Исследование усилительных каскадов на биполярных транзисторах

Цель работы – изучить работу схем и основные характеристики транзисторных усилительных каскадов с общим эмиттером и общим коллектором работающих в режиме класса А.

1.1. Краткие теоретические сведения

Усилитель – это электронное устройство управляющее потоком энергии, идущей от источника питания к нагрузке. При этом мощность требуемая для управления этим потоком должна быть меньше мощности отдаваемой в нагрузку, а формы входного (усиливаемого) и выходного (на нагрузке) сигналов совпадать. Обобщенная структурная схема электронного усилителя приведена на рис.1.1.

Рис.1.1. Обобщенная структурная схема электронного усилителя.

Р_ВХ – мощность электрического сигнала на входе усилителя; Р_ИСТ – мощность потребляемая от источника питания; Р_ПОТ – мощность потерь (рассеиваемая на элементах усилителя); Р_Н – мощность отдаваемая в нагрузку;

ИК – информационный канал; ЭК – энергетический канал.

Транзисторы используются как управляющие элементы в усилительных цепях. По названию того электрода транзистора, который используется как общая точка для напряжений входного и выходного сигналов, различают три основные схемы усилителей на биполярных транзисторах:

• с общим эмиттером (ОЭ),

• с общим коллектором (ОК),

• с общей базой (ОБ).

В наиболее распространенных схемах усилителей используются n-p-n транзисторы (рис.1.2.б.). Однако p-n-p транзисторы (рис. 1.2.а.) также можно использовать, но тогда нужно изменить полярность рабочего напряжения. Полярности напряжений, которые необходимо подавать на электроды транзисторов, можно определить по направлению стрелки эмиттера, которая показывает направление протекания тока через p–n , переходы транзистора, учитывая то, что ток в электрической цепи протекает от «+» к «-«.

При работе усилительного каскада через p–n переходы транзистора протекает два основных тока – ток базы (I_Б) и ток коллектора (I_К), а по цепи эмиттера - ток эмиттера (I_Э), представляющий собой сумму этих двух токов.

I_Э = I_Б + I_К (1.2)

а)

б)

Рис. 1.2. Условное графическое обозначение биполярных транзисторов p-n-p (рис. 1.2.а.) и n-p-n (рис. 1.2.б.) типа. (стрелками показано направление протекающих в них токов).

Работу усилительного каскада рассмотрим на примере схемы с общим эмиттером (рис.1.3.).

Рис. 1.3. Усилительный каскад с общим эмиттером.

Перед тем как подавать на вход усилителя сигнал подлежащий усилению, необходимо обеспечить начальный режим работы (статический режим, режим по постоянному току, режим покоя). Начальный режим работы характеризуется протеканием постоянных токов по электродам транзистора и постоянными напряжениями на них.

Начальный режим работы определяется положением так называемой начальной рабочей точки (НРТ) с координатами (U_КЭН, I_КН), где U_КЭН и I_КН - начальное напряжение между коллектором и эмиттером и начальный ток коллектора.

Для усиления без искажений двухполярного входного сигнала, например синусоидального, НРТ должна располагаться на линейных участках входных характеристик и на горизонтальных участках выходных характеристик транзистора, таким образом, чтобы обеспечить усиление обеих полуволн входного сигнала заданного уровня без существенных искажений (режим работы усилительного каскада класса А).

Для стабильной работы усилителя стремятся не допускать изменения положения НРТ. Из известных схем стабилизации наибольшее предпочтение отдается схеме с эмиттерной стабилизацией рабочей точки. Чтобы зафиксировать напряжение на базе транзистора используют делитель напряжения (Е) питающего каскад, выполненный на резисторах R₁ и R₂ (рис. 1.3.). Ток делителя выбирают из условия I_Д (2…5)I_Б0. Чем больше I_Д, тем стабильнее работает каскад, так как изменения токов коллектора I_К и эмиттера I_Э, а значит и тока базы I_Б (I_Б = I_Э – I_К), не приведет к значительному изменению напряжения на R₁ т. к.

U_R1 = (I_Д + I_Б) R₁. (1.2)

Для обеспечения заданного режима работы транзистора необходимо, чтобы текущий через резистор R₂ ток делителя I_Д создавал на нем падение напряжение

U_СМ = U_БЭ0 + U_RЭ, (1.3)

поэтому R₂ = . (1.4)

Схема эмиттерной стабилизации использует отрицательную обратную связь (ООС) по току. Элементом обеспечивающим эту связь, является резистор в эмиттерной цепи R_Э (рис.1.3). В следствии этого, естественно, уменьшается усиление. Однако отрицательная обратная связь обеспечивает термостабилизацию рабочей точки и компенсацию нелинейных искажений вызванных нелинейностью передаточной характеристики каскада (зависимостью коэффициента усиления от амплитуды усиливаемого сигнала). Коэффициент усиления по напряжению схемы с ООС приближенно определяется как

К_U = = - , (1.5)

где r_Э –внутреннее сопротивление эмиттера.

Знак минус в формуле 1.5 соответствует изменению фазы выходного сигнала на 180⁰. Как следует из выражения 1.5, при условии, что R_Э >> r_Э, коэффициент усиления практически не зависит от параметров транзистора и определяется соотношением величин сопротивлений R_К и R_Э. С учетом емкости C_Э полное сопротивление эмиттерной цепи будет иметь комплексное значение

Z_Э = , (1.6.)

поэтому в соответствии с уравнением (1.5) коэффициент усиления также станет комплексным:

(1.7)

где фазовый сдвиг выходного напряжения.

При этом на низкой частоте при 0 cохранится прежнее значение К_U определяемое формулой (1.5). С повышением частоты коэффициент усиления растет и на высокой частоте определяется формулой

К_{U ВЧ} = -jwC_ЭR_Э, при этом фазовый сдвиг будет близок к 90⁰. Данное обстоятельство используется для компенсации снижения коэффициента усиления транзистора в области высоких частот и соответственно выравнивания амплитудно-частотной характеристики усилителя.

Рассмотрим работу схемы термостабилизации положив, что увеличение тока коллектора вызвано повышением температуры. Поскольку потенциал на базе транзистора (U_СМ) при этом не изменяется, приращение приведет к уменьшению управляющего напряженияU_БЭ и соответственно к уменьшению тока базы, а следовательно и тока коллектора. Ток коллектора, таким образом, стабилизируется.

Разделительные конденсаторы С₁ и С₂ предотвращают попадание постоянного тока от источника питания Е с одной стороны в нагрузку, с другой – в источник входного сигнала, однако оказывают существенное влияние на коэффициент усиления каскада. Частотная зависимость коэффициента передачи входной цепи определяется формулой (при R₁<R₂<R_ВХ)

К_ВЦ. (1.8)

При этом в области низких частот коэффициент передачи входной цепи определяется выражением

К_{ВЦ НЧ} jC₁R₁, (1.9)

а в области высоких К_{ВЦ ВЧ} 1.

Аналогичная частотная зависимость коэффициента передачи характерна и для выходной цепи усилительного каскада (С₂R_Н).

Для снижения влияния разделительных конденсаторов на коэффициент усиления каскада на низких частотах, должны выполняться условия

Х_С1 = и Х_С2 = , (1.10)

где f_Н – нижняя частота полосы усиливаемого сигнала;

R_ВХ – входное сопротивление каскада.

Основные характеристики усилителей. Все характеристики можно разделить на три группы: входные, выходные и передаточные. К входным характеристикам относятся: допустимые значения входного напряжения или тока, входное сопротивление и входная емкость. Обычно эти характеристики определяются параметрами источника входного сигнала.

Основной передаточной характеристикой усилителя является его коэффициент усиления. Различают коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности

К_U = , К_I = , К_Р = , (1.11)

где U₁, I₁ и Р₁ – значения напряжения, тока и мощности на входе усилителя; U₂, I₂ и Р₂ – значения напряжения, тока и мощности на выходе усилителя.

Коэффициенты усиления часто выражаются в логарифмических единицах – децибелах:

К_U(дБ) = 20lgК_U ; К_I (дБ) = 20lgК_i ; К_Р (дБ) = 10lgК_р. (1.12)

Усилитель может состоять из нескольких каскадов. Для многокаскадных усилителей его коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов: К = К₁ К₂ … К_n. Если коэффициенты усиления каскадов выражены в децибелах, то общий коэффициент усиления равен сумме коэффициентов усиления отдельных каскадов:

К(дБ) = К₁(дБ) + К₂(дБ) + … + К_n(дБ). (1.13)

Коэффициент усиления в общем случае является комплексной величиной, т. е. он зависит от частоты входного сигнала и характеризуется не только изменением амплитуды выходного сигнала с изменением частоты, но и его задержкой во времени, т. е. изменением его фазы:

,(1.14)

где К_U = - модуль коэффициента усиления;

- сдвиг фаз между входным и выходным напряжениямиU_ВХ и U_ВЫХ.

Помимо коэффициента усиления важным количественным показателем является коэффициент полезного действия

, (1.15)

где Р_ИСТ – мощность потребляемая усилителем от источника питания.

Роль этого показателя особенно важна для мощных, как правило, выходных каскадов усилителя.

К количественным показателям усилителя относятся также входное R_ВХ и выходное R_ВЫХ сопротивления усилителя:

R_ВХ = ;R_ВЫХ = ,(1.16)

где U_ВХ и I_ВХ – амплитудные значения напряжения и тока на входе усилителя;

и - приращения амплитудных значений напряжения и тока на выходе усилителя, вызванные изменением сопротивление нагрузки.

Для количественной оценки динамических свойств усилителя в частотной области используются такие параметры, как полоса пропускаемых частот , граничные значения частот – верхнейf_В и нижней f_Н. Зависимость модуля коэффициента усиления от частоты называется амплитудно-частотной характеристикой усилителя (АЧХ), а фазо-частотная характеристика усилителя (ФЧХ) - это зависимость угла сдвига фаз между входным и выходным напряжениями от частоты. Типовая АЧХ приведена на рис. 1.4.

Рис.1.4. Типовая амплитудно-частотная характеристика усилительного каскада с эмиттерной стабилизацией рабочей точки и RC связью.

Снижение К_U в области низких частот обусловлено возрастанием реактивного емкостного сопротивления разделительных конденсаторов С₁, С₂ (Х_С = 1/C) по мере уменьшения частоты сигнала и, следовательно ростом падения напряжения на них.

Снижение К_U на высоких частотах обусловлено ограниченными частотными свойствами транзистора из за наличия емкостей коллектор – база, коллектор – эмиттер и база - эмиттер, а также паразитных емкостей монтажа усилителя. Эти емкости на высоких частотах шунтируют сигнал, что приводит к уменьшению усиления каскада.

При прохождении сигнала через усилитель его форма подвергается изменению. Эти изменения формы обычно называют искажением сигнала.

При усилении гармонического сигнала достаточно малой амплитуды искажения формы усиливаемого сигнала не возникает. При усилении сложного входного сигнала, содержащего ряд гармоник, эти гармоники усиливаются усилителем неодинаково вследствие зависимости комплексного коэффициента усиления от частоты входного сигнала, что приводит к искажению формы усиленного сигнала, но при этом его спектральный состав не изменяется. Это означает, что если гармонический сигнал подать на вход усилителя, то на выходе усилителя сигнал также будет гармоническим и с той же частотой. Такие искажения сигнала называются линейными или частотными и характеризуются коэффициентом частотных искажений:

М = , где К_f – модуль коэффициента усилителя на заданной частоте. Коэффициенты частотных искажений М_Н = и М_В = называются соответственно коэффициентами искажений на нижней и верхней граничных частотах.

Нелинейные искажения связаны с изменением спектрального состава сигнала при его передаче через усилитель. Появление нелинейных искажений обусловлено нелинейностью передаточных характеристик усилительных элементов, которые и определяют амплитудную характеристику усилителя.

Амплитудная характеристика - это зависимость амплитуды выходного напряжения (тока) от амплитуды входного напряжения (тока) (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Амплитудная характеристика усилителя.

Точка 1 соответствует напряжению шумов, измеряемому при U_ВХ = 0, точка 2 – минимальному входному напряжению, при котором на выходе усилителя можно различать сигнал на фоне шумов. Участок 2 – 3 – это рабочий участок, на котором сохраняется пропорциональность между входным и выходным напряжениями усилителя. При U_ВХ > U_{ВХ. МАКС.} наблюдаются нелинейные искажения выходного сигнала. Степень нелинейных искажений оценивается коэффициентом нелинейных искажений (или коэффициентом гармоник):

К_Г = , (1.17)

где U_1m , U_2m, U_3m, U_nm – амплитуды 1 – й (основной), 2,3 и n – й гармоник выходного напряжения соответственно.

Величина D = характеризует динамический диапазон усилителя.

Переходная характеристика усилителя – это зависимость выходного сигнала (тока, напряжения) от времени при скачкообразном входном воздействии. Частотная, фазовая и переходная характеристики усилителя однозначно связаны друг с другом. Области верхних частот соответствует переходная характеристика в области малых времен, области нижних частот – переходная характеристика в области больших времен.

Схема с общим коллектором

В схеме с общим коллектором (ОК) нагрузка включена не в цепь коллектора, а цепь эмиттера. Входным в этой схеме является напряжение между базой и корпусом, а выходным – между эмиттером и корпусом (рис. 1.6). Для переменных составляющих токов и напряжений источники постоянного напряжения в входной и выходной цепях каскада являются короткозамкнутыми. Поэтому к коллектору оказываются подключенными и

источник входного напряжения и сопротивление нагрузки. Отсюда и название - схема с общим коллектором.

Рис. 1.6. Схема включения транзистора с общим коллектором.

В отличии от схем с ОБ и ОЭ в которых потенциал эмиттера был привязан к корпусу, в схеме с ОК потенциал эмиттера привязан к напряжению на нагрузке. Чтобы транзистор мог работать в активном режиме, необходимо, чтобы входное напряжение в этой схеме было выше напряжения на нагрузке на величину напряжения U_БЭ:

U_ВХ = U_ВЫХ + U_БЭ. (1.18)

В связи с этим величина входного напряжения в схеме с ОК может быть во много раз больше чем в схемах с ОБ и ОЭ.

Другой особенностью схемы с ОК является отсутствие усиления по напряжению. Как видно из схемы, U_ВЫХ меньше U_ВХ на величину напряжения U_БЭ, которое при открытом транзисторе составляет доли вольта.

Если входное напряжение увеличиться на некоторую величину U_ВХ, то произойдет увеличение управляющего напряжения U_БЭ, что приведет к увеличению тока, протекающего через транзистор. Но с ростом тока увеличивается и напряжение на нагрузке, а это приведет к уменьшению управляющего напряжения U_БЭ = U_ВХ – U_ВЫХ. Изменение входного напряжения будет скомпенсировано аналогичным изменением выходного напряжения. Получается, что выходное напряжение будет в точности отслеживать все изменения входного. Поэтому схема с ОК получила название «эмиттерный повторитель». Коэффициент передачи по напряжению схемы с ОК К_ОК 1. Однако такие усилители имеют достаточно высокий коэффициент усиления по току, и следовательно, по мощности.

Коэффициент усиления по току схемы с ОК равен:

К_IК = , (1.19)

где - коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ.

Учитывая, что I_б = найдем

R_ВХ = . (1.20)

Таким образом, входное сопротивление схемы с ОК значительно превосходит входное сопротивление схем ОЭ и ОБ и составляет десятки кОм.

Реальная схема эмиттерного повторителя имеет коэффициент передачи по напряжению меньше еденицы, так как часть входного напряжения падает на собственном сопротивлении эмиттера r_Э откуда следует, что

К_U = . (1.21)

Выходное сопротивление эмиттерного повторителя можно найти по формуле

R_ВЫХ = , (1.22)

где R_И – внутреннее сопротивление источника входного напряжения.

С учетом сопротивления R_Н эмиттерного повторителя,

(1.23)

Из приведенного рассмотрения следует, что выходное сопротивление эмиттерного повторителя значительно ниже его входного сопротивления. В связи с этим эмиттерный повторитель можно использовать для согласования высокоомного источника сигнала с низкоомной нагрузкой. Иными словами, эмитттерный повторитель обеспечивает усиление по мощности, что особенно важно при использовании маломощных источников сигнала с большим внутренним сопротивлением.

Благодаря отмеченным свойствам эмиттерный повторитель используют в качестве выходного каскада устройств для усиления сигнала по мощности, когда усиление его по напряжению уже достигнуто предыдущими каскадами.

Схема с ОК обеспечивает усиление по мощности

К_РК = К_UК К_IК . (1.24)