3564

Если во входную цепь включается источник колебаний, то при изменении его напряжения изменяется ток эмиттера, а следовательно, сопротивление коллекторного перехода rк0. Тогда напряжение источника Е2 будет перераспределяться между Rн и rк0. При этом переменное напряжение на резисторе нагрузки может быть получено в десятки раз большим, чем входное переменное напряжение. Изменения тока коллектора почти равны изменениям тока эмиттера и во много раз больше изменений тока базы. Поэтому в рассматриваемой схеме получается значительное усиление тока и очень большое усиление мощности. Усиленная мощность является частью мощности, затрачиваемой источником Е2.

Рис. 2.42

Для большей наглядности рассмотрим работу усилительного каскада с транзистором (рис. 2.39) на числовом примере. Пусть питающие напряжения Е1=0,2В и Е2=12В, сопротивление резистора нагрузки Rн=4 кОм и сопротивление транзистора r0 при отсутствии колебаний на входе также равно 4 кОм, т.е. полное сопротивление коллекторной цепи равно 8 кОм. Тогда ток коллектора, который можно приближенно считать равным току эмиттера, составляет iк=Е2 (Rн+r0)=12 8=1,5 мА. Напряжение Е2 разделится пополам, напряжение на Rн и на r0, ,будет по 6В.

Если от источника колебаний на вход поступает переменное напряжение с амплитудой 0,1 В, то максимальное напряжение на участке база - эмиттер при положительной полуволне становится равным 0,3 В. Предположим, что под влиянием этого напряжения ток эмиттера возрастает до 2,5 мА. Таким же практически станет и ток коллектора. Он создаст на резисторе нагрузки падение напряжения 2,5∙4=10В, а падение напряжения на сопротивлении r0 транзистора уменьшится до 12-10=2 В. Следовательно, это сопротивление уменьшится до 2 2,5=0,8 кОм. Через полпериода, когда источ-

153

ник колебаний даст напряжение, равное - 0,1 В, произойдет обратное явление. Минимальное напряжение база - эмиттер станет 0,2- 0,1=0,1 В. Токи эмиттера и коллектора уменьшатся до 0,5 мА. На резисторе Rн падение напряжения уменьшится до 0,5∙4=2 В, а на сопротивлении r0 оно возрастает до 10 В; следовательно, это сопротивление увеличится до 10 0,5=20 кОм. Таким образом, подача на вход транзистора переменного напряжения с амплитудой 0,1 В вызывает изменение сопротивления r0 от 0,8 до 20 кОм, и при этом напряжения на резисторе нагрузки и на транзисторе изменяются на 4В в ту и другую сторону (от 10 до 2В). Следовательно, выходное напряжение имеет амплитуду колебаний 4 В, т.е. оно в 40 раз больше входного напряжения. (Этот числовой пример является приближенным, так как на самом деле зависимость между током коллектора и входным напряжением нелинейна.)

Колебания напряжений и токов для рассмотренного примера показаны графиками на рис. 2.43.

Рис. 2.43

2.2.6. Схемотехника усилительных каскадов на биполярных транзисторах

В каскадах с транзисторами применяют обычно питание от одного источника - источника выходной цепи. Для нормального

154

режима работы транзистора необходимо, чтобы между эмиттером и базой было постоянное напряжение в десятые доли вольта (напряжение смещения базы).

Ток эмиттера, проходя через участок эмиттер - база, создает на нем некоторое падение напряжения, но оно недостаточно, и режим работы транзистора без дополнительного смещения оказывается непригодным (токи слишком малы). Необходимо подать некоторое напряжение смещения от источника питания коллекторной цепи. Это делают с помощью резистора или делителя.

На рис. 2.44 показаны типичные схемы подачи смещения на

базу.

В каскаде ОЭ (рис. 2.44а) постоянный ток базы Iб0 проходит через резистор R, на котором гасится почти все напряжение Е2. Небольшая часть напряжения падает на участке база - эмиттер и является смещением базы:

Uб-э0=Е2-Iб0R.

Из этого выражения легко определить сопротивление рези-

стора R: R=(E2-Uб-э0) Iб0.

Обычно Uб-э0«Е2 и R E2 Iб0.

155

На рис. (2.44б) показана подача напряжения смещения с помощью делителя R1R2 в каскаде ОЭ. Здесь основная часть напряжения Е2 падает на резисторе R1, а небольшая часть, являющаяся напряжением смещения Uб-э0, падает на резисторе R2, который подключен параллельно входу транзистора. Сопротивления резисторов R1 и R2 можно легко определить по формулам

R1=(E2-Uб-э0)(Iд+Iб0) Е2 (Iд+Iб0);

R2=Uб-э0 Iд, где Iд - ток самого делителя.

Способ подачи напряжения смещения с помощью делителя применяется довольно часто, но он неэкономичен, так как источник должен создавать дополнительный ток Iд, нагревающий резисторы R1 и R2. Кроме того, в рассматриваемой схеме резистор R2, будучи подключенным параллельно входу транзистора, весьма заметно уменьшает входное сопротивление каскада.

Для получения более стабильного напряжения смещения желательно, чтобы ток делителя Iд был возможно большим. Тогда распределение напряжений на резисторах делителя будет мало зависить от тока базы, проходящего через один из резисторов. Однако, из соображений экономии энергии источника Е2, обычно устанавливают Iд, лишь в 3-5 раз больший, чем Iб0. Разделительный конденсатор Ср в схемах служит для передачи на вход транзистора усиливаемого переменного напряжения. Чтобы потеря этого напряжения на конденсаторе Ср была незначительной, его емкостное сопротивление для самой низкой частоты должно быть достаточно малым. Емкость этого конденсатора на низких частотах равна единицам и даже десяткам микрофарад. Поэтому в качестве конденсатора Ср в низкочастотных схемах обычно применяют малогабаритные электролитические конденсаторы. В схемах на рис. 2.44 разделительный конденсатор исключает попадание на вход транзистора постоянного напряжения, если оно имеется в источнике колебаний ИК. Кроме того, в этих схемах при отсутствии Ср и малом внутреннем сопротивлении источника колебаний база и эмиттер были бы замкнуты накоротко по постоянному напряжению и тогда Uб-э0 было бы близко к нулю. Емкость Ср рассчитывается исходя из того, что сопротивление 1 (ωСр) на самой низкой частоте должно быть во

156

много раз меньше входного сопротивления транзистора:

1 (ωнСр)«Rвх .

Тогда потеря входного напряжения на конденсаторе Ср будет малой. Практически достаточно такого условия:

1 (ωСр) 0,1Rвх, отсюда Ср 10 (ωн Rвх).

Если выражать Ср в микрофарадах, то получаем расчетную формулу

10 106

Cp 2 fн Rвх .

В этих формулах ωн и fн - низшие частоты.

Для схемы с делителем вместо Rвх транзистора в формулу надо ставить сопротивление Rвх, эквивалентное параллельно включенным Rвх и R2, т.е.

Rвх Rвх R2

Rвх R2

По формуле аналогичной емкости конденсатора, следует рассчитывать емкость конденсатора С, шунтирующего источник питания Е2:

Тогда все выходное напряжение практически будет выделяться на нагрузке Rн и потеря этого напряжения на участке Е2 будет малой.

Существенный недостаток транзисторов - значительное изменение их характеристик и параметров при изменении температуры. Повышение температуры вызывает увеличение токов, и режим работы транзисторов нарушается. Для борьбы с этим неприятным явлением служат различные методы стабилизации. В схему вводят стабилизирующие элементы, которые обеспечивают относительное

157

постоянство режима при изменении температуры или смене транзистора. Однако надо иметь в виду, что эти схемы стабилизируют лишь положение рабочей точки, но не устраняют влияние температуры на свойства транзистора и происходящие в нем процессы. Поэтому изменение температуры все же вызывает изменение параметров транзисторов. Таким образом, стабилизация режима лишь частично устраняет влияние температуры.

На рис. 2.45 показаны наиболее распространенные простейшие схемы стабилизации режима каскада ОЭ, который наиболее подвержен влиянию температуры. В так называемой схеме коллекторной стабилизации резистор R, служащий для установки необходимого смещения на базе, подключен не к источнику Е2, как в схеме на рис. (2.44а), а к коллектору рис. (2.45а).

Рис. 2.45

Если от нагрева или смены транзистора ток iк возрастет, то увеличится падение напряжения на Rн, а напряжение Uк-э соответственно уменьшится. Но тогда уменьшится и напряжение Uб-э, что приведет к уменьшению тока iк. Таким образом, одновременно происходят противоположные изменения этого тока и в результате он остается почти постоянным.

Рассмотренная схема наиболее проста и экономична, но дает хорошую стабилизацию лишь в том случае, если на резисторе нагрузки падает не менее половины напряжения источника E2. Кроме того, в данной схеме несколько снижается усиление, так как часть усиленного напряжения передается через резистор R обратно на вход транзистора с фазой, противоположной фазе усиливаемого напряжения, т.е. получается отрицательная обратная связь.

158

Более сложна и менее экономична схема эмиттерной стабилизации по рис. (2.45б). Она требует источника Е2 с несколько более высоким напряжением, но по стабилизирующим свойствам значительно превосходит предыдущую схему. Здесь резисторы R1 и R2 образуют делитель для получения напряжения смещения на базе, а резистор R, в проводе эмиттера является стабилизирующим. Падение напряжения на этом резисторе Uэ=Iэ0Rэ действует навстречу напряжению U2=IдR2. Поэтому напряжение смещения базы Uб- э0=U2-Uэ. Резистор R, создает отрицательную обратную связь по постоянному току. Если под влиянием температуры токи в транзисторе начнут возрастать, то от повышения тока Iэ0 увеличится напряжение Uэ и соответственно уменьшится напряжение смещения на базе Uб-э0, а это вызовет уменьшение токов. В результате такого изменения одновременно в противоположные стороны токи почти постоянны и режим получается более стабильным.

Для того, чтобы резистор R, не создавал отрицательной обратной связи по переменному току, он зашунтирован конденсатором Cэ достаточно большой емкости. Его сопротивление для самой низкой частоты должно быть во много раз меньше Rэ. Обычно конденсатор Сэ электролитический емкостью в десятки микрофарад (в каскадах усиления низкой частоты). Эмиттерная стабилизация работает хорошо, независимо от сопротивления нагрузки Rн, причем тем лучше, чем больше ток делителя Iд и сопротивление резистора Rэ. Но так как напряжение Uэ является частью Е2, то чрезмерное увеличение Rэ приводит к необходимости значительного повышения Е2, что невыгодно. Пренебрегая напряжением Uб-э0 по сравнению с другими напряжениями, расчет сопротивлений резисторов для схемы эмиттерной стабилизации делают по следующим приближенным формулам:

R1 (E2-Uэ) (Iб0+Iд); R2 Uэ Iд; Rэ=Uэ Iэ0.

При этом значение Uэ выбирается с учетом возможного повышения Е2, а ток делителя Iд обычно составляет (3 5) Iб0. Обе схемы стабилизации можно применить вместе (рис. 2.46), и тогда стабилизация будет еще лучше.

Во многих случаях стабилизация необязательна, так как не требуется высокая стабильность усиления.

159

На рис. (2.47а) показано питание от одного источника транзистора, включенного по схеме ОБ с подачей смещения на базу через поглотительный резистор R.

Составляя уравнение по второму закону Кирхгофа для цепи постоянного тока базы, получим

Е2=Iб0R+Uэ-б0+Iэ0RИК.

где RИК - сопротивление источника колебаний постоянному току. Из этого уравнения следует

R=(E2–Uэ-б0–Iэ0RИК) Iб0.

В этой схеме конденсатор Ср служит для передачи напряжения источника ИК на вход транзистора. Сопротивление этого конденсатора должно быть достаточно малым, чтобы на нем практически не было потери переменного напряжения.

Схема ОБ с подачей смещения на базу через делитель дана на рис. 2.47б. В ней сопротивление резисторов делителя рассчитывается по формулам

R1=(Iэ0RИК+Uб-э0) Iд и R2=(E2–IдR1) (Iд+Iб0).

160

Рис. 2.49

Усилительные каскады с транзисторами могут иметь в выходной цепи нагрузку различного вида. Если нагрузкой служит резистор, как это было показано на предыдущих схемах, то каскад называется резистивным. На низких частотах применяют также трансформаторные каскады рис. 2.49, у которых в выходную цепь включен в трансформатор, нагруженный вторичной обмоткой на вход следующего каскада или на какой-либо потребитель мощности усиленных колебаний, например громкоговоритель (рис. 2.49а). Трансформаторные каскады применяют и на высоких частотах, при этом часто нагрузкой служит резонансный колебательный контур, настроенный на рабочую частоту (рис. 2.49б). От этого контура усиленные колебания передаются далее, например на следующий каскад. Нередко в каскадах усиления высокой частоты роль источника колебаний выполняет резонансный контур во входной цепи.

В приведенных и следующих схемах смещение на базу подается от источника Е2 через резистор R, а конденсатор Ср является разделительным.

Источник усиливаемых колебаний иногда включается на вход транзистора не через конденсатор, а через входной трансформатор (рис. 2.50а). В этой схеме конденсатор Ср служит для того, чтобы переменное напряжение подавалось на вход транзистора без потерь на резисторе R.

Важным является использование транзисторов для генерации колебаний. Пример простейшей схемы транзисторного генератора с индуктивной обратной связью приведен на (рис. 2.50б).

162