Усилительные каскады на биполярных транзисторах

При использовании транзистора в усилительном режиме на выходе усилителя мощность электрических сигналов значительно пре­вышает мощность входного сигнала за счет передачи в нагрузку энергии источника питания. Существуют три типа усилительных каскадов на транзисторах: с общим эмиттером, с общим коллектором, с общей базой. Наибольшее распространение получили усилительные каскады с общим эмиттером (коллекторной нагрузкой), так как они обеспечивают большое усиление по напряжению, току и мощности (рис.15).

Рис. 15

Выбор биполярного транзистора проводится по ряду требова­ний, предъявляемых к усилителю. К числу этих требований относят­ся: мощность, отдаваемая в нагрузку, коэффициент усиления, час­тота усиливаемых сигналов f. Для нормальной работы усилителя необходим транзистор, для которого выполняются соотношения: f_гр>f, >К, Р_{к max}>Р. Выбор питающего напряжения Е_к прово­дится из условия Е_к < U_{кэ max}. Дальнейший расчет сводится к опре­делению параметров элементов R_к, R_б, С_вх, С_вых.

Для выходной (коллекторной) цепи можно записать уравнение по 2-му закону Кирхгофа:

, (2)

откуда выражение описывает ВАХ коллекторного резистораR_к (линию нагрузки). Линяя нагрузки строится по двум точ­кам В и С (рис.14): при U_кэ = 0 на оси ординат наносится точка В (I_к = Е_к /R_к), при I_к=0 на оси абсцисс наносится точка С (U_кэ = Е_к). Точка пересечения линии нагрузки с коллекторными характеристиками дает графическое решение уравнения (2) и позволяет построить динамическую переходную характеристику I_к = f(I_б). В качест­ве динамической входной характеристики используется одна из ста­тических характеристик I_б = f(U_бэ), так как их семейство практи­чески сливается в одну линию.

Выбор R_к проводится таким образом, чтобы линия нагрузки не выходила за пределы рабочей области транзистора и в то же время обеспечивалась линейность динамической переходной харак­теристики. Так при малых R_к должно выполняться условие , а при больших недопустима малая крутизна переход­ной характеристики.

Резистор R_б, включенный в цепь базы, задает рабочую точку А транзистора. В соответствии со вторым законом Кирхгофа для входной цепи резисторR_б позволяет выбрать такое значение , при котором рабочая точка А находится посередине линейного участка переходной характеристики. Рабочей точке соответствуют постоянные токи и напряженияI_б0, U_бэ0, I_к0, U_кэ0 (рис. 14).

Конденсаторы С_вх, С_вых предназначены для разделения переменных усиливаемых сигналов U_вx, U_вых и постоянных напряжений U_бэ0, U_кэ0. Эти напряжения не должны поступать на источник входного сигнала (e, r_вн) и нагрузку (R_н), чтобы не оказывать влияния на их ра­боту. Выбор емкости С конденсатора проводится таким образом, чтобы для входных сигналов минимальной частоты f_min сопротив­ление конденсатора было равно 0.

При подаче на вход усилительного каскада переменного напря­жения U_вх возникает переменный ток базы i_б, который в соответ­ствии с переходной характеристикой приводит к возникновению пе­ременного тока коллектора i_к. Ток коллектора создает на резисторе R_к падение напряжения, которое является выходным. Важнейшая характеристика усилительного каскада – коэффициент усиления по напряжению К_U=U_вых/U_вх. Так как предел измерения выходного напряжения порядка единиц вольт, а входное напряжение измеряется в милливольтах (рис. 14), то коэффициент усиления может достигать сотен единиц.

При больших входных напряжениях переменные составляющие токов выходят за предел линейных участков переходной и динамической входной характеристик, в результате чего форма выходного напряжения претерпевает значительные искажения. Эти искажения, обусловленные нелинейностью указанных характеристик, называются нелинейными. Для оценки допустимого диапазона изменения вход­ных напряжений используют амплитудную характеристику, представляющую собой зависимость выходного напряжения от входного (рис.16). Линейный участок амплитудной характеристики позволяет определять диапазон входных напряжений, при которых отсутствуют нелинейные искажения.

Рис. 16

При работе усилительного каскада в линейном режиме основные параметры могут быть найдены аналитически из эквивалентной схемы каскада с ОЭ (рис.17).

Рис. 17

Так как R_б>>h₁₁, то входное сопротивление усилительного каскада равно:

.

Выходное сопротивление равно:

.

При Р_н= ∞ в режиме холостого хода (XX) коэффициент усиления по напряжению К_Uхх= h₂₁R_к/h₁₁.

При работе на нагрузку R_н коэффициент усиления равен:

К_U=R_нК_Uхх /(R_вых+R_н).

Коэффициент усиления по току каскада:

.

Коэффициент усиления по мощности К_Р= К_U K_I.

Существенным недостатком транзисторов является зависимость их параметров от температуры. При повышении температуры увеличивается коллекторный ток за счет возрастания числа неосновных носителей заряда в полупроводнике. Это приводит к изменению кол­лекторной характеристики транзистора и смещению рабочей точки. В некоторых случаях повышение температуры может вывести рабочую точку за пределы линейного участка переходной характеристики и нормальная работа усилителя нарушается. Для уменьшения влияния температуры в цепь эмиттера включают резистор R_э, шунтированный конденсатором (рис.18).

Для создания начального напряжения смещения U_бэ0 используют делитель на резисторах R_б1, R_б2. Для напряжения U_бэ0 можно записать выражение:

.

Рис. 18

Повышение температуры приводит к повышению I_э, увеличению R_эI_э. Это вызывает уменьшение U_бэ0, снижает I_б0, и в соответствии с переходной характеристикой приводит к уменьшению I_к0. Как видим, в данной схеме при изменении температуры ток коллектора автоматически поддерживается постоянным.

Однако введение резистора R_э в схему поменяет работу уси­лительного каскада и при наличии входного напряжения. Переменная составляющая эмиттерного тока I_э создает на резисторе R_э па­дение напряжения, которое уменьшает входное усиливаемое напряжение, непосредственно подводимое к транзистору U_бэ = U_вх – R_эi_э.

Коэффициент усиления каскада при этом будет уменьшаться. Для ослабления этого явления включают конденсатор С_э. Емкость кон­денсатора выбирают таким образом, чтобы для всех частот усили­ваемого напряжения его сопротивление было много меньше R_э. При этом падение напряжения на участке C_э//R_э от переменной составляющей i_э будет незначительным и усиливаемое напряжение будет практически равно входному напряжению U_бэU_вх.

Широкое применение находят усилительные каскады с общим коллектором (рис.19).

В схеме при отсутствии входного напряжения проходят токи: в цепи базы – I_б0, который задается делителем напряжения R_б1, R_б2; в цепи эмиттера – I_э0, который создает на R_э падение напряжения I_э0R_э. При подаче входного напряжения u_вх напряжение на резисторе R_э равно: .

Переменное напряжение i_эR_э = U_вых подается через конденсатор связи на выход усилителя. Так как U_вхU_вых, то каскад называют эмиттерным повторителем.

; К_U1;

R_вх = h₁₁/(1-K_U) – очень велико и достигает сотен кОм;

R_вых h₁₁/(1+ h₂₁) – очень мало и составляет десятки Ом.

Рис. 19

Эмиттерный повторитель применяется для согласования высокоомного источника усиливаемого напряжения с низкоомным сопротивлением нагрузки.

Усилительный каскад с ОБ находит меньшее применение вследствие малого входного и большого выходного сопротивлений и от­сутствия усиления по току. Он применяется на высоких частотах.