Электроника Ч2

На участке II напряжение на коллекторе транзистора можно изменять

шение Uкэ / Uбэ обозначают КU и называют коэффициентом усиления по напряжению. В нашем примере КU=50. Кроме того, увеличение напряжения

Uбэ приводит к пропорциональному уменьшению напряжения Uкэ, т.е. знаки

приращений входного и выходного сигналов противоположны. Такие уси- лители называют инвертирующими.

На участке III Uкэ = Uкэн = const . Транзистор теряет свойства уси-

лительного элемента.

52

Передаточная характеристика позволяет рассмотреть различные ре- жимы работы усилительного каскада (классы усиления). При работе в клас-

се «В» напряжение Uбэ = Uвх (см. график пунктирной линией на рис. 21.2,

б). На выход передается сигнал только одной полярности. При подаче на

вход двухполярного сигнала часть информации будет потеряна.

При работе в классе «А» напряжение Uбэ = Uвх + Uсм (см. график сплошной линией на рис. 21.2, б). Здесь Uсм – напряжение смещения, посто- янная величина, не зависящая от Uвх. Когда Uвх = 0, Uбэ = Uсм. Такой режим называют режимом покоя, а токи Iб, Iк и напряжения Uбэ и Uкэ называют то-

ками и напряжениями покоя и обозначают Iбп; Iкп; Uбэп; Uкэп. Напряжение смещения Uсм выбирают так, чтобы рабочая точка транзистора Т находилась в середине линейного участка II. В этом случае любое приращение входного

При работе в классе D на вход каскада подается большой сигнал (см. график штрих пунктирной линией на рис. 21.2, б). Передаваемый сигнал ог- раничивается сверху и снизу. Такой режим широко применяется в импульс- ной технике.

2.1 Схемы смещения и температурной стабилизации

Чтобы обеспечить усиление каскада в классе А, на базу транзистора необходимо подать напряжение смещения Uсм. Это обеспечивают специ- альные схемы, которые называют схемами смещения. Рассмотрим наибо- лее часто применяемые схемы.

Схема смещения с фиксацией тока базы (рис. 21.3, а). Фиксация тока базы Iб достигается, когда в цепь базы включается резистор Rб с большим сопротивлением.

53

Для цепи базы справедливо равенство Ек = Uбэ + Iб Rб . Следова-

тельно,

В (21.1) Uбэ << Ек , и им можно пренебречь. Следовательно, ток покоя базы определяется величиной внешнего сопротивления Rб , не зависит от параметров транзистора и является фиксированной величиной.

Схема смещения с фиксацией напряжения базы приведена на (рис. 21.3, б). Для цепи базы в этой схеме справедливо равенство:

Ек = (Iб + Iд )R1 + IдR2 .

Из равенства очевидно, что

где Iд - ток делителя.

Чтобы напряжение смещения Uбэ не зависело от параметров входной цепи транзистора, ток делителя Iд необходимо выбирать значительно боль-

ше тока базы Iб. Обычно Iд = (5 ÷ 10) Iб . Тогда

необходимости дополнительных затрат энергии источника питания. Это не- достаток схемы. Общим недостатком рассмотренных схем является зависи- мость режима работы транзистора от температуры окружающей среды (тем- пературные изменения токов базы и коллектора, коэффициента передачи тока базы β).

Для устранения температурной зависимости в цепь смещения можно включить элементы коррекции, сопротивление которых зависит от темпера- туры, например, терморезистор или диод. Значительно чаще применяют

54

схемы стабилизации с отрицательной обратной связью (ООС). Рассмотрим

наиболее широко применяемую схему температурной стабилизации с ООС по току в цепи эмиттера (рис. 21.3, в).

зуют замкнутый контур. Для этого контура справедлив второй закон Кирх-

чтобы ток базы принял прежнее значение. Таким образом, ООС всегда пре- пятствует любому изменению тока эмиттера, а значит, и тока базы тем эф- фективнее, чем больше значение Rэ. Но это значит, что ООС будет препят- ствовать и приращению тока коллектора под воздействием входного сигна- ла, резко уменьшая коэффициент усиления каскада.

Чтобы не допустить возможного уменьшения коэффициента усиления каскада с ООС, параллельно Rэ включают емкость Сэ. Значение емкости вы-

55

бирают из условия Хсэ << Rэ на минимальной частоте сигнала. В этом слу-

чае переменная составляющая (сигнал) будет замыкаться по Сэ, а медленно изменяющиеся составляющие температурной нестабильности - по Rэ. Кас- кад сохраняет высокий коэффициент усиления и стабильность свойств в широком диапазоне температуры окружающей среды.

2.2. Схема замещения и основные показатели каскада с ОЭ.

Усилительные каскады оцениваются по ряду параметров и характери- стик. К ним относятся коэффициенты усиления КU, КI, КP; входные и вы- ходные сопротивления; полоса пропускания; АЧХ и ФЧХ; амплитудная ха- рактеристика и т.п. Определяются эти параметры и характеристики в про- цессе анализа схем усилителей. Основными методами анализа являются

графоаналитический метод или метод линеаризации схем замещения. Пер-

вый из названных методов полезен, когда амплитуда приращений соизме- рима с напряжением смещения, второй – когда !U<<U0. Графоаналитиче- ский метод анализа основан на использовании ВАХ транзисторов и позво- ляет получить более точные результаты. Этот метод будет рассмотрен на практических занятиях.

Когда входной сигнал мал (!U<<U0), полезен метод линеаризации схем замещения. Оценка параметров выполняется по переменной состав- ляющей. При этом напряжение источника питания, напряжение смещения не учитываются, так как для переменной составляющей внутреннее сопро- тивление названных источников равно нулю. Их зажимы можно считать замкнутыми накоротко. Для схемы рис. 21.3, в RЭ по переменной состав- ляющей также равно нулю, так как оно зашунтировано емкостью СЭ. Обыч- но R1>>R2, и его влияние можно не учитывать. С учетом оговоренных усло- вий схема замещения усилительного каскада с ОЭ (рис. 21.3, в) приведена на рис. 21.4.

57

Основные показатели усилительного каскада оцениваются в области средних частот. Для средних частот сопротивлением СР и проводимостью

Сэкв можно пренебречь, т.к. ХСр << Rн << ХСэкв . С учетом этого схема заме-

щения усилителя в области средних частот приходит к виду рис. 21.6.

Для схемы рис. 21.6

Обычно Rкэ ≈ 104 Ом >> Rк, и его влиянием на значение выходного сопротивления пренебрегаем. Тогда можно записать, что

лучить выражение для оценки коэффициента усиления каскада по напряжению в области средних частот

59

где τ Н = СР (RK + RH ) = 1 .

ω H

Таким образом, в области нижних частот, с уменьшением частоты коэффициент усиления падает. Сопротивление емкости конденсатора СР вместе с Rвых образует делитель напряжения. С уменьшением частоты сопротивление XCp увеличивается. Увеличивается и падение напряжения на нем. Напряжение на RВЫХ падает.

3.УСИЛИТЕЛЬ ПО СХЕМЕ С ОБЩИМ КОЛЛЕКТОРОМ

Усилитель по схеме с общим коллектором (ОК) (рис. 21.7, а) обладает большим значением Rвх и малым Rвых. Этим он выгодно отличается от каскада с общим эмиттером. Однако коэффициент усиления по напряжению КU

<1, поэтому каскад с ОК нашел применение как буферный. Он включается между маломощным источником сигнала и каскадом с ОЭ либо между каскадом с ОЭ и низкоомной нагрузкой.

В схеме каскада с ОК резистор Rб образует цепь смещения с фиксацией тока покоя базы. Коллектор транзистора подключен к источнику питания Ек. В эмиттерную цепь введен резистор Rэ. Он обеспечивает стабилизацию режима работы транзистора за счет ООС по току. Нагрузка RH подключается к эмиттерной цепи через разделительный конденсатор СР. Последний исключает попадание постоянной составляющей тока эмиттера в нагрузку. При таком включении приращение входного и выходного сигналов совпадают по знаку. Значит, усилитель по схеме с общим коллектором неинвер-

тирующий.

60

Входная цепь по переменной составляющей включает участок базаэмиттер с сопротивлением Rбэ, резистор Rэ и параллельно соединенный с ним резистор RH. Поэтому

U вх = Iб Rбэ + I э (Rэ // RH ).

Обозначим

Rэ' = (Rэ // RН ) = Rэ RН .

Rэ + RН

Тогда

Uвх = Iб [Rбэ + (β +1)Rэ' ].

Теперь легко определить входное сопротивление каскада:

Например, пусть в схеме рис. 21.7, а известны величины: Rбэ = 103Ом;

β = 50; Rэ = RН = 400Ом.

Тогда по (21.13) Rвх = 11200 Ом.

Определим коэффициент усиления по напряжению:

Для приведенного примера КU = 0,91.

Чтобы обеспечить наилучшие условия передачи мощности сигнала в нагрузку, значение Rэ, как правило, принимают равным RH.

В заключение отметим, что сигнал на выходе каскада с ОК повторяет форму входного сигнала (КU близок к единице, инверсия отсутствует). Именно поэтому за каскадом закрепилось название эмиттерный повтори-

тель.