Skhemotekhnika_PE

21

UКЭ.1 = 5 В – в большинстве случаев). Если UКЭ.П < UКЭ.1, входная ВАХ мо- жет быть построена по методу интерполяции между двумя справочными. Если UКЭ.П > UКЭ.1, все входные ВАХ можно считать совпадающими с ВАХ

для UКЭ = UКЭ.1.

Рассмотрим работу каскада при подаче на вход синусоидального сиг- нала UВХ = UВХ.M · sin(ωt) в режиме холостого хода (RН = ∞). Пусть мгновен- ное значение еГ > 0, ∆еГ > 0, тогда ∆UВХ > 0. Это напряжение вызывает про- текание IБ.MIN при UВХ = UВХ.M. Рабочая точка перемещается по входной ВАХ до точки В/ с координатами (UБЭ.MIN, IБ.MIN). Уравнение выходной цепи

Рабочая точка выходной цепи перемещается по линии нагрузки по постоянному току до точки её пересечения с выходной ВАХ, соответст-

вующей IБ = IБ.MIN (точка В с координатами UКЭ.MAX.XX, IК.MIN).

При еГ > 0 и ∆еГ < 0 рабочая точка перемещается по входной ВАХ от точки В/ до точки П/. Во входной цепи протекает ток ∆IБ*, ток IБ увеличива-

ется относительно IБ.П до IБ.MAX при UВХ = UВХ.M. Рабочая точка перемещает- ся по входной ВАХ до точки А/ с координатами (UБЭ.MAX, IБ.MAX).

Рабочая точка выходной цепи перемещается до точки А с координа-

тами UКЭ.MIN.XX, IК.MAX (точка пересечения линии нагрузки по переменному току и ВАХ, соответствующей IБ = IБ.MAX).

При еГ > 0 и ∆еГ > 0 рабочая точка перемещается по входной ВАХ от точки А/ до точки П/.

Таким образом, при подаче на вход положительной полуволны еГ в выходной цепи формируется отрицательная полуволна UВЫХ.ХХ и наоборот, т.е. каскад с ОЭ является инвертирующим – изменяющим фазу сигнала на 1800. Его ФЧХ имеет вид (рис. 2.4). В рабочем диапазоне частот fН – fВ фа- зовых искажений сложного сигнала не возникает, т.к. все его составляющие сдвигаются на одинаковый угол.

При подключении нагрузки переменная составляющая тока коллекто- ра распределяется между двумя цепями (рис. 2.5)

∆IК = ∆IИП +∆IН,

где ∆IИП – ток, замыкающийся по цепи источника питания; ∆IН – ток нагрузки.

Для выходной цепи транзистора сопротивления RК и RН являются на- грузочными, причем эквивалентное сопротивление нагрузки коллекторной цепи по переменному току определяется как RН.≈ = RК ║ RН.

23

При R ≠ ∞ рабочая точка выходной цепи будет перемещаться по ли-

нии, называемой линией нагрузки по переменному току. Она проходит через точку П (при UВХ = 0) и строится по приращениям ∆UКЭ и ∆IК по формуле (2.3). Эта линия проходит круче линии нагрузки по постоянному току, т.к.

сопротивление нагрузки коллекторной цепи транзистора по переменному току меньше, чем по постоянному (RК ║ RН против RК).

По точкам пересечения линии нагрузки по переменному току с ВАХ

для IБ = IБ.MIN и IБ = IБ.MAX (точка А* и точка В*) можно построить кривые и IК. По рис. 2.2 видно, что подключение RН уменьшает UВЫХ.M по

сравнению с UВЫХ.M.ХХ, а ток IК.M мало уменьшается по сравнению с IК.M.ХХ.

2.2Расчет режима покоя простейшего каскада

собщим эмиттером

Исходными данными для расчета каскада являются UВЫХ.M и RН. Цель расчета режима покоя (расчет по постоянному току) – расчет элементов каскада, позволяющего развить на заданном RН неискаженный сигнал ам- плитудой UВЫХ.M. Расчет производится в следующей последовательности.

1) Задается величина RК. С точки зрения максимального усиления RК должно быть много больше RН (весь ток IК поступает в цепь нагрузки), од- нако при этом возрастает требуемое ЕК (формула (2.1)).

В общем случае RК задают из условия RК = (3 ÷ 5) RН. Могут быть ча- стные случаи, например, при обеспечении согласованного режима RК = RН.

2) Определяется амплитуда переменной составляющей тока коллектора

IК.m = UВЫХ.M / (RК ║ RН).

3) Задаются координаты точки покоя (рис. 2.6)

UКЭ.П ≥ UВЫХ.M + ∆UКЭ,

24

где ∆UКЭ = (1 ÷ 2) В – остаточное напряжение между коллектором и эмитте- ром транзистора в режиме насыщения.

IК.П ≥ IК.M + IК.0,

где IК.0 – обратный (тепловой) ток коллектора.

грузку, постоянной – расходуется на нагрев транзистора

РК.ДОП > IК.П · UКЭ.П.

Кроме перечисленных условий необходимо учесть частотные свойства транзистора

fПР > (3 ÷ 5) fВ.

6)Определяется IБ.П = IК.П / h21.Э.

7)По входной ВАХ определяется UБЭ.П. Точка покоя П/ должна рас-

полагаться на линейном участке входной ВАХ, в противном случае необхо- димо увеличить IК.П и повторить расчет.

8) Рассчитывается RБ = (ЕК – UБЭ.П) / IБ.П.

Цель расчета по постоянному току является определение всех элемен- тов схемы, чтобы на заданном сопротивлении нагрузки развивался нужный неискаженный сигнал.

Стабилизация режима покоя каскада с общим эмиттером.

При работе каскада происходит нагрев транзистора, положение точки покоя может изменяться, в результате возникают искажения усиливаемого сигнала.

Влияние температуры на работу биполярного транзистора приводит к следующим эффектам:

25

1)Увеличивается тепловой ток коллектора IК.0, однако при выборе IК.П

сзапасом по току из условия IК.П = (1,1 ¸ 1,2) IК.M этот эффект не приводит к появлению искажений.

2)Уменьшается коэффициент h21.Э транзистора, в результате при том же токе IБ.П положение точки П изменяется.

3)Происходит смещение входной ВАХ (рис. 2.7), в результате увели-

чивается IБ.П, а т.к. этим током задается ток IК.П, изменяется положение точ- ки П. Данный фактор оказывает наибольшее влияние на положение точки покоя.

Для стабилизации положения рабочей точки необходимо уменьшить

UБЭ.2 до величины UБЭ.3, при этом ток IБ.П2 вернется к значению IБ.П1. Такой

режим обеспечивается в каскаде с ОЭ с эмиттерной стабилизацией режима покоя (рис. 2.8).

26

щим элементом является резистор RЭ, поэтому схема получила название «каскад с эмиттерной стабилизацией режима покоя».

При подаче входного сигнала часть его будет падать на RЭ, что уменьшает коэффициент усиления. Резистор RЭ является элементом отрица- тельной обратной связи, предназначенным для стабилизации режима покоя каскада при изменении температуры.

Стабилизирующее действие отрицательной обратной связи, создавае- мое резистором RЭ, проявляется в том, что температурные изменения пара-

метров режима покоя передаются цепью обратной связи в противофазе на вход каскада, препятствуя тем самым изменению тока IК.П, а следовательно, и напряжения UКЭ.П. Конденсатор СЭ шунтирует резистор RЭ по переменно- му току и соединяет эмиттер транзистора с общей точкой схемы по пере- менному току, исключая тем самым, проявление отрицательной обратной связи по переменному току.

Уравнение выходной цепи в режиме покоя

ЕК = IК.П · RК + UКЭ.П + (IК.П + IБ.П) · RЭ,

откуда видно, что для задания тех же координат точки покоя, что и в про- стейшей схеме, необходимо увеличить ЕК каскада на величину (IК.П + IБ.П) · RЭ, что является недостатком схемы. Несмотря на это, схема по- лучила широкое распространение из-за высокой температурной стабильности.

Расчет режима покоя каскада с эмиттерной стабилизацией

Методика расчета аналогична расчету режима покоя простейшего каскада с ОЭ.

1) По заданным UВЫХ.M и RН выбирают RК, определяют IК.M, задают

UКЭ.П и IК.П.

2) Выбирается величина ЕК из следующих соображений. При увели- чении RЭ растет температурная стабильность схемы, однако увеличивается требуемое ЕК. Обычно задают UЭ.П = (0,1 ¸ 0,3) ЕК, тогда ЕК определяется

E = IK.П × RK +UKЭ.П .

K 0,9 ¸ 0,7 3) Выбирается транзистор из условий

UКЭ.ДОП > ЕК; IК.ДОП > IК.max = IК.П + IК.m; РК.ДОП > IК.П · UКЭ.П; fПР > (3 ¸ 5) fВ.

4)Определяется IБ.П = IК.П / h21.Э, по входной ВАХ определяется UБЭ.П.

5)Задают величину тока IД. С точки зрения увеличения температур-

ной стабильности каскада необходимо обеспечить IД >> IБ.П, однако при этом величины R1 и R2 получаются малыми, а т.к. делитель включен во входную цепь каскада, уменьшается RВХ и γВХ, поэтому IД задают из условия

IД = (2 ¸ 5) IБ.П.

6) Определяются величины сопротивлений R1, R2 и RЭ по выражениям

27

Расчет каскада с общим эмиттером по переменному току

Расчет каскада по переменному току является следующим этапом расчета схемы и состоит в определении параметров каскада по переменному току RВХ, RВЫХ, КU, КI, Ке. Конечной целью расчета является определение UВХ.M, которое необходимо подать на вход каскада для того, чтобы развить в его выходной цепи напряжение UВЫХ.M = UН.M.

Расчет производится путем построения схемы замещения каскада по переменному току. Она строится с учетом следующих правил:

1) Транзистор заменяют его схемой замещения. Наиболее удобна ли- нейная схема замещения транзистора в H – параметрах. Эта схема строится на основе замены транзистора линейным четырехполюсником, описывае- мым системой уравнений:

ìDUБЭ = h11.Э ×DIБ + h12.Э × DUКЭ . íîDIК = h21.Э ×DIБ + h22.Э × DUКЭ

Влиянием внутренней обратной связи, описываемой параметром h12.Э обычно пренебрегают из-за ее слабого влияния на работу транзистора, ос- тальные H – параметры берутся из справочных данных транзистора или оп- ределяются на его ВАХ через соответствующие приращения величин:

Представление транзистора линейным четырехполюсником в H – па- раметрах не описывает нелинейных участков ВАХ, но т.к. в усилителе они не используются, более того, режим покоя рассчитывается так, чтобы сиг- налы укладывались на линейных участках ВАХ, замена транзистора линей- ным четырехполюсником вполне возможна и обоснована (рис. 2.9). Схема справедлива для транзистора любого типа проводимости. Направление тока IБ задано произвольно, направление токов IК и IЭ определяется током IБ.

2)Конденсаторы в схеме, в данном случае СР1, СР2, СЭ закорачивают- ся, т.к. расчет их производится из условия ХС → 0 в рабочем диапазоне частот.

3)Источники постоянного напряжения, в данном случае ЕК, закора- чиваются, т.к. внутреннее сопротивление источника питания по переменно-

28

му току ZИП → 0. На выходе сетевых блоков питания применяют емкостной фильтр для сглаживания пульсации выпрямленного напряжения. При этом СФ велика, и ZИП → 0. схема замещения каскада с ОЭ представлена на рис. 2.10.

В схеме через RД обозначено эквивалентное сопротивление парал- лельно включенных R1 и R2: RД = R1 ║ R2. Следует отметить, что понятие общий электрод определяет, какой из электродов транзистора по перемен- ному току подключен к общей точке схемы. По схеме замещения опреде-

ляются параметры каскада по переменному току

29

UБЭ от UБЭ.П до UБЭ.MIN = UБЭ.П – UВХ.M

рабочая точка выходит за границу ли- нейного участка входной ВАХ. В этом случае необходимо увеличить IК.П и повторить расчет. Если задано еГ и RГ, можно определить

По нему определяют требуемую для управления каскадом еГ.УПР. Если еГ.УПР ≤ еГ, источник сигнала сможет управлять рассчитанным каскадом. В противном случае необходим еще один каскад усиления. Исходными дан- ными для его расчета являются UВХ.M и RВХ рассчитанного каскада.

2.3 Каскад с общим коллектором. Работа схемы

Структурная схема каскада приведена на рис. 2.12, а. Выходной це- пью каскада по переменному току является цепь эмиттера транзистора, вы- ходным током – ток эмиттера. Поскольку ток IЭ = IК + IБ ≈ IК , для анализа

работы каскада можно использовать ВАХ транзистора для схемы с ОЭ. Не- посредственно по схеме видно, что

UВЫХ = UВХ −UBX .УЭ , UВЫХ = UВХ −UВХ .УЭ < UВХ .

Схема каскада с ОК приведена на рис. 2.12, б.

IК

IБ