6.5. Каскады предварительного усиления

6.5.1. Каскад с оэ

В каскадах предварительного усиления на биполярных транзисторах чаще других используется схема с общим эмиттером, которая обладает высоким коэффициентом усиления по мощности. В простейшей схеме усилительного каскада с ОЭ с одним источником питания (рис. 6.16) коллектор транзистора подключен через резистор R_к к источнику питания Е_к, входной сигнал подается на базу транзистора относительно общей точки. Выходной сигнал снимается с коллектора, относительно той же заземленной точки.

К

Рис. 6.16. Схема усилительного каскада с ОЭ

онденсаторыC_p1иC_p2играют роль разделительных элементов. Разделительный конденсаторC_p1служит для предотвращения протекания постоянной составляющей тока базы через источник входного сигнала. С помощью конденсатораC_p2на выход каскада подается переменная составляющая напряженияU_кэ.

Для нормальной работы любого усилителя необходимо при отсутствии входного сигнала установить определенные токи и напряжения на транзисторе. Этот режим называют статическим или режимом покоя усилительного каскада. Постоянные токи и напряжения в цепях усилительного элемента (УЭ), соответствующие этому режиму называют токами и напряжениями покоя. Они определяют на входных и выходных статических характеристиках УЭ точку покоя (ТП). На рис. 6.17 показана работа каскада усиления при неправильно выбранной рабочей точке покоя.

Р

Рис. 6.17. Работа каскада усиления при неправильно выбранной

рабочей точке покоя

езисторR_б(см. рис. 6.16) в цепи базы обеспечивает выбор рабочей ТП на характеристиках транзистора (см. рис. 6.17) и определяет режим работы каскада постоянному току. Значение сопротивления этого резистора рассчитывают по формуле:

.

Цепь протекания постоянных токов в этой схеме:

1. ток эмиттера I_эппротекает по цепи общий провод, «эмиттер – база» транзистора, затем разделяется на ток базыI_бпи ток коллектораI_kп;

2. I_бппротекает через резисторR_би источник питания Е_к;

3. ток коллектора I_kппротекает через КП транзистора, резисторR_ки источник питания Е_к.

Приведенная схема получила название схемы с фиксированным током базы. Схема с фиксированным током базы отличается минимальным числом деталей и малым потреблением тока от источника питания. Кроме того, большое сопротивление R_б(десятки килоом) практически не влияет на величину входного сопротивления каскада. Но этот способ смещения пригоден лишь тогда, когда каскад работает при малых колебаниях температуры. Кроме того, большой разброс и нестабильность коэффициента передачи (β) даже у однотипных транзисторов делают режим работы каскада весьма не устойчивым при замене транзистора.

Более эффективной является схема с фиксированным напряжением смещения на базе (рис. 6.18). В этой схеме резисторы R₁иR₂, подключенные параллельно источнику питания Е_к, составляют делитель напряжения. Сопротивления делителя определяется из соотношений:

Рис. 6.18. Схема каскада с ОЭ с фиксированным

напряжением смещения на базе

; .

Ток делителя (I_д) обычно выбирают в пределах:

.

При введении делителя повышается стабильность режима работы схемы, так как изменения тока в цепях эмиттера и коллектора транзистора незначительно влияют на величину напряжения смещения (U_бэп). Вместе с тем ток делителя не следует выбирать слишком большим из соображений экономичности, поскольку чем больше токI_дтем более мощным должен быть источник питания (E_к).

Так как внутреннее сопротивление источника питания мало, можно считать, что R₁иR₂включены параллельно друг другу и параллельно входному сопротивлению транзистора по переменному току. Поэтому необходимо, чтобы

.

То есть делитель, образованный резисторами R₁иR₂должен обладать достаточно большим сопротивлением (приблизительно несколько килоом). Иначе входное сопротивление каскада окажется очень малым.

В зависимости от режима работы усилителя по постоянному току и значения входного усиливаемого сигнала различают следующие классы (или режимы) усиления: А, В, АВ, С, Д.

Режим А– это режим работы транзистора, при котором ток через него протекает в течение всего периода входного сигнала. В режиме А амплитуда переменной составляющей выходного тока не может превышать тока покоя в статическом режиме. Он характеризуется малыми нелинейными искажениями и низким КПД, поэтому его используют в КПУ и маломощных выходных каскадах (рис. 6.19, б).

В режиме В(рис. 6.19, в) ток через транзистор протекает в течение половины периода входного синусоидального сигнала, а при отсутствии входного сигнала он равен нулю. Обычно этот режим используют в двухтактных схемах усилителей (в однотактных большие нелинейные искажения). Для уменьшения уровня нелинейных искажений используют промежуточныйрежим АВ, который отличается от режима В наличием постоянной составляющей в статическом режиме (обычно 5 - 10 % от максимального тока при заданном входном сигнале). Режим АВ также используется в двухтактных схемах (рис. 6.19, в, штриховая линия).

В режиме С ток через транзистор протекает в течение промежутка времени, меньшего половины периода входного сигнала. Этот режим используется в мощных резонансных усилителях, в которых нагрузкой является колебательный контур (рис. 6.19, г).

Режим Д(или ключевой) – это режим, при котором транзистор находится в одном из двух состояний: запертом (режим отсечки) или открытом (режим насыщения).

Таким образом, при отсутствии переменного сигнала на входе усилителя в цепи коллектора протекает постоянный ток (I_кп). Для выходной цепи источника питания Е_кможно записать:

U_кэп = Е_к –I_rпR_к.

Так как напряжение источника питания постоянно, то это равенство выполняется при любых мгновенных значениях тока коллектора (i_к):

U_кэ = Е_к –i_кR_к

Последнее уравнение называют уравнением линии нагрузки по постоянному току. Линию нагрузки проводят на семействе выходных характеристики транзистор с ОЭ между точками с координатами:

U_кэ = 0;;

I_k = 0;U_кэ = Е_к.

Точка покоя (А) определится, как пересечение линии нагрузки с характеристикой, соответствующей базовому току покоя I_бп(рис. 6.20).

Точка покоя базовой цепи находится на входной характеристике i_б =f(u_бэ) и имеет координаты (U_бэп,I_бп) (рис. 6.20).

Р

Рис. 6.20. Входная характеристика транзистора

азрешенная область надежной работы транзистора (рис. 6.21) ограничивается максимально допустимыми током коллектора (I_{к max}), напряжением (U_{кэ max}) и рассеиваемой мощностью (P_{к max}). Режим транзистора по постоянному току выбирают так, чтобы под действием максимального входного сигнала ни один из этих параметров не был превышен даже на короткое время.

Линия нагрузки (рис. 6.21) ограничивается точками 1 и 2. За пределами участка 1 – 2 процесс усиления сопровождается значительными нелинейными искажениями. Выше точки 1 наступает насыщение транзистора, и он перестает управляться током базы. Ниже точки 2 транзистор оказывается в режиме отсечки, т.е. также перестает управляться.