книги из ГПНТБ / Воронков Э.Н. Основы проектирования усилительных и импульсных схем на транзисторах учеб. пособие [для сред. спец. учеб. заведений]

Понижается концентрация дырок и около коллекторного пе­ рехода, при этом положительное смещение иа коллекторном переходе снижается. В момент, когда концентрация дырок около коллектора станет равной равновесной, напряжение на коллек­

и напряжение на коллекторном переходе будет отрицательным. Однако ток коллектора в течение некоторого времени (времени заднего фронта) продолжает оставаться больше тока /к0, так как теперь дырки удаляются из базы и через коллекторный переход.

жение на коллекторном переходе стало равным нулю. Длитель­ ность этого периода соответствует длительности «полочки» на рис. 3. 16,6 и зависит от величины заряда, накопленного в базе, т. е. от того, как глубоко находился транзистор в режиме насы­ щения. Второй — от момента, когда коллекторное напряжение становится равным нулю, и до окончания переходного процесса.

Для того чтобы характеризовать глубину насыщения транзи­

вается дырок и тем хуже быстродействие транзистора. Поэтому не рекомендуется увеличивать степень насыщения транзистора свыше 2—3, а для быстродействующих схем стараются работать

50

Раздел второй

ТРАНЗИСТОРНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Г л а в а IV

УСИЛИТЕЛИ С ЕМКОСТНОЙ связью

§ 4. 1. ТРИ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРА

Задача проектирования усилителя низкой частоты обычно сво­ дится к расчету последовательности усилительных каскадов, не­ обходимых для согласования источника сигнала с нагрузкой

иобеспечения заданного уровня мощности.

Взависимости от уровня сигнала усилительные каскады бы­ вают малосигнальными и мощными. Методы расчета каскадов этих двух типов различны. При расчете малосигнальных каска­ дов широко используются малосигнальные параметры и эквива­ лентные схемы транзисторов. Расчет этих каскадов может быть проведен аналитическим методом с удовлетворительной для практики точностью.

При расчете мощных каскадов приходится учитывать нели­ нейность вольт-амперных характеристик и пользоваться усред­ ненными параметрами или проводить расчет с помощью графи­ ков. Точность расчета в этом случае получается значительно ниже, чем для малосигнальных каскадов.

Транзисторные усилители так же, как и ламповые, по вид> межкаскадной связи можно разделить на три типа: усилители с емкостной, трансформаторной и гальванической связью (уси­ лители постоянного тока).

К межкаскадным цепям, как правило, предъявляются сле­ дующие требования:

1)потери мощности сигнала в них должны быть наимень­

шими;

2)переходные цепи не должны приводить к дополнительным искажениям сигнала;

3)переходные цепи должны без значительного ослабления

пропускать сигнал в заданном диапазоне частот.

Расчет усилительного каскада можно разделить на два этапа: 1) расчет по постоянному току, который обычно сводится

52

2) расчет каскада по переменному току должен обеспечить необходимое усиление каскада по мощности и напряжению, за­ данную выходную мощность, рабочий диапазон частот, необхо­ димое входное и выходное сопротивления.

Для.расчета по переменному току составляют эквивалентную схему каскада, при этом сопротивление источника питания пере­ менному току считают равным нулю.

Рис. 4. 1. Схема двухкаскадного усилителя на транзисторах (а) и эквивалентные схемы второго каскада (б и в)

Источники сигнала представляются в виде эквивалентного генератора. Для удобства расчета параллельно или последова­ тельно соединенные резисторы заменяют эквивалентными. Так же поступают с емкостями и индуктивностями. Транзистор за­ меняют его эквивалентной схемой с параметрами, определен­ ными в выбранной рабочей точке.

На рис. 4.1, а в качестве примера показана схема двухкас­ кадного усилителя, а на рис. 4.1,6 — эквивалентная схема вто­ рого каскада. На рис. 4.1, в транзистор заменен эквивалентной схемой.

Поскольку резисторы R i и R2 по переменному току включены параллельно, они заменены эквивалентным резистором

П _ ^1^2

резисторы RKи Ra заменены эквивалентным резистором

Я*'

RKRH

RK-+■RH

53

Резистор R3 на эквивалентной схеме отсутствует, поскольку он зашуитпрован большой емкостью Сэ.

Эквивалентные схемы на рис. 4. 1,6 и в справедливы для тех частот, на которых постоянная времени входной цепи тпх и вы­ ходной Твых цепей малы по сравнению с периодом усиливаемого сигнала, т. е.

твх = С,(/?г+ гпх) »1/f;

Т в ы х = ^ 2 {R H Т в ы х ) ^ 1 If,

где /'вх — входное сопротивление транзистора; Гвых — выходное сопротивление транзистора;

/ — частота усиливаемого сигнала.

Рис. 4.2. Три основные схемы включения транзистора в усилительном каскаде (эквивалентные схемы):

fl— с общим эмиттером; б— с общей базой; в— с общим коллектором

Выполнение этих условий позволяет при составлении экви­ валентной схемы считать сопротивления переходных емкостей равными нулю.

Первый каскад представлен на эквивалентной схеме в виде генератора напряжения, внутреннее сопротивление которого Rr.3 равно выходному сопротивлению первого каскада.

На рис. 4.2 показаны эквивалентные схемы усилительных каскадов.

Схему с общим коллектором часто называют эмиттерным по­ вторителем (по аналогии с ламповым катодным повторителем).

Анализ усилителя по переменному току заключается в опре­ делении для известной схемы коэффициента усиления каскада по мощности, напряжению и току, а также входного и выходного сопротивлений в заданном диапазоне частот.

При проектировании усилителя и определении элементов схемы (выборе транзисторов, сопротивлений, емкостей и т. п.) решается обратная, более сложная задача. Сложность заклю­ чается в том, что заданные для каскада параметры, например, Кі, К и., Rax и т. п. можно получить при различных вариантах

54

схемы и при различных сочетаниях параметров одной и той же схемы. Задача конструктора заключается в выборе оптималь­ ного варианта.

Первой задачей при проектировании усилителя является вы­ бор каскадов и последовательности их включения.

Сравним усилительные свойства каскадов с транзисторами, включенными по схеме с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором.

Схема с общей базой.

Коэффициент усиления по току

АГ,б= Ц * -= а < 1 .

1Ъ

Входное сопротивление

55

Коэффициент усиления по напряжению

Заменив /?Вх.э по формуле (4.6) и ß по формуле (4.4), получим

Коэффициент усиления по мощности

Коэффициент усиления по мощности в схеме с общим эмит­ тером значительно выше, чем в схеме с общей базой, поскольку коэффициенты усиления по напряжению равны, а коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ значительно выше, чем в схеме с ОБ.

Схема с общим коллектором (эмиттерный повторитель).

Коэффициент усиления по току при учете формулы (4.4)

Входное сопротивление

Обычно Rn^Rnx.6, поэтому

Явх.к^Яи(Р+1). (4.11)

Входное сопротивление транзистора в схеме с OK -RBX.K зави­ сит от сопротивления нагрузки и для больших RK может дости­ гать значительных величин (десятки и даже сотни килоом).

Коэффициент усиления по напряжению при учете формул (4.4) и (4.10)

Итак, в каскаде с транзистором, включенным по схеме с ОЭ, воз­ можно получить максимальное усиление по мощности. Именно этим объясняется то, что эта схема нашла самое широкое распро­ странение в транзисторных усилителях. Эмиттерный повторитель (схема с ОК) обладает большим по сравнению с другими схе­ мами входным сопротивлением, причем величина входного сопро­ тивления зависит от сопротивления нагрузки. Выходное сопро­ тивление у эмиттерного повторителя низкое, поэтому его удобно использовать в качестве согласующего элемента.

56

Отсутствие усиления по току и низкое входное сопротивление ограничивают применение схемы с общей базой. К достоинствам •этой схемы следует отнести высокую стабильность и хорошие частотные характеристики.

§ 4. 2. СТАТИЧЕСКИЙ РЕЖИМ УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА

В транзисторном усилительном каскаде необходимо пра­ вильно выбрать ток и напряжение покоя коллектора, т. е. задать рабочую точку. Величина тока коллектора зависит от величины постоянного смещения на эмиттерном переходе. Коллекторное напряжение при заданном источнике питания определяется ве­ личиной сопротивления в цепи коллектора.

Рис. 4.3. Статические характеристики транзистора, включенного по схеме с ОЭ (а), и схема усилительного каскада (б)

На рис. 4.3 показано семейство статических характеристик транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, и схема усилительного каскада. Рабочая точка обозначена буквой А, че­ рез нее проходят две линии нагрузки: статическая (резистор RK) и динамическая, соответствующая нагрузке по переменному

току Rn (параллельное соединение Rn и Rm /?„' = — — — .

Ä K + Ä H /

Расчет элементов смещения для схемы на рис. 4.3 доста­ точно прост. Чтобы обеспечить коллекторный ток /к, необходимо

задать базовый ток / б= - ^ - , где ßCT— статический коэффи-

Рст

циент усиления по току в схеме с ОЭ. Для обеспечения такого

5 7

тока резистор в цепи базы должен удовлетворять следующему условию:

где £ к — напряжение источника питания.

Напряжение между базой и эмиттером можно не учитывать, поскольку оно в десятки раз меньше напряжения источника питания.

Чтобы обеспечить заданное коллекторное напряжение, необ­ ходимо резистор в цепи коллектора взять равным

^к

Рабочая точка (/к, £/к) обычно выбирается исходя из задан­ ной максимальной величины сигнала Ultm и /„„,. Во избежание нелинейных искажений необходимо івыполнить условия: /к> / ко

И UK^> Unm-

Кроме того, нагрузочные характеристики не должны пересе­ кать линии предельно допустимой мощности рассеивания на транзисторе и коллекторное напряжение должно быть меньше предельно допустимого.

Очень часто нагрузку включают непосредственно в коллек­ торную цепь, однако в большинстве случаев нагрузка включается параллельно RK, как показано на рис. 4.3. Полезной является только мощность, выделяемая в нагрузке, мощность сигнала, выделяемая в RXl расходуется бесполезно на нагрев резистора. Поэтому при расчете предварительных и промежуточных каска­ дов низкой частоты с нагрузкой, включенной параллельно Ru, стремятся к тому, чтобы в нагрузку поступал возможно больший ток сигнала. Ток в нагрузке будет тем больше, чем больше рези­ стор Rx, однако чрезмерное увеличение /?„ может привести к до­ полнительным нелинейным искажениям при большой амплитуде сигнала, поэтому в предельном случае и к= и хт, чему соответст­ вует максимальное значение Rv.

§ 4. 3. СТАБИЛЬНОСТЬ РАБОЧЕЙ ТОЧКИ УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА

Практически все параметры транзистора зависят от темпера­ туры. Поэтому при изменении температуры будут изменяться токи, протекающие через электроды транзистора, что приведет к изменению режима по постоянному току и, в свою очередь, вызовет дополнительное изменение усилительных свойств тран­ зистора.

При проектировании транзисторных схем одной из основных задач является обеспечение надежной работы схемы во всем ра-

58

бочем диапазоне температур. Для выполнения этого требования при расчете необходимо учитывать изменение положения рабо­ чей точки с температурой. Наиболее сильно иа рабочий ток транзистора влияют возрастание с температурой теплового тока коллектора /к0 и изменение входной характеристики эмиттерного перехода.

В общем случае ток коллектора

С изменением температуры все па­ раметры этого уравнения (/ко, /э, а) изменяются. Причем /э изменяется не только из-за изменения напряжения U3,б, но и из-за изменения тока /коЧем больше резистор в цепи базы транзистора Re, тем сильнее влияет из­ менение тока /,;о на ток эмиттера и, следовательно, на ток коллектора.

Рассмотрим для примера, как из­ менятся ток эмиттера и ток коллектора в схеме на рис. 4.4, если изменится ток /к0.

Для входного контура можно написать следующее уравнение:

E3 = IB(Ra+Re) —IKRÖ-

Учитывая равенство (4.14), получим

E 3~ I 3 ( R a + R r ) ) — гх/эр б— I x o R б-

Тогда

Еэ Л'-о#б

Еэ + Еб— я/?б Еэ + Ее— O.R&

Поэтому при изменении /ко ток эмиттера изменится на величину

Из формулы видно, что чем больше R3 и меньше Re, тем ста­ бильнее ток эмиттера, а следовательно, и коллектора.

Используя формулы (4.14) и (4.15),получим выражение для изменения тока коллектора с изменением тока эмиттера:

59