Учебное пособие 800596
.pdf
ИК ~ |
Rн |
Ср |
|
R |
|
+ |
? |
Е2 |
|
(а) |
|
Ср |
L |
L1 |
|
||
С |
|
|
R |
|
|
+ |
? |
|
|
Е2 |
|
(б)
Рис. 2.50
Этот генератор работает следующим образом. При включении питания в коллекторной цепи начинает протекать ток, под влиянием которого в контуре LC возникают свободные колебания. Без транзистора они затухли бы вследствие потерь энергии в контуре. Но благодаря катушке обратной связи L1, которая индуктивно связана с катушкой контура L, колебания от контура передаются на вход транзистора (через конденсатор Ср). Если в результате усиления в контуре возникают колебания, совпадающие по фазе с первоначально возникшими свободными колебаниями и имеющие достаточную мощность для компенсации потерь энергии в контуре, то затухание прекратится. В контуре будут генерироваться незатухающие колебания. Для того чтобы усиленные колебания имели нужную фазу и поддерживали колебания в контуре LC, а не заглушили их, необходимо правильное включение катушки L1. Переменные напряжения на коллекторе и на базе должны быть в противофазе.
Мы рассмотрели примеры каскадов с включением транзистора по схеме с общим эмиттером. Конечно, возможны, также и другие схемы включения.
2.2.7. Схемотехника усилительных каскадов на полевых транзисторах
Подобно биполярным транзисторам полевой транзистор можно включить по одной из трех основных схем. На рис. 2.51 по-
163
казана наиболее часто применяемая схема включения с общим истоком (ОИ), аналогичная схеме с общим эмиттером. Каскад с общим истоком дает очень большое усиление тока и мощности и переворачивает фазу напряжения при усилении. Поскольку обычно Rн«Ri, где Ri – сопротивление канала, то коэффициент усиления каскада по напряжению можно подсчитать по формуле:
K SRн,
где S – крутизна, характеризующая управляющее действие затвора. В практических усилительных каскадах обычно применяет-
ся питание от одного источника Е2.
ИК |
~ |
|
|
|
|
|
|
|
Си |
Rи |
Rн |
|
|
||
|
|
- |
+ |
|
|
|
Е2 |
|
|
Рис. 2.51 |
|
Для получения постоянного обратного напряжения на управляющем n - p - переходе в провод истока включается резистор Rи, зашунтированный конденсатором Си. Постоянный ток стока Ic0 создает на резисторе Rн, напряжение Uз-и0=Iс0Rн, которое через источник колебаний ИК подается на n - p - переход. Сопротивление
Rн рассчитывается по формуле Rн=Uз-и0 Iс0. Величины Uз-и0 и Ic0 могут быть определены для выбранного режима работы из выходных
характеристик. Через конденсатор Си проходит переменная составляющая тока стока. Емкость Си должна быть такой, чтобы емкостное сопротивление для низшей частоты fн было во много раз меньше Rн. Тогда на емкости Си будет небольшое переменное напряжение. Если конденсатора Си нет или его емкость недостаточна, то на Rи получается значительное переменное напряжение. Оно будет подаваться на вход транзистора в противофазе с входным напряжением Uвх (отрицательная обратная связь). Результирующее переменное напряжение на входе транзистора станет меньше, и коэффициент усиления снизится.
164
Следует заметить, что иногда такая отрицательная обратная связь применяется для улучшения работы усилителя (уменьшения искажений, повышения устойчивости коэффициента усиления).
ИК |
~ |
|
|
С |
Rн |
|
|
|
|
R1 |
R2 |
|
- |
Е2 + |
|
Рис. 2.52 |
|
Схема на рис. 2.51, называемая часто схемой с автоматическим напряжением смещения Uз-и0 n - р-перехода, пригодна для запирания транзистора. Действительно, напряжение смещения Uз-и получается за счет тока стока Ic0, но у запертого транзистора этот ток равен нулю. Если нужно запереть транзистор при отсутствии входного напряжения Uвх, то применяют схему, представленную на рис. 2.52. В ней напряжение источника Е2 подано на делитель R1 R2 и постоянное напряжение на резисторе R1 является запирающим напряжением смещения Uз-и0. Сопротивление R1 определяется по формуле
R1=Uз-и0/Iд, где Iд – ток делителя, который выбирается сравнительно небольшим, чтобы на делителе не было значительной потери мощности источника Е2. Но вместе с тем ток Iд должен быть в несколько раз больше тока Ic0, получающегося при подаче входного напряжения Uвх. Конденсатор С выполняет ту же роль, что и в предыдущей схеме.
165
Рис. 2.53
Рис. 2.54а
Рис. 2.54б
166
Иногда источник колебаний ИК помимо переменного дает постоянное напряжение, которое не должно попадать на вход транзистора. В этом случае переменное входное напряжение подают через распределительный конденсатор Ср (рис. 2.53), а напряжение смещения Uз-и0 - через резистор Rз, который должен иметь большое сопротивление, чтобы не снижалось входное сопротивление каскада.
На рис. 2.54 показано включение полевого транзистора с каналом n - типа по схеме с общим затвором (ОЗ) и с общим стоком (ОС). Схема с общим затвором аналогична схеме с общей базой. Она не дает усиления тока, и поэтому усиление мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Входное сопротивление данной схемы мало, так как входным током является ток стока. Фаза напряжения при усилении не переворачивается. Каскад по схеме ОС подобен эмиттерному повторителю и может быть назван истоковым повторителем. Коэффициент усиления каскада по напряжению близок к единице. Выходное напряжение по значению и фазе повторяет входное. Для такого каскада характерно сравнительно небольшое выходное сопротивление и повышенное входное. Кроме того, значительно уменьшается входная емкость, что способствует увеличению входного сопротивления на высоких частотах.
Усилительные каскады с полевым транзистором, включенным по схеме ОЗ и ОС, могут питаться от одного источника. На рис. 2.55 показаны схемы питания для включения транзистора с общим затвором. В схеме на рис. 2.55а постоянный ток тока создает на резисторе R падение напряжения Uз-и0=Iс0R, которое подается на затвор. Если нужно, чтобы при отсутствии сигнала транзистор был заперт, то применяют схему, приведенную на рис. 2.55б с делителем напряжения R1R2. В ней запирающее напряжение создается на резисторе R1 от протекания по нему тока делителя Iд. Это напряжение равно Uз-и0=IдR1. При отпирании транзистора к току делителя добавляется еще ток стока и напряжение на затворе возрастает. В обеих схемах конденсатор С служит для сглаживания пульсаций.
167
~ ИК |
|
Rн |
|
С |
|
R |
? |
Е2+ |
|
|
|
|
(а) |
|
~ |
ИК |
Rн |
|
|
|
|
R1 |
R2 |
|
С |
|
|
? |
Е2 + |
|
(б) |
|
Рис. 2.55
Схема с общим истоком и питанием от одного источника дана на рис. 2.56. На затвор подается постоянное отрицательное напряжение Uз-и0=Ic0Rн с резистора нагрузки Rн (рис. 2.56а). Если это напряжение слишком большое, то его уменьшают, подавая дополнительно на затвор некоторое положительное напряжение, например, с делителя напряжения, как это показано на (рис. 2.56б). В этом случае на затвор подается напряжение Uз-и0=Iс0Rн–IдR1. Возможны и другие схемы питания полевого транзистора от одного источника.
~ ИК |
Rн |
~ |
ИК |
Rн |
|
|
|
|
|
|
|||
|
- |
+ |
|
R1 |
|
R2 |
|
|
Е2 |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- |
Е2 |
+ |
|
(а) |
|
|
(б) |
|
|
|
|
Рис. 2.56 |
|
|
|
|
|
|
168 |
|
|
|
|
Помимо высокого входного сопротивления полевые транзисторы имеют ряд преимуществ по сравнению с биполярными. Так как в полевом транзисторе ток ic вызван перемещением основных носителей, концентрация которых определяется преимущественно количеством примеси и поэтому мало зависит от температуры, то полевые транзисторы более температуростабильны, т.е. меньше изменяют свои характеристики и параметры при изменении температуры. Они могут хорошо работать в более широком интервале температур. При повышении температуры наблюдается только значительное увеличение тока затвора (тока неосновных носителей), но все же он остается достаточно малым, и поэтому входное сопротивление сохраняет высокие значения. Полевой транзистор создает меньшие шумы и обладает более высокой стойкостью к воздействию ионизирующего излучения. По радиационной стойкости эти транзисторы приближаются к электронным лампам. Недостаток многих полевых транзисторов - сравнительная невысокая крутизна.
Как правило, выпускаются кремниевые полевые транзисторы. Кремний применяется потому, что ток затвора, т.е. обратный ток n -p-перехода, получается во много раз меньше, чем у германия.
При температуре 200С постоянный ток затвора может составлять лишь 1 нА, т.е. 10-9А.
2.3. Эмиттерный повторитель
Рассмотрим методы изменения выходного сопротивления усилительного каскада, когда источник должен питать нагрузку с определенным сопротивлением.
Если для оптимальной передачи напряжения в последующую цепь выходное сопротивление должно быть уменьшено, то используют транзистор в схеме включения с общим коллектором – эмиттерный повторитель. В этой схеме (рис. 2.57) коэффициент усиления напряжения лишь чуть меньше единицы Ku<1. Однако, благодаря усилению тока в транзисторе, эмиттерный повторитель понижает выходное сопротивление любого источника сигнала, подключенного к его входу. Транзистор каскада работает в активном режиме.
169
Рис. 2.57
Входной сигнал источника колебаний Uвх (Uk) вызывает появление во входных цепях каскада переменных составляющих токов iR, iRэ и iБ. В коллекторной и эмиттерной цепях транзистора также появляются переменные составляющие токов iK и iЭ.
Особенностью схемы является полная ООС, т.к. выходное напряжение UВЫХ действует на выходе схемы и на ее входе, где Uвых и Uвх складываются и совместно управляют током базы транзистора.
Для того, чтобы Uвых имел возможно большую амплитуду колебания, следует выбрать оптимальный режим работы транзистора по постоянному току (току покоя). Выбор тока покоя зависит от переменного тока, необходимого для создания Uвых. Чем больше колебания тока, тем больше должен быть ток покоя, чтобы схема оставалась в линейном режиме.
Схема эмиттерного повторителя с точки зрения переменного сигнала показана на рис. 2.58,
Рис. 2.58
170
где iК, iБ, iЭ – переменные составляющие токов; UК – источник колебаний; Е2 – источник питания; rЭ – малое сопротивление перехода между базой и эмиттером.
Переменные токи и напряжения в схеме отличаются от постоянных. В эмиттерном повторителе вход соединен с выходом, смещенным в прямом направлении переходом между базовой и эмиттерной областями. Сопротивление этого перехода мало и его реальное значение равно примерно rэ 25 Ом при значении постоянной составляющей тока эмиттера, равной Iэ=1mA (выбор произволен). Для того, чтобы Uвых имело возможно большую амплитуду колебания, следует выбрать напряжение покоя на эмиттере около 4,5В при коэффициенте усиления по току транзистора 100 – 200. Получается, что при токе покоя 1mA сопротивление Rэ=4,5∙103 Ом.
Вход эмиттерного повторителя соединен с выходом через rэ«Rэ. Сопротивления rэ и Rэ образуют для сигнала делитель напряжения и коэффициент усиления по напряжению равен
Ku |
Rэ |
|
1. |
Rэ |
|
||
|
rэ |
||
Напряжение на эмиттере почти точно повторяет напряжение на базе, откуда и приходит название схемы.
Из рис. 2.58, пренебрегая паразитными емкостями (исключая случай очень высоких частот), можно вычислить значение
входного сопротивления эмиттерного повторителя Rвх |
U вх |
. |
|
iб |
|||
|
|
Известно, что ik=α iб, где α – коэффициент усиления по току транзистора по отношению к малым переменным сигналам.
|
Ток эмиттера равен iэ=iк+iб=iб(α+1), т.е. iб |
iэ |
|
, откуда |
|||
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
1 |
||
Rвх |
U вх |
( |
1) . Но т.к. коэффициент усиления по напряжению |
||||
iэ |
|||||||
|
|
|
|
|
|
||
эмиттерного повторителя Ku<1 и по отношению к малым переменным сигналам можно записать, что Uвх≈Uвых, получаем
171
|
|
Rвх |
U вых |
( |
1) , |
|
|
|
iэ |
||||
|
|
|
|
|
||
где |
U вых |
Rэ , подставляя и предполагая, что α»1, получаем |
||||
iэ |
||||||
|
|
|
|
|
||
Rвх≈α∙R.
Таким образом входное сопротивление Rвх эмиттерного повторителя переменному малому сигналу равно значению сопротивления эмиттерной нагрузки Rэ, умноженной на коэффициент усиления тока транзистора.
Когда выход эмиттерного повторителя нагружен другой схемой, нагрузкой в эмиттере является параллельное соединение Rэ и внешнего сопротивления. Поэтому изменение в нагрузке эмиттерного повторителя приводит к соответствующему изменению его входного сопротивления.
До сих пор мы пренебрегали влиянием резистора смещения R (на рис. 2.58 обозначен пунктиром). Резистор R включен между входом эмиттерного повторителя и шиной питания источника Е2, то есть параллельно входу. Следовательно, в данном случае, входное сопротивление эмиттерного повторителя равно сопротивлению параллельно включенных Rэ и R
Rвх |
R Rэ |
. |
||
R |
Rэ |
|||
|
|
|||
Выходное сопротивление эмиттерного повторителя Rвых можно определить, как отношение ЭДС холостого хода источника колебаний, равную напряжению переменного входного сигнала Uвх Uвых , к току короткого замыкания. Режим короткого замыкания можно осуществить замыкая Rэ накоротко по переменному
сигналу и пренебрегая сопротивлением эмиттерного перехода транзистора. При этом ток короткого замыкания определяет ток базы
172