Транзисторные усилители

3.1 Усилитель с общим эмиттером

Схема усилителя с общим эмиттером представлена на рис.3.1

Коэффициент усиления по напряжению с ОЭ приближенно равен отношению сопротивления в цепи коллектора r_K к сопротивлению в цепи эмиттера r_Э :

К_У = r_K / r_Э ,

где r_K – сопротивление в цепи коллектора, которое определяется параллельным соединением сопротивления коллектора R_K и сопротивлением нагрузки R_H, r_Э – дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода, равное r_Э = 25мВ/I_Э.

Рис.3.1

Для усилителя с сопротивлением R_Э в цепи эмиттера коэффициент усиления равен:

K_У = .

Входное сопротивление усилителя по переменному току определяется как отношение амплитуд синусоидального входного напряжения u_ВХ и входного тока i_ВХ :

r_ВХ = .

Входное сопротивление транзистора r_i определяется по формуле :

r_i = r_Э .

Входное сопротивление усилителя по переменному току r_ВХ вычисляется как параллельное сопротивление соединений r_i , R₁ , R₂ .

1 / R = 1 / R₁ + 1 / R₂ + 1 / r_I

Значение дифференциального выходного сопротивления схемы находится по напряжению u_XX холостого хода на выходе усилителя, которое может быть измерено как падение напряжения на сопротивление нагрузки, превышающем 200 кОм, и по напряжению u_ВЫХ, измеренному для данного сопротивления нагрузки R_H, из следующего уравнения, решаемого относительно r_ВЫХ:

= .

Сопротивление R_H200 кОм можно считать разрывом в цепи нагрузки.

3.2. Усилитель с общим коллектором.

Схема усилителя с общим коллектором или эмиттерного повторителя представлена на рис.3.2

Рис.3.2

Коэффициент усиления по напряжению с ОК определяется из следующего выражения:

K_У = .

Как видно из выражения, коэффициент усиления каскада с общим коллектором приближенно равен 1, поскольку r_Э обычно мало по сравнению с сопротивлением R_Э. Из—за этого свойства каскад называют эмиттерным повторителем.

Входное сопротивление усилителя г_ВХ по переменному току определяется как от­ношение амплитуд синусоидального входного напряжения u_ВХ входного тока i_ВХ:

r_ВХ =

Входное сопротивление эмиттерного повторителя по переменному току определяется следу­ющим выражением :

r_iЭ = (r_Э + R_Э). (--h_21Э)

В данном случае для определения входного сопротивления каскада нужно принять во вни­мание сопротивление резисторов R₁ и R₂. С учетом сказанного получим:

1 / R_ВХ = 1 / R₁ + 1 / R₂ + 1 / r_iЭ .

Также при расчете схем необходимо учитывать сопротивление нагрузки, которая включа­ется параллельно сопротивлению эмиттера R_Э :

Из выражений для входного сопротивления видно, что эмиттерный повторитель обладает высоким входным сопротивлением по сравнению с каскадом с ОЭ.

В общем случае выходное сопротивление эмиттерного повторителя в _АС +1 раз меньше со­противления R_ИСТ источника сигнала на входе эмиттерного повторителя:

r_ВЫХ = .

Если сопротивление R_ИСТ источника сигнала на входе эмиттерного повторителя пренебре­жимо мало, то выходное сопротивление эмиттерного повторителя будет равно дифференциаль­ному сопротивлению перехода база-эмиттер:

r_ВЫХ = r_Э

В случае, когда сопротивление R_ИСТ источника сигнала на входе очень велико (сравнимо с _АСR_Э)), сопротивление R_Э должно быть учтено как включенное параллельно найденному вы­ходному сопротивлению эмиттерного повторителя.

Экспериментально выходное сопротивление каскада можно определить по результатам двух измерений: измерения напряжения холостого хода U_ХХ (на выхол каскада подключается сопротивление порядка 200 кОм и измеряется падение напряжения на нем) и измерения выход­ного напряжения U_ВЫХ при наличии нагрузки сопротивлением R_Н. После измерений выходное сопротивление можно подсчитать по формуле:

r_ВЫХ = .

Благодаря высокому входному и низкому выходному сопротивлению данная схема используется в качестве согласующего между источником и нагрузкой.

Пример 3.1 Спроектируем усилитель по схеме на рис.3.1, обеспечивающий коэффициент по напряжению К = 5 в диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц, имеющий входное сопротивление R_ВХ>5 кОм и обеспечивает эффективное значение выходного напряжение не менее 2В эфф на нагрузке 40 кОм.

В цепь эмиттера включен резистор R_Э , через который осуществляется отрицательная обратная связь (ООС) по току, обеспечивающая высокую термостабильность усилителя и повышающая его входное сопротивление.ООС по току действует следующим образом--пусть , например, ток коллектора на резисторе по каким—либо дестабилизирующим причинам увеличится. Тогда увеличится падение на резисторе R_Э, уменьшается напряжение база—эмиттер, следовательно, уменьшается ток коллектора. Для эффективной термостабиллиза-

ции рабочей точки падение напряжения на резисторе R_Э выбирают в пределах 0,5—1В. Применение базового делителя на резисторах R1, R2 позволяет рассчитать положение рабочей точки транзистора без подбора его по h_21Э (при расчете базового делителя R1, R2 ориентируются на минимальное значение h_21Э для данного выбранного транзистора).

1. Определяем напряжение источника питания Е = 3,5x U_ВЫХ=3,5х2=7В.

2. Определяем напряжение U_КЭ:: U_КЭ=Е/2=3,5B.

3. Находим R_K: R_K=R_H/10=4 кОм.

4. Находим ток коллектора I_K=(E—U_КЭ)/R_K=0,9 мА.

5. Задаемся падением напряжения 0,5В на резисторе R_Э. Тогда R_Э=0,5/0,9=560 Ом.

6. Коэффициент усиления по напряжению: К=R_K/R_Э=7

7. Выбираем транзистор КТ 315Б имеющий h_21Э100.

8. Находим ток базы : I_б=I_K/h_21Э=0,01 мА.

9. Выбираем ток через делитель напряжения R1,R2 : I_Д=10хI_б=0,1 мА.

10. Определяем потенциал на базе: U_б=U_Э+0,6=1,1В

11. Находим R2: R2=U_б/I_Д=1,1В/0,1мА=11 кОм.

12. Находим R1: R1=(E—U_б)/I_Д=6В/0,1мА=60 кОм.

13. Находим R_ВХ: R_ВХ=R1IIR2IIh_21ЭхR_Э=7,5 кОм.

14. Находим С₁ = 1 / 3.14 fR (входное полное сопротивление тр – ра)

15. Находим С₂ = 1/ 6.28 fR (входное полное сопротивление тр – ра)

f – нижняя граничная частота в Гц.

Расчетная схема усилителя ОЭ приведена на рис.3.3

1 / R = 1 / R₁ + 1 / R₂ + 1 / r_I - расчет полного входного сопротивления транзистора, где r_I = 25mV / I_Э

Рис.3.3

На рис.3.4 изображена схема с общим коллектором, называемым также схемой эмиттерного повторителя (ЭП). Эта схема усиливает ток , но не усиливает входное напряжение. Коэффициент передачи ЭП по напряжению около 1, отсюда название «повторитель». Для расчета ЭП задаются потенциалом на эмиттере, равным Е/2. Тогда R_Э = U_Э/I_Э = 3,5B/1мА = 3,6 кОм. Потенциал на базе равен U_б = U_Э+0,6В = 4,1В. При I_Д = 0,1 мА, R2 = U_б/I_Д = 4,1В/0,1мА = 39 кОм, R1 = (E—U_б)/I_Д = 2,9B/0,1мА = 27 кОм. Расчет конденсаторов С₁ и С₂ подобен расчету конденсаторов для схемы с ОЭ.

Рис.3.4