Lektsionnye_materialy_osen_2013 (1) / 7 Способы включения БТ в схему УК

7 Способы включения транзистора в схему усилительного каскада

Основными звеньями, на базе которых осуществляется синтез и эскизное проектирование усилительных схем, являются одиночные усилительные каскады. Знание разработчиком свойств этих каскадов – первоочередное условие грамотного составления им принципиальной схемы.

Исходным пунктом при проектировании одиночного каскада является выбор способа включения в его схему усилительного прибора. Возможны шесть способов подключения трехполюсного элемента к схеме, но практически в усилительных схемах используется только три, так как только при этих трех способах входные сигналы обладают эффективным управляющим воздействием на выходной ток. Эти применяемые способы включения иллюстрирует рисунок 1, где приведены эквивалентные схемы каскадов на переменном токе. Во всех схемах один из электродов усилительных приборов является общим для входных 1-1' и выходных 2-2' цепей (для входного контура и контура нагрузки), поэтому схемы на рисунке 1а…1в называют, соответственно, схемами общий эмиттер (ОЭ), общий коллектор (ОК) и общая база (ОБ).

В отношении возможных областей применения различных способов включения можно сформулировать ряд рекомендаций, а именно:

1. Наибольшее усиление по мощности обеспечивает включение УП по схеме ОЭ. Это включение считается основным. При нем в каскаде имеет место не только наибольшее усиление по мощности, но и, как правило, существенные усиления по току и напряжению, приближающиеся к максимально достижимому. Поэтому на использовании схем ОЭ ориентируются в первую очередь. Приведенные ранее соотношения для g-параметров относятся к этой схеме включения. В дальнейшем параметры, относящиеся к этой схеме, будем в формульных соотношениях использовать без каких-либо дополнительных индексов, тогда как параметры, относящиеся к другим включениям, будем снабжать соответствующими индексами. Так параметр означает входную проводимость, соответствующую включению транзистора по схеме ОК.

2. В ряде случаев получение наибольшего усиления не является главной задачей. В связи с этим часто в усилителях применяют и другие изображенные на рисунке 1 схемы включения, которые по ряду параметров и свойств превосходят основную схему включения.

Рисунок 1. Схемы включения транзистора в схему каскада

В схемах ОК (рисунок 1б) коэффициент передачи напряжения близок к единице, в результате чего выходной сигнал по величине и фазе повторяет входной (u_вых = u_вх). Поэтому эти каскады называются повторителями напряжения (эмиттерный повторитель). Основным достоинством этих каскадов является то, что они обладают малой входной проводимостью и большой выходной. Поэтому указанные каскады используются как согласующие и разделительные, обеспечивающие высокие значения сквозного коэффициента передачи при прохождении сигнала от высокоомного источника ЭДС к низкоомным цепям, приближая коэффициент передачи входной цепи к максимально достижимому значению, равному единице.

Частое применение повторители напряжения находят в каскадах, работающих на радиочастотный кабель. Такой кабель является низкоомной нагрузкой и во избежание шунтирующего ее воздействия на выход каскада последний должен обладать малым выходным сопротивлением.

3. В схемах ОБ (рисунок 1в) выходной ток практически равен входному, поэтому эти схемы можно назвать повторителями тока (вытекающий выходной ток повторяет втекающий входной). Повторители тока не обладают усилением по току, имеют большую входную проводимость и пониженное (по сравнению с основной схемой) усиление по мощности. Все это ограничивает сферу применения схем ОБ. В основном эти включения применяются в высокочастотных схемах там, где становится заметным влияние паразитных обратных связей через проходную паразитную емкость, связывающую выходную цепь каскада с его входом.

Соотношения для параметров каскада в целом (с учетом сопротивления источника сигнала и нагрузки) применимы при любой схеме включения транзистора при условии использования в них параметров, относящихся к соответствующей схеме включения. Так для схемы общая база .

Обычно параметры схем включения, отличных от основной, выражают через параметры последней.

; ;

; ; (1)

; .

В биполярных и полевых транзисторах численные значения g-параметров таково, что g₂₁ >> g₁₁ >> g₂₂ >> g₁₂, в результате чего и (1) можно при вычислениях использовать следующие приближенные соотношения

; ;

; ; (2)

;

Подстановка малосигнальных параметров транзистора в выражения для коэффициентов усиления и импедансов 4-полюсника дает выражения, определяющие свойства различных каскадов в удобной для проведения вычислений форме, когда эти свойства представлены через g-параметры основной схемы включения. Результаты этой подстановки представлены в таблице 1.

Таблица 1

Схема	K	gвх	gвых	Ki
ОЭ
ОК
ОБ

Данные о выходной проводимости g_вых в таблице относятся только к самому транзистору, т.е. они не включают проводимость его нагрузки g_н. Полная выходная проводимость каскада очевидно равна сумме проводимостей g_вых и g_н. Следует отметить, что выходная проводимость при включении ОК существенно зависит от сопротивления источника сигнала R_c, так как при этом включении транзистора нельзя пренебрегать влиянием внутри транзисторной обратной связи через прямо смещенный p-n переход база-эмиттер.

Пример. Для рассмотренного в примере раздела 6 случая определить, какими свойствами будет обладать каскад при включениях в него транзистора по схемам ОЭ, ОБ и ОК. Вычисления выходных проводимостей выполнить для случая, когда источник сигнала имеет нулевое сопротивление (R_c = 0 Ом).

Решение

1. В соответствии с данными таблицей 1 и найденными в предыдущем примере значениями g-параметров вычисляем величины коэффициентов передачи и входных проводимостей схем ОЭ, ОБ и ОК.

К_оэ = u_вых / u_вх = –g₂₁ / (g₂₂ + g_н) = –0,65/(0,28 10^–3 + 1/150)  100;

К_об = u_вых / u_вх = g₂₁ / (g₂₂ + g_н) = 0,65/(0,28 10^–3 + 1/150)  100;

К_ок = u_вых / u_вх = g₂₁ R_н / (1 + g₂₁ R_н) = 0,65 150/(1 + 0,65 150)  0,990;

g_{вх оэ}  g₁₁ = 6,5 10^–3 См;

g_{вх об}  g₁₂ + g₁₁ = 0,65 + 6,5 10^–3  0,66 См;

g_{вх ок} = g₁₁ / (1 + g₂₁ R_н) = 6,5 10^–3 / (1 + 0,65 150)  6,7 10^–6.

2. В соответствии с данными таблицы 1 и найденными в примере значениями g-параметров вычисляем значения входных проводимостей рассматриваемых схем для случая нулевого сопротивления источника сигнала (для R_c = 0). Вычисления выполним без учета шунтирующего влияния на выходную проводимость резистора R_н.

g_{вых оэ}  g₂₂ = 0,28 10^–3 См;

g_{вых об}  g₂₂ = 0,28 10^–3 См;

g_{вх ок} = g₂₁ + g₁₁ = 0,65 +6,5 10^–3  0,66 См.

Приводимые в таблице данные о значениях коэффициента усиления по току не учитывают возможного разветвления тока, как на входе транзистора, так и на его выходе. Последнее разветвление отсутствует при работе транзистора в режиме короткого замыкания в выходной цепи или же в условиях, когда g_н >> g₂₂.

Обычно к входной и выходной клеммам усилительного каскада (к входному и выходному узлам его схемы) подключены не только соответствующие выводы транзистора, но и дополнительные проводимости, шунтирующие вход и выход каскада. Вследствие этого на входе и выходе транзистора происходит дополнительное токоответвление. В частности, непосредственно потребляемый транзистором ток i_вх составляет лишь часть сигнального тока i_с, поступающего на вход каскада от источника сигнала. Аналогичные процессы токоответвления могут наблюдаться и на выходе транзистора, в результате чего выходной ток i_вых транзистора лишь частично поступает в нагрузку, выступающую в роли потребителя тока.

Ответвляющее влияние дополнительных проводимостей, подсоединяемых к какому-либо j-му узлу любой схемы, можно учесть с помощью коэффициента ответвления К_ij тока в этом узле. По аналогии с коэффициентом передачи по напряжению параметр можно рассматривать как коэффициент передачи по току, при этом

, (3)

где – проводимость нагрузки-потребителя тока, подключенной к j-му узлу; g_j – суммарная проводимость дополнительных цепей, включенных между рассматриваемым узлом и точкой нулевого потенциала. В одиночном каскаде многокаскадного усилительного тракта в качестве выступает входная проводимость транзистора g_вх, а в качестве - входная проводимость , каскада, следующего за рассматриваемым.

В результате рассмотренного токоответвления коэффициент усиления K_i каскада в общем случае определяется не одним, а тремя коэффициентами передачи, а именно

, (4)

где , - коэффициенты ответвления тока на входе и выходе каскада; - коэффициент усиления по току транзисторной части каскада (усилительного прибора).