Учебка / Фриск том 1

Для данного типа проводимости транзистора (n-p-n) и соответствующей полярности источника питания, указанные элементы принципиальной схемы обеспечивают активный режим, создавая токи покоя Iá0, Iê0, Iý0. Пути протекания постоянных токов от «+» к «–» (электрическая земля) источника питания, том числе ток делителя (Iä), показаны на рис. 1.15.

Требуемую величину тока базы Iá0 получаем задавая Uáý0 по закону Кирхгофа

ния Е, создаваемое на R3 протекающим током делителя Iä. Резисторы R2, R3 обеспечивают подачу напряжения смещения на базу транзистора, одновременно, образуя вместе с резистором R5, цепь отрицательной обратной связи по постоянному току. Ток делителя выбирается из условия: Iä >> Iá0, поддерживая постоянство положения рабочей точки на семействе входных и выходных динамических характеристик транзистора.

Повышение стабильности положения рабочей точки при изменении температуры рабочей среды добиваются включением вместо R3 такого же транзистора в диодном включении (КБ переход закорочен). Такой способ параметрической стабилизации обеспечивает практически одинаковый сдвиг характеристик транзистора iê = f(Uáý) и диода iä = f(Uä) при изменении температуры, а значит — постоянство напряжения Uáý0 (используется часто в ИМС).

Поддержание стабильности положения рабочей точки при изменении условий эксплуатации (температурный режим, влажность старение транзистора) возможно за счет действия механизма отрицательной обратной связи по постоянному току. Обратная связь возникает при попадании части выходной мощности во входную цепь, в данном случае — влияет на напряжение Uáý0. Это может происходить по специально созданным цепям или за счет паразитных элементов схемы. Если реакция (изменение напряжения на входе) противоположна входному воздействию, то обратная связь отрицательная. Включе- ние в эмиттерную цепь резистора R5 создает последовательную по напряжению отрицательную обратную связь по постоянному току. Механизм действия

ее следующий.

Напряжение UR3 = E – UR2 = R2(Iä + Iá0) ≈const, практически не зависит от изменения величины тока базы, под действием указанных причин, вследствие

его малости по сравнению с током делителя. Поэтому, если, например при

251 Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ

увеличении температуры среды, ток базы Iá0 вырос, то увеличивается ток кол-

лектора (Iê0 = h21Iá0), а значит и падение напряжения на UR5: UR5 = (Iê0 + Iá0)R5. Поскольку UR3 ≈const, то это равносильно уменьшению напряжения Uáý0 (1.1).

Таким образом, увеличение тока базы (Iá0) (что равносильно увеличению напряжения Uáý0) привело, под действием механизма отрицательной обратной связи, к его уменьшению (вследствие уменьшения Uáý0).

Это означает, что вне зависимости от причин изменения напряжения uáý èëè òîêà iá и его характера, реакция выходной цепи будет на компенсацию любого изменения. Очевидно, что чем больше глубина обратной связи, тем сильнее будет противодействие любому изменению тока (напряжения).

Для анализа свойств усилительных каскадов нашла широкое применение П-образная гибридная физическая эквивалентная схема биполярного транзистора БТ (схема Джиаколетто).

Описание БТ линейной моделью справедливо для малосигнального режима работы каскада, когда амплитуда переменной составляющей значительно меньше значения соответствующей постоянной составляющей (например, Iám << Iá0), что справедливо для исследуемой схемы каскада предварительного усиления. Эквивалентная схема БТ при включении его по схеме с ОЭ изображена на рис. 1.16.

Элементы эквивалентной схемы БТ отражают физические процессы, протекающие в его структуре, и особенности технологии при его производстве.

rá′— объемное (распределенное) сопротивление базы; rá′ý — сопротивление между базой и эмиттером;

Ñá′ý — емкость между базой и эмиттером, равная примерно зарядной емкости эмиттерного перехода;

Ñê = Ñá′ê — емкость между базой и коллектором, определяемая в основном барьерной емкостью коллекторного перехода (Сê << Ñá′ý);

rá′ê — сопротивление между коллектором и базой, равное в основном дифференциальному сопротивлению коллекторного перехода(rá′ê >> rá′ý);

rêý — сопротивление между коллектором и эмиттером;

UïSï — генератор тока, отражающий усилительные свойства транзистора, управляемый напряжением на базо-эмиттерном переходе;

Uï — напряжение на базо-эмиттерном переходе;

Sï — крутизна характеристики выходного тока транзистора как функция напряжения на переходе.

На нижних частотах влиянием проводимости БЭ и БК переходов можно пренебречь, поскольку проводимость Сýêâ примерно равна нулю. С ростом частоты ее сопротивление уменьшается, увеличивается шунтирующее действие на БЭ переход, уменьшается Uï и коэффициент передачи входной цепи. На граничной частоте по току коллектора fh21ý, условие равенства абсолютных значений активных и реактивных составляющих проводимости БЭ перехода,

позволяет определить величину емкости С ′

á ý

а отсюда, граничная частота по току коллектора

fh21ý = 1/2π Cá′ýrá′ý

зависит в основном от параметров базо-эмиттерного перехода.

Включение в коллекторную цепь реальной нагрузки приводит к возникновению параллельной отрицательной обратной связи по напряжению через емкость Сê, что увеличивает эквивалентную емкость Сýêâ íà ÑêÊUï.Таким образом,

Как следует из рис. 1.18, с ростом частоты усиливаемого сигнала входное сопротивление транзистора уменьшается из-за шунтирующего действия Сýêâ. Одновременно уменьшается и коэффициент передачи входной цепи, т. е. коэффициент усиления транзистора. При уменьшении частоты влияние Сýêâ снижается (из-за роста сопротивления) и входное сопротивление транзистора, включенного по схеме ОЭ, становится чисто активным

254 Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ

Входное сопротивление транзистора, включенного по схеме с ОЭ, составляет от сотен Ом до единиц кОм.

Ðèñ. 1.19

7.1.2 Эквивалентная схема выходной цепи транзистора

Приближенно считая транзистор невзаимным элементом, эквивалентную схему выходной цепи можно представить (рис. 1.19)

Ток, создаваемый управляемым источником (I ê = SïUï), протекает через выходную цепь транзистора. Свойства выходной цепи определяются сложной зависимостью эквивалентных параметров Сâûõ è Râûõ от сопротивления источ- ника сигнала и его частоты.

Полное выходное сопротивление транзистора с ростом частоты, как видно из эквивалентной схемы, достаточно быстро уменьшается.

′

Полагаем, управляемый напряжением Uï на промежутке Б —Ý, источник тока идеальным. Напряжение Uï выступает как источник ЭДС, параметры которого близки к идеальным при условиях (Сê << Ñá′ý, rá′ê >> rá′ý), так как сопротивление базо-эмиттерного промежутка значительно меньше сопротивления коллекторно-базового промежутка. Поскольку сопротивление источника ЭДС равно нулю, то выходная емкость определяется емкостью коллекторного перехода Сâûõ = Ñê, выходное сопротивление Râûõ = rêý.

Параметры эквивалентной схемы выходной цепи транзистора определяют: Сê — берут из справочника, а сопротивление rêý — определяют для выбранной рабочей точки методом треугольника по статическим выходным характеристикам или из справочника

Выходное сопротивление транзистора, включенного по схеме с ОЭ, составляет от единиц до десятков кОм.

7.2Свойства резисторного каскада по переменному току

7.2.1Пути протекания переменных токов во входных цепях транзистора

В резисторном каскаде (рис. 1.15) нагрузкой является чисто активное сопротивление (R6), что является достаточно редким случаем. При последовательном включении усилительных каскадов нагрузкой является комплексное входное сопротивление следующего каскада. Последовательное включение двух усилительных каскадов с резисторно-емкостной связью между ними представлено на рис. 1.20.

256 Глава вторая. Описание лабораторных работ по ОС и РПрУ

Источник тока, управляемый напряжением на Б—Э переходе (рис. 1.16), создает токи в подключенных к коллектору, внешних цепях. Для некоторого момента времени полярность источника, указанного на рис. 1.21, определяет следующие пути протекания токов: от «+» источника выходного напряжения через R в коллекторной цепи, источник питания, выводы которого эквипотенциальны на рабочей частоте, по общей шине — «земле», конденсатор Сý поступают на «–» источника; через разделительную емкость Сð2, R2ñë источник питания, общую шину, Сý, «–» источника; разделительную емкость Сð2, R3, общую шину, Сý, «–» источника; разделительную емкость Сð2, Б—Э переход

Ðèñ. 1.21

транзистора VT2, емкость Сý ñë, общую шину, Сý, «–» источника напряжения.Отсюда видно, что полезной составляющей тока коллектора транзистора VT1 является ток, протекающий через Б—Э промежуток.

Ðèñ. 1.22

Эквивалентная схема выходной части транзистора VT1 (рис. 1.20) и входной части транзистора VT2 вместе с элементами цепи питания во всей области частот представлена на рис. 1.22.

В эквивалентной схеме учтена паразитная емкость монтажа Сì, учитывающая проводимость деталей относительно общей шины усилителя. Выходная цепь транзистора VT1 содержит Сâûõ ≈Ñê è Râûõ = rêý и сопротивление R, с которого снимается усиленное напряжение. Следующий каскад на транзисторе VT2 описывается эквивалентной схемой входной цепи транзистора, где величина эквивалентной емкости следующего каскада определяется (1.7)

Емкость Сð2 является разделительной емкостью, а R2ñë è R3ñë являются элементами цепи делителя следующего каскада.

7.3 Частотные свойства резисторного каскада

7.3.1 Резисторный каскад в области средних частот

Полная эквивалентная схема резисторного каскада вместе с элементами связи (рис. 1.22) на рабочей частоте (fð = 1000 Гц) значительно упростится

Ðèñ. 1.23

(рис. 1.23). Все последовательно включенные конденсаторы можно считать коротким замыканием (Сð2) из-за большой их емкости, а эквивалентный конденсатор (Сýêâ ñë = Ñ0) можно исключить из схемы из-за большой величины сопротивления на рабочей частоте (вследствие малой емкости).

Напряжение (Uâõ ñë) на БЭ переходе следующего каскада (полезная составляющая) определяет величину входного сопротивления следующего каскада

Сопротивлением нагрузки R транзистора VT1 является параллельное соединение резисторов: R, R2ñë, R3 ñë è Râõ ñë

Ðèñ. 1.24

Тогда упрощенная эквивалентная схема каскада примет вид (рис. 1.24). Коэффициент усиления по напряжению на средней частоте

вследствие их малости (большого сопротивления в области нижних частот, f → 0).

На упрощенной эквивалентной схеме (рис. 1.25) эквивалентное сопротив-

Ñð2 = Ñð, а входное сопротивление следующего каскада определяется (1.14). С учетом параллельного включения Rä ñë è Râõ ñë введем

Ðèñ. 1.27

С учетом введенных обозначений эквивалентная схема (рис. 1.25) примет вид (рис. 1.26).

Применяя теорему об эквивалентном генераторе эквивалентную схему (рис. 1.26) можно привести к виду (рис. 1.27), где

Uí÷ ýêâ = SïUïRýêâ, Rí÷ ýêâ = Rýêâ.

Найдем АЧХ и ФЧХ каскада, используя рис. 1.27. Поскольку

I = Uí÷ ýêâ /(Rí÷ ýêâ + R0 + 1/jω Cð),

òî