Ек /(Rк +Rэ).
Выбрав на входной характеристике б = f(Uбэ) необходимое значение тока базы покоя бп (рис. 6.6, а), тем самым определим координаты точки Т0 пересечения соответствующей выходной характеристики при б = бп с линией нагрузки каскада по постоянному току (рис. 6.6, б).
Начальное положение рабочей точки обеспечивается делителем напряжения, состоящим из резисторов R1 и R2, значение которых определяются соотношениями:
|
(6.13) |
|
(6.14) |
где д = (2…5)бп – ток делителя напряжения R1R2;
URэп = (0,1…0,25)Ек – падение напряжения на резисторе Rэ в режиме покоя.
При определении переменных составляющих выходного напряжения каскада и коллекторного тока транзистора используют линию нагрузки каскада по переменному току. При этом необходимо учесть, что по переменному току сопротивление в цепи эмиттера транзистора равно нулю, т.к. резистор Rэ шунтируется конденсатором Сэ, а к коллекторной цепи подключается нагрузка, т.к. сопротивление конденсатора Ср2 по переменному току мало. Сопротивление каскада по переменному току определяется сопротивлениями резисторов Rк и Rн, включенных параллельно, т.е.
|
(6.15) |
Т.к. при наличии входного сигнала напряжение и ток транзистора представляют собой суммы постоянных и переменных составляющих, линия нагрузки по переменному току проходит через точку покоя Т0 (рис. 6.6).
Наклон линии нагрузки по переменному току будет больше, чем по постоянному току, т.к. сопротивление нагрузки по переменному току меньше, чем по постоянному. Линию нагрузки по переменному току строят по отношению приращений напряжения к току:
|
(6.16) |
Произвольную величину ∆Uкэ откладывают влево от точки покоя Т0 (рис. 6.6, б), соответствующее ему значение ∆к, рассчитанное по выражению (6.16) откладывают вверх от тока кп (точка Т3). Соединив точки Т0 и Т3 получают линию нагрузки по переменному току.
При подаче на вход каскада напряжения uвх в базовой цепи транзистора создается переменная составляющая тока iб, связанная с напряжением uвх входной характеристикой транзистора. Так как ток коллектора через коэффициент пропорционально зависит от тока базы, в коллекторной цепи транзистора создается переменная составляющая тока iк и переменное выходное напряжение uвых, связанное с током iк линией нагрузки по переменному току. При этом линия нагрузки по переменному току характеризует изменение мгновенных значений тока коллектора iк и напряжения uкэ или перемещение рабочей точки.
Рабочая точка перемещается вниз от точки покоя Т0 при положительной полуволне входного напряжения и вверх – при отрицательной полуволне.
Для исключения искажений выходного сигнала необходимо, чтобы рабочая точка при перемещении вверх по линии нагрузки не заходила в область нелинейных начальных участков выходных характеристик, а при перемещении вниз – в область начальных токов коллектора ко. Работа каскада без искажений выходного сигнала достигается за счет обеспечения соответствующей величины входного сигнала и правильного выбора режима (точки) покоя.