резистора нагрузки в цепи коллектора. Также необходимо учитывать эффект Миллера – увеличение эквивалентной ёмкости инвертирующего усилительного устройства на БПТ, обусловленное отрицательной обратной связью с его выхода на вход. Эффект наиболее явно проявляется в усилителях напряжения. Так при коэффициенте усиления по напряжению Ku эффективная электрическая ёмкость, приведённая к взаимной ёмкости между входом, например, базой БПТ и шиной питания, увеличится в (1 + Ku) раз. Подробно об этом эффекте и способах уменьшения его влияния см. в разделе 1.7. Очевидно, что чем меньше Ск или Сэ, тем лучше частотные свойства БПТ.

1.6. Схемы двухкаскадного усилителя на активных элементах

Основой для построения двухкаскадных и многокаскадных схем являются одиночные каскады усиления, рассмотренные в разделе 1.3.

Как было подробно показано в разделе 1.2, в любом электронном усилителе всегда можно выделить пять основных элементов: источник питания, управляемое сопротивление, постоянное сопротивление, источник входного сигнала, узел выходного сигнала. На рис. 1.12 приведена схема однокаскадного усилителя на биполярном транзисторе. В этой схеме перечисленным пяти элементам соответствуют: источник питания V1, управляемое сопротивление (Rvar) – сопротивление коллектор–эмиттер транзистора Q1, постоянному сопротивлению (Rconst) – коллекторный резистор R1, источник входного сигнала – генератор тока I1, узел выходного сигнала – вывод Uвых.

коллектора R1 (Rconst).

26

Вначале выполняется расчет по постоянному току, являющийся основой проектирования усилителя. Первым параметром для расчета усилительного каскада является параметр «рабочая точка». Рабочая точка усилительного каскада – это параметр, состоящий из двух величин – напряжения коллектор– эмиттер Uкэ и тока коллектора Iк (точка на плоскости в координатах Iк, Uкэ). Относительно этих параметров происходит изменение выходного напряжения под воздействием входного сигнала (напряжения или тока).

Первым этапом расчета усилительного каскада всегда является выбор его рабочей точки. Для этого значение Uкэ обычно задается равным половине напряжения питания Uпит. Это обеспечивает получение максимального размаха выходного напряжения Uвых. Коллекторный ток маломощного усилительного каскада обычно задается разработчиком в диапазоне от 0,1 до 10 мА. Положим Uпит = 10 В, Iк выбираем 0,5 мА.

При выборе нагрузочного коллекторного сопротивления Rк, равного Rкэ – сопротивлению перехода коллектор–эмиттер, образуется резистивный делитель напряжения, который делит напряжение питания пополам, и напряжение в рабочей точке составляет половину напряжения питания Uпит /2. При данном условии на резисторе Rк падает также половина напряжения питания: Uк = Uпит /2, а при выбранном токе Iк = 0,5 мА, поскольку

Rк = Uк / Iк, то Rк = 5 В / 0,5 мА = 10 кОм.

Так как БПТ управляется током, то при заданном напряжении перехода КЭ Uce выбором значения тока базы всегда можно получить требуемое значение Rce, а значит регулировкой значения базового тока Iб для данного транзистора можно обеспечить задание рабочей точки по напряжению. Для расчета тока базы Iб воспользуемся параметром транзистора βст, являющимся коэффициентом усиления по току βст = Iк / Iб и лежащим в диапазоне 100…250, в зависимости от Iк. Для выбранного БПТ 2N2222A при Iк = 0,5 мА

βст = 170, тогда:

Iб = Iк / βст = 0,5 мА / 170 = 2,9 мкА.

Построим усилительный каскад на одном биполярном n–p–n-транзисторе, работающем по схеме с ОЭ при задании рабочей точки с помощью базового тока, используя полученные ранее результаты, т. е.

27

T (Secs)

T (Secs)

г)

Рис. 1.14. Схема усилителя переменного напряжения: а) с заданием рабочей точки током базы через резистор R2; б) напряжением Uб-э от генератора напряжения V3; в) график

входного и г) выходного напряжений усилителя переменного напряжения

Конденсатор С1 служит для разделения входных и усилительных цепей

схемы по постоянному току, а значение его емкости выбирается в соответствии с частотными свойствами входного сигнала. Результат моделирования в динамическом режиме по постоянному току представлен на рис. 1.14, в. На рис. 1.14, г приведены результаты моделирования в режиме переходных процессов Transient Analyses. Сверху показан входной сигнал в узле in, внизу – выходной (напряжение на коллекторе транзистора) в узле Uce и значение

напряжения питания в узле Us. Размах напряжения входного сигнала 20 мВ,

частота 60 Гц, выходного – 3779 мВ.

29

Каскад с ОЭ инвертирует входной сигнал и обеспечивает фактическое значение коэффициента усиления по напряжению 3779 мВ / 20 мВ = 189, что соответствует диапазону типичных значений для усилительных каскадов на основе БПТ общего назначения. Постоянная составляющая выходного напряжения (постоянное значение напряжения) составляет примерно 5 В, что соответствует и заданной рабочей точке.

Существует другой способ задания рабочей точки. При его использовании требуемые значения рабочей точки (Uп и Iп) задаются не с помощью генератора фиксированного базового тока, а за счет задания напряжения Uбэ, также обеспечивающего необходимое значение базового тока, т. е. если сформировать напряжение Uбэ = 623,7 мВ, то базовый ток составит 2,9 мкА. На рис. 1.14, в представлены результаты моделирования по постоянному току схемы с заданием рабочей точки с помощью напряжения Uбэ. Резистор R2 заземлен, т. е. не влияет на работу схемы. С помощью резистора R3 и источника постоянного напряжения V3 задается Uбэ = 623,7 мВ. Значение напряжения источника V3 найдено подбором и равно 626,7 мВ, такое напряжение необходимо для задания выходного напряжения равного 5 В. Результаты моделирования в режиме переходных процессов для рассматриваемой схемы практически идентичны результатам моделирования для предыдущей схемы (рис. 1.14, а) и соответствуют приведенным на рис. 1.14, г.

Исключив из схемы источник постоянного напряжения V3 и заменив его резистивным делителем (R2 и R3), создающим на своем выходе напряжение, равное 623,7 мВ, получим схему, представленную на рис. 1.15, а. На рис. 1.15, б показана та же схема в более привычном виде. Ток, проходящий через делитель, должен превышать базовый ток примерно в 50…100 раз, поэтому сопротивление двух последовательно включенных резисторов Rобщ должно быть не более Rобщ ≤ Uпит / (50…100) Iб. Таким образом рассчитан каскад с ОЭ.

Рассмотрим работу каскада с ОК – эмиттерного повторителя. Его расчет аналогичен приведенному ранее расчету для схемы с ОЭ. Отличие состоит в том, что выходом схемы с ОК является эмиттер БПТ.

Такой каскад можно рассматривать как статическую систему автоматического управления, тогда его можно описать классической структурной схемой замкнутой системы с отрицательной обратной связью.

30

Рис. 1.16. Структурная схема а) каскада с ОК; б) пример схемы каскада с ОК

Наличие ошибки по напряжению необходимо, поскольку ее значение и знак определяют полярность и значение приращения выходного напряжения.

Поскольку входное напряжение повторяется выходным напряжением, то ток эмиттера определяется как отношение выходного напряжения к сопротивлению эмиттера (резистор R4, рис. 1.16, б). А так как эмиттерный ток близок по значению к току коллектора (за вычетом тока базы), то можно считать, что коллекторный ток также «следит» за входным напряжением.

Важно отметить, что выходная характеристика транзистора – ток коллектора Iк практически не зависит от напряжения Uкэ. Поэтому эту схему можно считать генератором тока, т.е. схема с ОК будет сохранять на своем выходе значение напряжения, равное напряжению на ее входе, выдавая для этого в нагрузку любой, независимо от значения сопротивления нагрузкиток.

Математически это можно описать как

Iк = [(Uвх – Uбэ) / Rэ] βст / (βст +1).

Полагая все значения в выражениях 1.4 постоянными, Iк также будет постоянным, т. е. схема является генератором тока. Результаты моделирования, подтверждающие сделанные выводы, приведены на рис. 1.17.

Из рис. 1.17, а видно, что βст = 198,84 мкА / 1,23 мкА = 162; Uбэ =

= 2,6 В – 2,0 В = 0,6 В, а из рис. 1.17, б следует, что выходное сопротивление Rвых = 2,32 В / 78нА = 30 МОм. Это значение Rвых свидетельствует о полу-

32

чении высококачественного генератора тока, поскольку значение его выходного сопротивления достаточно велико. Таким образом, чтобы использовать схему с ОК как генератор тока, необходимо задать стабильное напряжение на его базе (V2) и установить стабильное сопротивление в цепь эмиттера (R4). Тогда через эмиттер транзистора, а значит, и через его коллектор, будет протекать (R1) стабильный постоянный ток. При изменении напряжения V2 ток в коллекторной цепи будет изменяться пропорционально, т. е. обеспечивается конвертация изменений напряжения в изменения тока (U→ I).

а) б)

Рис. 1.17. Результаты моделирования схемы с ОК как генератора тока в режиме по постоянному току: а) напряжения и токи в схеме;

б) зависимость значения Iк от напряжения V10

Каскад усиления с ОБ (рис. 1.18) может быть получен при подаче входного напряжения на эмиттер транзистора. Необходимо отметить, что эта схема получена из схемы эмиттерного повторителя (рис. 1.16, б) закорачиванием входного конденсатора С1 и подачей сигнала на эмиттерное сопротивление R4 через конденсатор С2. При этом полагается, что потенциал базы транзистора по переменному напряжению близок к потенциалу общего провода – нулю, поскольку база транзистора зашунтирована конденсатором С1, что свидетельствует о включении транзистора по схеме с ОБ. Источник входного сигнала V2 обеспечивает изменение тока эмиттера, увеличивая его при отрицательной полуволне входного напряжения и уменьшая при положительной. Изменения тока эмиттера приводят к таким же изменениям коллекторного тока.

33

Таким образом, расчет схемы с ОБ аналогичен вышеприведенному расчету для схемы с ОЭ и ОК.

Коллекторный ток Iк, проходящий через коллекторный резистор R1, дает выходное напряжение каскада. Отрицательная полуволна входного напряжения, вызывающая увеличение коллекторного тока из-за открывания транзистора, приводит к уменьшению выходного напряжения. Положительная полуволна, вы-

зывающая уменьшение коллекторного тока из-за закрывания транзистора – к увеличению выходного напряжения. Следовательно, каскад с ОБ не инвертирует (не меняет фазу) входной сигнал.

Из рассмотренных однокаскадных схем с помощью их различных сочетаний формируются двухкаскадные и многокаскадные схемы. Включение транзистора по схеме с ОЭ обеспечивает усиление по напряжению и по току, т. е. по мощности; по схеме с ОК – по току, т. е. согласовывает по сопротивлению; по схеме с ОБ – по напряжению. Последовательное включение данных усилительных каскадов обеспечивает получение схем с необходимыми параметрами.

Двухкаскадный усилитель на БПТ, состоящий из двух последовательно включённых каскадов, выполненных по схемам с ОЭ и ОК, представлен на рис. 1.19, а.

Рис. 1.19. Двухкаскадный усилитель (схемы с ОЭ и ОК): а) рабочая точка задаётся резистором R1; б) напряжение на его выходе при температуре 40 и –40 °C

34