Литература / (тоже супер) физосновы для экз

3.Гусев, В. Г. Электроника и микропроцессорная техника : учебник для вузов / В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев. — 3-е изд. — М. : Высш. шк., 2004. — 790 с.

4.Ефимов, И. Е. Микроэлектроника. Физические и технологические основы, надежность : учеб. пособие / И. Е. Ефимов, И. Я. Козырь, Ю. Я. Горбунов. — 2-е изд. — М. : Высш. шк., 1986.

5.Ефимов, И. Е. Микроэлектроника. Проектирование, виды микросхем, функциональная микроэлектроника : учеб. пособие / И. Е. Ефимов, И. Я. Козырь, Ю. Я. Горбунов. — 2-е изд. — М. : Высш. шк., 1987. — 416 с.

6.Зи, С. Физика полупроводниковых приборов : в 2 кн. — М. : Мир, 1984.

7.Терехов, В. А. Задачник по электронным приборам. — 2-е изд. — М. : Энергоатомиздат, 1983.

8.Морозова, И. Г. Физика электронных приборов : учебник для вузов. — М. : Атомиздат, 1980.

9.Головатенко-Абрамова, М. П. Задачи по электронике / М. П. Головатенко-Абрамова, А. М. Лапидес. — М. : Энергоатомиздат, 1992. — 112 с.

Р А З Д Е Л 4

БАЗОВЫЕ СХЕМЫ ТРАНЗИСТОРНЫХ КАСКАДОВ И УСИЛИТЕЛЕЙ

4.1.УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ И РЕЖИМЫ ИХ РАБОТЫ

При решении многих инженерных задач возникает необходимость в усилении электрических сигналов, например, при измерениях неэлектрических величин, контроле и автоматизации технологических процессов, создании различных устройств промышленной электроники. Для усиления электрических сигналов широко используют биполярные и полевые транзисторы. Усилители на транзисторах позволяют усиливать очень слабые электрические сигналы (напряжения порядка 10–7 В, токи по-

рядка 10–14 А).

Для получения больших усилений в транзисторах и электронных усилителях применяют несколько усилительных каскадов. Существуют три типа усилительных каскадов. Характерной особенностью каждого из них является то, что один электрод транзистора является общим для входной и выходной цепей.

Способ соединения каскадов в многокаскадных усилителях зависит от диапазона частот усиливаемых сигналов. При усилении медленно изменяющихся напряжений и токов между каскадами служат резисторы. Такую связь называют резистивной, или гальванической, а усилители, в которых она используется, — усилителями постоянного тока. Для усиления переменных напряжений и токов как в диапазоне звуковых частот (усилители низкой частоты), так и в более широком диапазоне (широкополосные усилители) связь между каскадами осуществляют с помощью резисторов

и конденсаторов (резистивно-емкостная связь) или трансформаторов (трансформаторная связь). Любой усилительный каскад содержит нелинейный элемент, обладающий усилительными свойствами (транзистор), нагрузочный элемент (резистор, индуктивную катушку, трансформатор) и источник постоянного или (значительно реже) переменного напряжения, называемый часто источником питания. Процесс усиления заключается в преобразовании энергии источника питания в энергию выходного сигнала усилителя. Управление этим процессом осуществляют входным сигналом, воздействующим на усилительный элемент. Выходной сигнал является функцией входного сигнала, причем мощность выходного сигнала за счет энергии источника питания значительно больше мощности входного (усиливаемого) сигнала.

4.1.1. Усилительный каскад с общим эмиттером

Одним из наиболее распространенных усилительных каскадов на биполярных транзисторах является каскад с общим эмиттером (каскад по схеме ОЭ). В этом каскаде эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей, а резистор Rн (рис. 4.1), с помощью которого создается выходное напряжение, включается в коллекторную цепь транзистора. Полярность источника питания с ЭДС Eк по отношению к коллекторной цепи зависит от типа транзистора. На рисунке 4.1 полярность источника питания соответствует усилительному каска-

Рис. 4.1

Схема

усилительного каскада с общим эмиттером

ду с транзистором типа n-p-n. Для усилительного каскада с транзистором типа p-n-p полярность источника питания должна быть противоположной. Величина напряжения источника питания современных усилительных каскадов на биполярных транзисторах составляет обычно 10–15 В. Для коллекторной цепи усилительного каскада в соответствии со вторым законом Кирхгофа можно записать следующее уравнение электрического состояния:

т. е. сумма падения напряжения на резисторе Rк и коллекторного напряжения Uк транзистора всегда равна постоянной величине — ЭДС источника питания. Вольт-амперная характеристика Iк (URк ) коллекторного резистора Rк является линейной, а вольт-амперные характеристики Iк(Uк) транзистора представляют собой нелинейные коллекторные характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ.

Расчет такой нелинейной цепи, т. е. определение Iк,URк иUк для различных значений токов базы Iб и сопротивлений резистора Rк, можно провести графически. Для этого на семействе коллекторных характеристик (см. рис. 4.2а), необходимо провести из точки Eк на оси абсцисс вольт-амперную характеристику резистора Rк, удовлетворяющую уравнению

α = arctgRк, но удобнее строить ее по двум точкам: Uк = Eк при Iк = 0 на оси абсцисс и Iк = Eк/Rк при Uк = 0 на оси ординат. Построенную таким образом вольт-амперную характеристику коллекторного резистора Rк часто называют линией нагрузки. Точки пересечения ее с коллекторными характеристиками дают графическое решение уравнения (4.1а) для данного сопротивления Rк и различных значений тока базы Iб. По этим точкам можно определить коллекторный ток Iк, одинаковый для транзистора и резистора Rк, а также напряжения Uк и URк . С помощью линии нагрузки можно построить динамическую

в

а

б

Рис. 4.2

Построение линии нагрузки (а) динамической входной характеристики (б) и переходной характеристики (в)

при EК = 10 В и RК = 500 Ом

входную характеристику (рис. 4.2б), т. е. зависимость Iб(Uб) при включенном в коллекторную цепь резисторе Rк. Отличие динамической входной характеристики от статической заключается в том, что статическую характеристику определяют при условии Uк = const, которое не выполняется для динамической характеристики, так как разным значениям Iб соответствуют разные значения Iк, а следовательно, и Uк, т. е. Uк ≠ const. Однако входные характеристики для разных значений Uк отличаются незначительно, поэтому в качестве динамической принимают обычно усредненную статическую входную характеристику.

Анализ работы усилительного каскада удобно проводить с помощью переходной характеристики Iк(Iб), которую строят по точкам пересечения линии нагрузки с коллекторными характеристиками.

На рисунке 4.2 помимо коллекторных (выходных) характеристик приведена динамическая входная характеристика, повернутая на 90°, и дано построение

переходной характеристики (рис. 4.2в). Из рисунка 4.2 видно, что переходная характеристика имеет практически линейный участок ab при изменении тока базы от нуля до некоторого значения, зависящего от типа транзистора и величины сопротивления Rк. Проецируя этот участок на линию нагрузки и динамическую входную характеристику, отметим на них соответствующие участки a′b′ и a″b″. Сопротивление резистора Rк выбирают исходя из требуемого усиления входных сигналов, но при этом надо иметь в виду, чтобы линия нагрузки проходила левее и ниже допустимых значений Uк max, Iк max и Pк max и обеспечивала достаточно протяженный линейный участок переходной характеристики. При выполнении этих условий транзистор работает в области допустимых значений напряжения, тока и мощности и может усиливать без искажений сигналы в необходимом диапазоне изменения их величин. Сопротивления коллекторных резисторов Rк усилительных каскадов с общим эмиттером имеют обычно величину порядка нескольких килоом.

Резистор Rб, включенный в цепь базы, обеспечивает работу транзистора в режиме покоя, т. е. в отсутствие входного сигнала. Благодаря этому резистору можно получить оптимальные значения тока базы Iбо и напряжения между базой и эмиттером Uбо, соответствующие середине линейного участка динамической входной характеристики. Эта рабочая точка (точка A на рисунке 4.2) будет соответствовать примерно середине линейного участка переходной характеристики. Для обеспечения указанного режима величину сопротивления резистора Rб следует определять по формуле

Конденсатор C (см. рис. 4.1) служит для включения источника переменной входной ЭДС eвх с внутренним сопротивлением rвх в цепь базы. При отсутствии этого конденсатора в цепи источника входного сигнала создавался бы постоянный ток от источника питания Eк, который мог

бы вызывать падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника сигнала, изменяющее режим работы транзистора и приводящее к нагреву источника сигнала. Конденсатор связи C0 на выходе усилительного каскада обеспечивает выделение из коллекторного напряжения его переменной составляющей, которая может подаваться на нагрузочный резистор Rн или нагрузочное устройство с сопротивлением Rн.

При подаче на вход усилительного каскада переменного напряжения uвх (см. рис. 4.1) ток базы будет изменяться в соответствии с динамической характеристикой, т. е. кроме постоянной составляющей Iбо он будет иметь переменную составляющую Iб. Одновременно с этим в транзисторе будут изменяться эмиттерный и коллекторный токи. График переменной составляющей коллекторного тока iк можно построить с помощью переходной характеристики, зная изменения тока базы iб. Перенося изменения тока iк на линию нагрузки, можно проследить за изменениями коллекторного напряжения и падение напряжения на коллекторном резисторе Rк. Переменная составляющая коллекторного напряжения представляет собой выходное напряжение усилительного каскада, которое равно по величине и противоположно по фазе переменной составляющей падения напряжения на резисторе Rк: uвых = –Rкiк. Для входного напряжения справедливо соотношение:

uвх = Rвхiб,

где Rвх — входное сопротивление усилительного каскада, примерно равное входному сопротивлению транзистора.

Благодаря тому, что коллекторный ток во много раз превышает ток базы, а сопротивление Rк больше Rвх, выходное напряжение усилительного каскада с общим эмиттером получается во много раз больше входного напряжения. Если изменения входного напряжения, тока базы iб и тока коллектора iк укладываются в линейные участки переходной и динамической входной характеристик, то форма выходного напряжения будет соответ-

ствовать форме входного напряжения. В частности, при подаче на вход усилительного каскада гармонического напряжения выходное напряжение будет также гармоническим.

Важнейшей характеристикой усилительных устройств является коэффициент усиления по напряжению, равный отношению амплитудных значений выходного и входного напряжений:

Если выходное и входное напряжения являются гармоническими, то коэффициент усиления можно определить как отношение действующих значений этих напряжений:

При больших входных напряжениях переменные составляющие токов выходят за пределы линейных участков переходной и динамической входной характеристик, в результате чего форма кривой выходного напряжения претерпевает значительные искажения. Эти искажения,

б

а

в

Рис. 4.3

Временные зависимости токов базы (а), коллектора (б) и выходного напряжения (в) при большом входном напряжении

обусловленные нелинейностью указанных характеристик, называются нелинейными. На рисунке 4.3 показаны временные зависимости токов базы iб и коллектора iк и выходного напряжения усилительного каскада при большом входном напряжении. Из рисунка 4.3 видно, что при больших входных напряжениях рост выходного напряжения замедляется, т. е. коэффициент усиления уменьшается. Для оценки диапазона изменений входных напряжений, усиливаемых без искажений, используют амплитудную характеристику, представляющую собой зависимость амплитудного значения выходного напряжения от амплитудного значения входного напряжения.

При работе усилительного каскада в режиме, соответствующем линейным участкам характеристики, т. е. в отсутствие искажений, коэффициент усиления и другие параметры усилителя (входное и выходное сопротивления) можно рассчитать аналитически с помощью h-параметров транзистора. Для этого используют схему замещения усилительного каскада с общим эмиттером (рис. 4.4а) для переменных составляющих токов и напряжений. Основой этой схемы является схема замещения транзистора (обведена пунктиром). В схеме замещения усилительного каскада не учтены конденсаторы

иисточник питания, так как переменные составляющие напряжения на них принимают равными нулю. Поэтому резистивный элемент Rк включен между коллектором

иэмиттером транзистора, т. е. между точками a и b. Ре-

Рис. 4.4

Схема замещения усилительного каскада с общим эмиттером (а) и учет емкости коллекторного перехода (б)