4 семестр (2 курс)лала / ЭП (Электронные приборы) / Техническая электроника 2000 (Ткаченко Ф.А

271

ВАХ (транзистор из активного режима может переходить в режим насыщения), а при перемещении вниз – в область начальных токов (область отсечки) Iкэо.

Графический расчет кроме того позволяет определить следующие параметры:

входное сопротивление

коэффициент усиления по напряжению

K = Um вых ;

U Umвв

коэффициент усиления по току

KI = Iк m ; Iб m

коэффициент усиления по мощности

KP = KUKI .

10.9. Усилительный каскад с общим эмиттером

Усилительные каскады на биполярных транзисторах с резисторными нагрузками в цепи коллектора нашли широкое применение в предварительных каскадах усиления. Они обеспечивают усиление по напряжению, току, мощно-

ОЭ представлена на рис. 10.22. Входной сигнал поступает на базу транзистора от генератора напряжения с внутренним сопротивлением Rг. Разделительный конденсатор Ср1 служит для

предотвращения протекания постоянной составляющей тока базы через источник входного сигнала. При отсутствии Ср1 в

цепи источника входного сигнала создавался бы постоянный ток от источника питания Uип, который мог бы

вызвать падение напряжения на внутреннем сопротивлении Rг источника сигнала, изменяющее режим работы транзистора и приводящее к нагреву источника сигнала. Конденсатор Ср2 на выходе усилительного каскада обеспечивает

выделение переменной составляющей коллекторного напряжения, которая поступает на нагрузочное устройство с сопротивлением Rн. Элементы R1, R2, Rэ,

272

Cэ обеспечивают режим каскада по постоянному току и температурную стабилизацию.

Параметры усилителя (коэффициенты усиления по току KI, напряжению KU и мощности Kρ; входное Rвх и выходное Rвых сопротивления) находятся с использованием аналитического метода, при котором на основе малосигнальной эквивалентной схемы транзистора строится эквивалентное представление каскада по переменному току и проводится его расчет по переменному току

(рис. 10.23).

Расчет параметров каскада производится для области средних частот усиления, где зависимость параметров от частоты минимальна и не учитывается в расчетах. Сопротивления конденсаторов Cр1 , Cр2 , Cэ

очень малы и ими можно пренебречь. Резистор Rэ зашунтирован конденсатором Cэ и на эквивалентной схеме

не учитывается. По переменному току сопротивление источника питания близко к нулю, поэтому верхний вывод резисторов R1, Rк на схеме замещения соединяется с выводом эмиттера.

Цепь базы транзистора представлена на эквивалентной схеме объемным сопротивлением активной области базы rб, составляющим единицы–сотни Ом. Эмиттерный переход представлен дифференциальным сопротивлением rэ, лежащим в пределах единиц–десятков Ом. Закрытый коллекторный переход представлен дифференциальным сопротивлением rк, составляющим сотни кОм.

Входное сопротивление каскада представляет собой сопротивление параллельного соединения резисторов R1, R2 и сопротивления входной цепи транзистора rвх

Учитывая, что через сопротивление rб протекает ток Iб, а через сопротивление rэ – ток (1+ h21э)Iб = Iэ получим

rвх = Iб[rб +(1+ h21э)rэ]= rб +(1+ h21э)rэ. Iб

Тогда входное сопротивление усилительного каскада определяется выражением

273

Значение Rвх для каскада с ОЭ составляет сотни Ом или единицы кОм. Если резистор Rэ в схеме (рис. 10.22) не зашунтирован по переменному

току конденсатором Сэ, то последовательно с rэ в эквивалентной схеме усилителя необходимо включать сопротивление Rэ. Входное сопротивление в этом случае определяется выражением

Сравнение выражений (10.40) и (10.41) показывает, что введение отрицательной обратной связи по переменному току значительно увеличивает входное сопротивление усилительного каскада, а включение низкоомного делителя R1, R2, улучшающего температурную стабильность усилителя, значительно снижает его входное сопротивление.

Выходное сопротивление усилительного каскада определяется со стороны выходных зажимов при отключенной нагрузке и нулевом входном сигнале Eг = 0 . Из эквивалентной схемы (рис. 10.23) видно, что выходное сопротив-

ление каскада определяется параллельным включением сопротивления Rк и выходным сопротивлением самого транзистора, близким по величине к rк. Обычно rк >> Rк , и считается, что выходное сопротивление определяется ве-

личиной резистора Rк ( Rвых ≈ Rк ) и составляет единицы кОм.

Коэффициент усиления по напряжению каскада определяется как отношение выходного напряжения Uвых на нагрузке к ЭДС источника сигнала Eг. Значение Uвых определяется выражением Uвых = −h21эIб(Rк || R’ ), где знак минус указывает на то, что выходное напряжение находится в противофазе со входным напряжением. Ток базы определяется выражением

Iб = RвхE+г Rг ,

тогда

Анализ выражения (10.42) показывает, что коэффициент усиления каскада по напряжению тем больше, чем больше выходное сопротивление каскада по сравнению с Rвх и чем больше статический коэффициент h21э.

В идеальном усилителе напряжения ( Rг = 0), который работает в режиме холостого хода ( Rн = ∞), коэффициент усиления будет максимальным и равным:

Коэффициент усиления по току определяется отношением тока в нагрузке Iн ко входному току Iвх KI = IнIвх . Ток в базе и ток в нагрузке определяются

следующими выражениями

усиления на низких частотах к коэффициенту усиления на средних частотах равно

Для уменьшения частотных искажений при прочих равных условиях необходимо увеличивать Ср1 .

275

Коэффициент частотных искажений, вносимый разделительным конденсатором Ср2 определяется следующим выражением:

сигнала влияние Сэ несущественно. По мере заряда Сэ уменьшается эмиттерный ток, а следовательно и ток базы. Когда емкость Сэ зарядится полностью, то через нее не будет протекать ток. Сопротивление в эмиттерной цепи будет равно Rэ+rэ вместо начального значения rэ. Это приведет к уменьшению тока базы и к изменению коэффициента усиления по напряжению. В этом состоит принципиальная особенность влияния емкости Сэ на частотные искажения. Постоянная времени равна произведению Сэ на параллельное сопротивление Rэ и выходного сопротивления каскада со стороны эмиттера транзистора, т.е. выходного сопротивления каскада с ОК, величина которого не превышает десятков Ом

τнСэ = Сэ(Rэ || RвыхОК ).

Коэффициент частотных искажений, вносимый Сэ максимальный и определяется выражением

Коэффициент частотных искажений в диапазоне низких частот, вносимый емкостями усилительного каскада, равен

Mн = MнСр1 + MнСр2 + MнС3 [дБ].

Для уменьшения Мнч в усилительном каскаде в схеме с ОЭ требуется увеличивать Ср1 , Ср2 и Cэ

в большей степени.

При работе каскада с ОЭ в диапазоне высоких частот на частотные искажения сильное влияние оказывает емкость коллекторного пере-

хода Ск и емкость нагрузки, эквивалентная схема каскада в диапазоне высоких частот представлена на рис. 10.25.

276

Постоянная времени каскада с ОЭ в области высоких частот определяется выражением τв = СкRвых +СнRвых + τh21э , тогда коэффициент частотных

искажений в области высоких частот

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 через разделительный конденсатор Ср1 . Выходное напряжение снимается между коллектором и ба-

зой через разделительный конденсатор Ср2 . Резистор Rэ служит для прохож-

дения постоянной составляющей тока эмиттера, и для того, чтобы Rэ не шунтировало входное сопротивление каскада, оно на два–три порядка выше входного сопротивления каскада.

При подаче на вход рассматриваемого каскада положительной полуволны входного сигнала ток эмиттера и ток коллектора будут уменьшаться. Это приводит к уменьшению падения напряжения на Rк и увеличению напряжения

277

Uкб, что приводит к формированию положительной полуволны выходного напряжения Uвых. Полярности входного и выходного напряжений совпадают, схема не инвертирует входной сигнал.

Анализ работы усилительного каскада с общей базой по входным и выходным характеристикам проводится аналогично анализу работы каскада с ОЭ. Выходные характеристики транзистора в схеме с ОБ более линейны, чем в схеме с ОЭ, поэтому нелинейные искажения в каскаде с ОБ меньше, чем в каскаде с ОЭ.

Расчет параметров усилительного каскада с ОБ по переменному сигналу в области средних частот проводится по эквивалентной схеме, представленной на рис. 10.26,б. На эквивалентной схеме не показаны разделительные конденсаторы Ср1 , Ср2 и конденсатор Сб, с помощью которого заземляется база тран-

зистора по переменному току, так как их номиналы выбраны такими, что емкостные сопротивления даже в области низких частот невелики, и при анализе их можно не учитывать.

Входное сопротивление каскада определяется как параллельное соеди-

Согласно выражению (10.51) входное сопротивление каскада определяется преимущественно сопротивлением эмиттерной области транзистора rэ и составляет десятки Ом (10…50 Ом). Малая величина входного сопротивления каскада является существенным недостатком. Каскад с ОБ создает большую нагрузку для источника входного сигнала.

Выходное сопротивление каскада с ОБ определяется как и у каскада с ОЭ сопротивлением резистора Rк. При небольшом его значении Rк << rк...

Коэффициент усиления по току рассчитывается аналогично, как в каскаде с ОЭ. По переменной составляющей, ток коллектора связан с током эмиттера следующей зависимость Iк = h21бIэ. Входной сигнал поступает в цепь

эмиттера транзистора, поэтому усиление по току меньше единицы и определяется выражением

Это является другим существенным недостатком каскада с ОБ.

Коэффициент усиления по напряжению определяется с помощью эк-

вивалентной схемы каскада по переменному сигналу как отношение амплитуды выходного сигнала к амплитуде входного сигнала и имеет вид

278

Коэффициент усиления по напряжению каскада с ОБ существенно зависит от сопротивления нагрузки и внутреннего сопротивления источника сигнала. При Rг → 0 и достаточно большом Rн коэффициент усиления по напряже-

нию каскада ОБ приближается к величине KU каскада ОЭ. Если же использовать последовательное соединение нескольких каскадов с ОБ, то нагрузкой предыдущего каскада является очень малое входное сопротивление последующего каскада, в связи с этим получить большой коэффициент по напряжению не удается.

Коэффициент частотных искажений для области НЧ в каскаде ОБ оп-

ределяется влиянием разделительных конденсаторов Ср1 , Ср2 и рассчитывается по тем же формулам, что и для схемы с ОЭ. Общий коэффициент равен

ной цепью ибо RвхОБ << Rвых, где Rвых – выходное сопротивление предыдуще-

го каскада.

Коэффициент частотных искажений в области ВЧ определяется как и в схеме ОЭ, и он значительно меньше, чем в каскаде с ОЭ. Каскад с ОБ характеризуется: малым входным сопротивлением (десятки Ом); относительно высоким выходным сопротивлением (единицы–десятки кОм); коэффициентом усиления по току, меньшим единицы; коэффициентом усиления по напряжению, зависящим от сопротивления нагрузки; малыми нелинейными искажениями.

10.11. Усилительный каскад с общим коллектором (эмиттерный повторитель)

Схема усилительного каскада с ОК приведена на рис. 10.27,а. Резистор, с которого снимается выходное напряжение, включен в эмиттерную цепь. Коллектор через очень малое внутреннее сопротивление источника питания по переменному сигналу (емкость источника питания велика) соединен с землей, значит вывод коллектора является общим для входной и выходной цепей уси-

Если выходное напряжение Uвых значительно больше напряжения Uбэ, то выходное напряжение приблизительно равно входному. В связи с этим каскад с ОК называют эмиттерным повторителем. Этот каскад относится к усилителям с глубокой отрицательной ОС по напряжению.

В режиме покоя, т.е. при Uвх = 0 резисторы R1, R2 и Rэ задают началь-

ный ток смещения. Его значения выбирают таким, чтобы рабочая точка в режиме покоя находилась примерно посередине линейного участка входной ха-

279

рактеристики. Разделительные конденсаторы Ср1 и Ср2 выполняют те же

функции, что и в каскаде с ОЭ.

В каскаде с ОК напряжение входного переменного сигнала подается между базой и коллектором (общей точкой) через разделительный конденсатор Ср1 .

Выходное напряжение, равное падению напряжения на резисторе Rэ от переменной составляющей эмиттерного тока, снимается между эмиттером и коллектором через конденсатор связи Ср2 . Расчет

каскада по постоянному току проводят по аналогии с каскадом с ОЭ. Анализ каскада по переменному сигналу проводят с помощью эквивалентной схемы, представленной на рис. 10.27,б.

резисторов R1, R2 и сопротивлением входной цепи транзистора rвх

Анализ выражений (10.56) и (10.57) показывает, что сопротивление входной цепи транзистора rвх и входное сопротивление каскада с ОК больше чем в схеме с ОЭ. В практических схемах rвх достигает 200…300 кОм. Причем входное зависит от сопротивления нагрузки. Для увеличения входного сопротивления часто не включают резистор R2. Высокое входное сопротивление является одним из главных преимуществ каскада с ОК. Это требуется в случае применения каскада в качестве согласующего устройства при работе от источника входного сигнала с большим внутренним сопротивлением.

Выходное сопротивление каскада с ОК представляет собой сопротивление схемы со стороны эмиттера и определяется

Выходное сопротивление каскада с ОК мало порядка десятков Ом (10…50 Ом) и сильно зависит от внутреннего сопротивления источника сигна-

280

ла. Малое выходное сопротивление очень важно при использовании каскада в качестве согласующего устройства для работы на низкоомную нагрузку.

Коэффициент усиления по току в каскаде с ОК определяется следующим образом

где Iн = (1+ h21э)Iб Rэ || Rн ; Rн

Iб = Iвх Rвх . rвх

Следовательно KI равен

Анализ выражения показывает, что каскад с ОК имеет коэффициент усиления по току больше, чем каскады с ОЭ и ОБ.

Коэффициент усиления по напряжению каскада с ОК относительно входного генератора равен KU = UвыхUвх

Коэффициент усиления по напряжению каскада с ОК меньше единицы, поэтому его часто называют коэффициентом передачи напряжения.

Эмиттерный повторитель обычно применяют для согласования высокоомного источника усиливаемого сигнала с низкоомным нагрузочным устройством. Температурная стабилизация в каскаде ОК обеспечивается резистором Rэ.

Каскад с ОК характеризуется: высоким входным сопротивлением (порядка сотен килоом), зависящим от сопротивления нагрузки; низким выходным сопротивлением (порядка единиц Ом), зависящим от внутреннего сопротивления источника сигнала; высоким коэффициентом усиления по току; коэффициентом усиления по напряжению, меньшим единицы; совпадением по фазе входного и выходного напряжений.

10.12. Усилительные каскады на полевых транзисторах

Усилительные каскады на полевых транзисторах управляются напряжением, которое прикладывается к запертому p–n переходу (транзисторы с управляющим p–n переходом) или к затвору (МДП-транзисторы). За счет того, что ток затвора полевых транзисторов очень мал (10-8 А для транзисторов с управляющим p–n переходом, а для МДП-транзисторов еще на несколько порядков меньше), то их входное сопротивление на низких частотах лежит в диапазоне 109…1013 Ом.