Лекция 4. Схемы включения и режимы работы транзисторов в усилительных каскадах.

Рассматриваемые вопросы:

1. Схемы включения и режимы работы транзисторов в усилительных каскадах. Схемы усилительного каскада с общим эмиттером (ОЭ).

Основная литература:

1. Ф.И.Вайсбурд, Г.А.Панаев, Б.Н.Савельев. Электроные приборы и усилители. Изд.3-е, стереотипное. – М.: КомКнига, 2005. – 472 с.

2. Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника и МПТ: Учебник для вузов - М.: Высш. шк., 2005. - 799 с.

Многие усилители состоят из нескольких ступеней, осущес-твляющих последовательное усиление сигнала и обычно называемых каскадами. Число каскадов в таких многокаскадных усилителях зависит oт требуемых значений коэффициентов усиления К_I, Ки, К_P. В зависимос-ти от выполняемых функций усилительные каскады подразделяют на каскады предварительного усиления и выходные каскады. Каскады предварительного усиления предназначены для повышения уровня сигна­ла по напряжению, а выходные каскады - для получения требуемых тока или мощности сигнала в нагрузке.

Схемы усилительных каскадов характеризуются большим разно­образием. Они могут отличаться числом и режимом работы используемых транзисторов при усилении переменного сигнала. Вместе с тем принцип построения главных цепей усилительных каскадов один и тот же. Принцип построения и работы различных каскадов удобно показать на примере структурной схемы рис. 3.4.1.а, действительной для усилительных каскадов на одном транзисторе.

Рис. 3.4.1. Принцип построения (а) и временные диаграммы. (6) усилительного каскада

Основными элементами каскада являются управляемый элемент УЭ, функцию которого выполняет биполярный или полёвой тран­зистор, и резистор R. Совместно с напряжением питания Е эти элементы образуют выходную цепь каскада. Усиливаемый сигнал U_BХ, принятый на рис. 3.4.1. а для простоты синусоидальным, подается на вход УЭ. Выходной сигнал U_BЫХ снимается с выхода УЭ или с резистора R. Он создается в результате изменения сопротив­ления УЭ и, следовательно, тока i в выходной цепи под воздействием входного напряжения. Процесс усиления основывается на преобразо­вании энергии источника постоянного напряжения Е в энергию переменного напряжения в выходной цепи за счет изменения сопротивле­ния УЭ по закону, задаваемому входным сигналом.

Для усилительных каскадов, питающихся постоянным напряже­нием, важно выявить сущность получения переменного выходного напряжения (или приращений напряжения обоих знаков на выходе) при переменном напряжении на входе.

Ввиду использования для питания источника постоянного напря­жений Е ток i в выходной цепи каскада является однонаправленным (рис. 3.4.1.,а). При этом переменный ток и напряжение выходной цепи (про-порциональные току и напряжению входного сигнала) следует рас-сматривать как переменные составляющие сум­марных тока и напряжения, накладывающиеся на их постоянные составляющие I_п и U_п (рис. 3.4.1.,б). Связь между постоянными и пере­менными составляющими должна быть такой, чтобы амплитудные значения переменных составляющих не пре-вышали постоянных сос­тавляющих, т.е. I_п ≥ I_m и U_п ≥ U_m. Если эти условия не будут выполняться, ток і в выходной цепи на отдельных интервалах будет равен нулю, что приведет к искажению формы выходного сигнала. Таким образом, для обеспечения работы усилитель-ного каскада при переменном входном сигнале в его выходной цепи должны быть созданы постоянные составляющие тока I_п и напряжения U_п.

Постоянные составляющие тока и напряжения определяют ток режима покоя по входной цепи (Iвх,n, Uвх,n) и по выходной цепи (I_п, U_п) характеризуют электрическое состояние схемы в отсутствие входного сигнала.

Таким образом, усилительные свойства каскадов усиления основываются на следующем.

При подаче на управляемый элемент напряжения входного сигнала в токе выходной цепи создается переменная составляющая, вследствие чего на управляемом элементе образуется аналогичная составляющая напряжения, превышающая переменную составляющую напряжения на входе. Усилительные свойства проявляются тем сильнее, чем больше сказывается влияние входного сигнала на выходной ток управляемого элемента и чем сильнее проявляется воздействие изменения тока в выходной цепи на изменение напряжения на управляемом элементе (т. е. чем выше сопротивление R).

Показатели усилительных каскадов зависят от способа транзистора, выполняющего роль управляемого элемента. В связи с этим анализ усилительных каскадов на биполярных транзисторах проводится ниже для трех способов включения: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). Каскады рассматриваются в предположении синусоидальной формы кривой усиливаемого сигнала в области частот, для которых реактивное сопротивление дополнительно вводимых в схемы конденсаторов можно считать равным нулю, а влиянием паразитных емкостей схемы и транзистора, а также зависимостью коэффициента α транзистора от частоты - пренебречь. Анализ проводится на примере каскадов на транзисторах типа р-п-р.

Усилительный каскад ОЭ. Существует множество вариантов выполнения схемы усилитель­ного каскада на транзисторе ОЭ. Это обусловлено главным образом особенностями задания режима покоя каскада. Особенности усилительных каскадов ОЭ рассмотрим на примере схемы рис. 3.4.2, получившей наибольшее применение при реализации каскада на диск­ретных компонентах.

Основными элементами схемы являются источник питания Е_к, управляемый элемент - транзис­тор Т и резистор R_K. Эти элементы обра-зуют главную цепь усилительного каскада, в которой за счет протекания уп­равляемого по цепи базы коллек­торного тока создается усиленное переменное напряжение на выходе схемы. Остальные элементы каскада выполняют вспомогательную роль. Конден­саторы С_р1, С_р2 являются разделительными. Конденсатор С_р1 исключает шунтирование входной цепи каскада цепью источ­ника входного сигнала по постоянному току, что позволяет, во-первых, исключить протекание постоянного тока через источник входного сигнала по цепи Е_к — R_t — R_Г и, во-вторых, обеспечить независимость от внутреннего сопротивления этого источника R_Г напряжения на базе U_6n в режиме покоя. Функция конденсатора Ср₂ сводится к пропусканию в цепь нагрузки переменной составля­ющей напряжения и задержанию постоянной составляющей.

рис. 3.4.2. Схема усилительного каскада с ОЭ.

Резисторы R₁, R₂ используются для задания режима покоя кас­када. Поскольку биполярный транзистор управляется током, ток покоя управляемого элемента (в данном случае ток I_кп) создается заданием соответствующей величины тока базы покоя I_бп. Резистор R₁ предназначен для создания цепи протекания тока I_бп. Совместно с R₂ резистор R₁ обеспечивает исходное напряжение на базе U_бп от­носительно зажима «+» источника питания.

Резистор R_Э является элементом отрицательной обратной связи, предназначенным для стабилизации режима покоя каскада при изме­нении температуры. Конденсатор С_э шунтирует резистор R_Э по пе­ременному току, исключая тем самым проявление отрицательной обратной связи в каскаде по переменным составляющим. Отсутствие конденсатора С_э привело бы к уменьшению коэффициентов усиления схемы.

Название схемы «с общим эмиттером» означает, что вывод эмит­тера транзистора по переменному току является общим для входной и выходной цепей каскада.

Температурная зависимость параметров режима покоя обуслов­ливается зависимостью коллекторного тока покоя I_кп от температуры. Основными причинами такой зависимости являются изменения от температуры начального тока коллектора I_кО(э), напряжения U_бЭ и коэффициента β. Температурная нестабильность указанных пара­метров приводит к прямой зависимости тока I_кп от температуры. При отсутствии мер по стабилизации тока I_кп его температурные измене­ния вызывают изменение режима покоя каскада, что может привести, как будет показано далее, к режиму работы каскада в нелинейной области характеристик транзистора и искажению формы кривой вы­ходного сигнала. Вероятность появления искажений повышается с увеличением амплитуды выходного сигнала.

Проявление отрицательной обратной связи и ее стабилизирую­щего действия на ток I_кп нетрудно показать непосредственно па схе­ме рис. 3.4.2. Предположим, что под влиянием температуры ток I_кп увеличился. Это отражается на увеличении тока I_эп, повышении напряжения U_эп = l_эnR_э и соответственно снижении напряжения U_бЭп = U_бп - U_Эп. Ток базы I_бп уменьшается, вызывая уменьшение тока I_кп, чем создается препятствие наметившемуся увеличению тока I_кп. Иными словами, стабилизирующее действие отрицательной обратной связи, создаваемой резистором R_Э, проявляется в том, что температурные изменения параметров режима покоя передаются цепью обратной связи в противофазе на вход каскада, препятствуя тем самым изменению тока I_кп, а следовательно, и напряжения U_кЭп.

Принцип действия каскада ОЭ заключается в следующем. При наличии постоянных составляющих токов и напряжений в схеме по­дача на вход каскада переменного напряжения приводит к появле­нию переменной составляющей тока базы транзистора, а следовательно, переменной составляющей тока в выходной цепи каскада (в коллекторном токе транзистора). За счет падения напряжения на резисторе R_К создается переменная составляющая напряжения на коллекторе, которая через конденсатор С_р2 передается на выход каскада - в цепь нагрузки.