Литература / (тоже супер) физосновы для экз

Это выражение показывает, что коэффициент усиления по напряжению рассматриваемого усилительного каскада пропорционален коэффициенту усиления по току h21 транзистора и отношению сопротивления коллекторного резистора Rк к входному сопротивлению h11 транзистора. По схеме замещения рисунка 4.4а легко можно найти входное сопротивление усилительного каскада с общим эмиттером на низких частотах:

При определении входного сопротивления на высоких частотах необходимо учитывать емкость Cк коллекторного p-n-перехода (см. рис. 4.4б). Сопротивление емкостного элемента, включенного между коллектором и базой, на высоких частотах становится сравнительно небольшим. Величина тока через него, замыкающегося через резистор Rк и источник питания Eк, соизмерима с величиной тока ih11 , обусловленной входным сопротивлением транзистора. С учетом этого входной ток

Ток, обусловленный емкостью Cк коллекторного p-n- перехода (см. рис. 4.4б),

Так как в соответствии с выражением (4.7) выходное напряжение Uвых = −KUхх Uвх, то

Используя выражения для токов, можно получить формулу для входного сопротивления усилительного каскада с общим эмиттером:

Входное сопротивление усилительного каскада с общим эмиттером обычно лежит в пределах от нескольких сотен ом до нескольких килоом. Выходное сопротивление обычно больше входного. Низкое входное и высокое выходное сопротивление создают значительные трудности при работе усилительного каскада с высокоомным источником усиливаемой ЭДС eвх (см. рис. 4.1) и низкоомным нагрузочным устройством. В этом случае входное напряжение усилительного каскада может быть значительно меньше ЭДС eвх, так как на входе усилительного каскада образуется делитель напряжения rвн – Rвх с небольшой ве-

Если сопротивление Rн нагрузочного устройства, включенного по переменной составляющей напряжения параллельно коллекторному резистору Rк, значительно меньше сопротивления Rк, то коэффициент усиления по напряжению усилительного каскада существенно снижа-

ется: KU ≈ h21Rн . Эти обстоятельства необходимо учиты-

h11

вать при использовании усилительных каскадов с общим эмиттером.

4.1.2.Температурная стабилизация усилительного каскада с общим эмиттером

Существенным недостатком транзисторов является зависимость их параметров от температуры. При повышении температуры транзистора увеличивается коллекторный ток за счет возрастания числа неосновных носителей заряда в полупроводнике. Это приводит к изменению коллекторных характеристик транзистора (рис. 4.5). При увеличении коллекторного тока на Iк коллекторное напряжение уменьшается на UК = Rк Iк. Это вызывает смещение рабочей точки на коллекторной (рис. 4.5) и переходной характери-

стиках. В некоторых случаях повышение температуры может вывести рабочую точку за пределы линейного участка переходной характеристики и нормальная работа усилителя нарушится. Для уменьшения влияния температуры на характеристики усилительного каскада с общим эмиттером в цепь эмиттера включают резистор Rэ, шунтированный конденсатором Cэ (рис. 4.6).

В цепи базы для создания начального напряжения смещения Uбэ между базой и эмиттером применен

делитель R′R′′. На-

б б

пряжение Uбэ зависит от сопротивлений ре-

зисторов R′, R′′ и Rэ:

б б

При наличии резистора Rэ увеличение эмиттерного тока Iэ = Iб + Iк из-за повышения температуры приводит

кувеличению падения напряжения на резисторе Rэ. Это вызывает понижение потенциала базы по отношению

кпотенциалу эмиттера [см. (4.13)], а следовательно, и уменьшение токов Iэ и Iк. Ясно, что уменьшение коллекторного тока за счет действия резистора Rэ не может полностью скомпенсировать рост его за счет повышения температуры, но влияние температуры на величину тока Iк при этом во много раз снижается.

Введение резистора Rэ при отсутствии конденсатора изменяет работу усилительного каскада не только в режиме покоя, но и при наличии входного напряже-

ния. Переменная составляющая эмиттерного тока iэ создает на резисторе падение напряжения uэ = Rэiэ, которое уменьшает усиливаемое напряжение, подводимое

ктранзистору:

Коэффициент усиления усилительного каскада при этом будет уменьшаться. Явление уменьшения усиливаемого напряжения называется отрицательной обратной связью. Под обратной связью понимают передачу части выходного сигнала усилителя на его вход. Если эта передача снижает усиливаемое напряжение, то обратную связь называют отрицательной. Для ослабления отрицательной обратной связи параллельно резистору Rэ включают конденсатор Cэ. Емкость конденсатора Cэ выбирают таким образом, чтобы для всех частот усиливаемого напряжения его сопротивление было много меньше Rэ. При этом падение напряжения на участке Rэ –Cэ от переменной составляющей iэ будет незначительным, поэтому усиливаемое напряжение практически равно входному напряжению:

uбэ = uвх.

Рассмотренный способ температурной стабилизации называют эмиттерной стабилизацией. Недостатком

404 Р А З Д Е Л 4

этого способа стабилизации является необходимость повышения напряжения питания коллекторной цепи, так как при включении резистора Rэ в эмиттерную цепь коллекторное напряжение уменьшается за счет падения напряжения на резисторе Rэ.

В случае коллекторной стабилизации напряжение обратной связи подается из коллекторной цепи в цепь базы с помощью резисторов с сопротивлениями

R′ = R′′ (рис. 4.7),

б б

включенными между коллектором и базой транзистора.

При повышении температуры коллекторный ток увеличивается, а коллекторное напряжение уменьшается. Это приводит к понижению потенциала базы, а следовательно, к уменьше-

нию тока Iб и коллекторного тока Iк, который стремится к своему первоначальному значению. В результате коллекторный ток и коллекторное напряжение изменяются незначительно. Таким образом, введение резисторов

с сопротивлением R = R′ + R′′ приводит к существенно-

б б б

му ослаблению влияния температуры на характеристики усилительного каскада.

Чтобы переменная составляющая коллекторного напряжения не попадала в цепь базы, в усилительном каскаде использован Т-образный фильтр. Между резисторами

R′ и R′′ включен конденсатор фильтра Cф, сопротивле-

б б

ние которого должно быть значительно меньше сопротив-

ления R = R′ + R′′. Емкость конденсатора фильтра можно

б б б

где fн — наиболее низкая частота усиливаемого напряжения.

Усилитель с коллекторной стабилизацией обладает меньшей стабильностью, чем усилитель с эмиттерной стабилизацией, но он не требует повышения напряжения питания коллекторной цепи.

4.1.3.Усилительные каскады с общим коллектором и с общей базой

Схема усилительного каскада с общим коллектором (схема ОК) приведена на рисунке 4.8. В этом каскаде основной резистор, с которого снимается выходное напряжение, включен в эмиттерную цепь, а коллектор по переменной составляющей тока и напряжения соединен непосредственно с общей точкой усилителя, так как падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника коллекторного напряжения от переменной составляющей тока незначительно. Таким образом, можно считать, что входное напряжение подается между базой и коллекто-

ром через конденсатор C, а выходное напряжение, равное падению напряжения на резисторе Rэ переменной составляющей эмиттерного тока, снимается между эмиттером

иколлектором через конденсатор связи Cс.

Врежиме покоя, т. е. при uвх = 0, резистор Rб создает начальный ток смещения в цепи базы. Его величину выбирают такой, чтобы рабочая точка усилительного каскада находилась примерно посередине линейного участка входной характеристики. При наличии переменного входного напряжения uвх появляется переменная составляющая

эмиттерного тока iэ, которая создает на резисторе Rэ выходное напряжение uвых = Rэiэ. Для определения основных параметров усилительного каскада с общим коллектором рассмотрим его схему замещения, в которой использована

меньше единицы, поэтому его правильнее называть коэффициентом передачи напряжения. Учитывая, что h22 = (10 –5–10 –6) См, а Rэ = (102–104) Ом, и, следовательно, h22Rэ 1, формулу для коэффициента передачи напряжения приближенно можно записать в виде

Поскольку величины h11 и Rэ имеют одинаковый порядок, а h21 1, значение KU мало отличается от единицы. Действительно, в усилительных каскадах с общим коллектором KU = 0,8–0,9. Из схемы этого каскада видно, что выходное напряжение практически совпадает по фазе с входным. Поскольку выходное напряжение усилительных каскадов с общим коллектором мало отличается от входного по величине и фазе, их часто называют эмиттерными повторителями. Выражение для входного сопротивления эмиттерного повторителя можно получить, используя формулу (4.18):

Так как значение KU близко к единице, входное сопротивление эмиттерного повторителя много больше входного сопротивления h11 транзистора и достигает нескольких сотен килоом.

Можно показать, что выходное сопротивление эмиттерного повторителя (вывод не приводится ввиду его громоздкости)

и имеет величину порядка десятков ом. Таким образом, эмиттерный повторитель обладает большим входным

408 Р А З Д Е Л 4

и малым выходным сопротивлениями. Следовательно, его коэффициент усиления по току может быть очень высоким. Эмиттерный повторитель обычно применяют для согласования высокоомного источника усиливаемого напряжения с низкоомным нагрузочным устройством. В усилительных каскадах с общим коллектором температурная стабилизация обеспечивается основным резистором Rэ, включенным в эмиттерную цепь.

Схема усилительного каскадасобщей базой (схемаОБ) приведена на рисунке 4.10. В этом каскаде для создания оптимального тока базы в режиме покоя Iбо, обеспечивающего работу усилительного каскада на линейном участке входной характеристики,

служат резисторы R′ и R′′.

б б

Конденсатор Cб имеет на частоте усиливаемого сигнала сопротивление, много меньшее Rб, и падение напряжения на нем от переменной составляющей тока мало, поэтому можно считать, что по переменной составляющей тока база соединена с общей точкой усилительного каскада. Входное напряжение подается между эмиттером и базой, а выходное напряжение снимается между коллектором и базой через конденсатор связи Cс.

Усилительный каскад с общей базой имеет коэффициент усиления по напряжению примерно такой же, как и у каскада с общим эмиттером, но коэффициент усиления по току у него меньше единицы, так как выходным током является коллекторный ток, а входным — эмиттерный ток, величина которого несколько больше величины коллекторного тока. Таким образом, коэффициент усиления по мощности KP = KUKI каскадов с общей базой значительно меньше, чем каскадов с общим эмиттером. Другим недостатком усилительных каскадов с общей базой является малое входное и сравнительно большое выходное сопротивления. Вследствие этих недостатков усилительные каскады с общей базой применяются очень редко.

4.1.4.Усилительные каскады на полевых транзисторах

Широкое распространение получили усилительные каскады на полевых транзисторах, так как они обладают значительно большим входным сопротивлением по сравнению с усилительными каскадами на биполярных транзисторах. Наиболее часто используют усилительный каскад с общим истоком, схема которого приведена на рисунке 4.11.

В этом каскаде резистор Rс, с помощью которого осуществляется усиление, включен в цепь стока. В цепь истока включен резистор Rи,

создающий необходимое падение напряжения в режиме покоя uзо, являющееся напряжением смещения между затвором и истоком.

Резистор в цепи затвора Rз обеспечивает в режиме покоя равенство потенциалов затвора и общей точки усилительного каскада. Следовательно, потенциал затвора ниже потенциала

истока на величину падения напряжения на резисторе Rи от постоянной составляющей тока Iи0. Таким образом, потенциал затвора является отрицательным относительно потенциала истока.

Входное напряжение подается на резистор Rз через разделительный конденсатор C. При подаче переменного входного напряжения в канале полевого транзистора появляются переменные составляющие тока истока iи и тока стока iс, причем iи ≈ iс. За счет падения напряжения на резисторе Rи от переменной составляющей тока iи переменная составляющая напряжения между затвором и истоком, усиливаемая полевым транзистором, может быть