Один из основных параметров выходного каскада усилителя — коэффициент полезного действия:

где Рн — мощность, выделяемая на нагрузке усилителя; P0 — мощность, потребляемая усилителем от источника питания.

Величина η всего усилителя определяется, главным образом, η выходного каскада.

Параметры и характеристики усилителей зависят от числа каскадов, от активного элемента (транзистора) и способа его включения в усилительном каскаде.

2.2. Усилители на биполярных транзисторах

Среди многочисленных вариантов усилительных каскадов самое широкое применение находит каскад на биполярном транзисторе, включенном по схеме ОЭ. Принципиальная схема упрощенного варианта такого каскада приведена на рис. 2.6. В качестве разделительных элементов здесь использованы конденсаторы С1 и С2 , т.е. источник входного сигнала Еr и сопротивление нагрузки Rн подключены соответственно ко входу и выходу каскада посредством емкостной связи. Основа усилительного каскада ОЭ —

покоя U кэ0 = I к0 Rк = Eк / 2 . В режиме покоя для кремниевых тран-

58

зисторов напряжение Uбэ0 = 0,6...0,7 В. При подаче на вход рассматриваемого каскада положительной полуволны переменного входного сигнала будет возрастать ток базы, следовательно, и ток коллектора. В результате напряжение на Rк увеличится, а напряжение на коллекторе транзистора уменьшится, т.е. сформируется отрицательная полуволна выходного напряжения. Таким образом, каскад ОЭ инвертирует входной сигнал, осуществляет сдвиг фазы между Uвых и Uвх на 180°.

Рассмотрим работу усилительного каскада ОЭ по входным и выходным характеристикам. На входной ВАХ биполярного транзистора (рис. 2.7, а) выбираем на линейном участке (для получения минимального Кг) рабочую точку (ток Iб0 и напряжение Uбэ0 покоя). Затем прикладываемпеременныйвходнойсигналUвх. ВрезультатетокбазыстанетизменятьсяотIб1 доIб2 . Такойрежимработыусилительногокаскада принято называть режимом (или классом) А. Это самый распространенный режим для усилителей напряжения. Другие режимы работы каскадовчащеиспользуютсявусилителяхмощности (см. п. 2.5).

На выходных ВАХ транзистора (рис. 2.7, б) проводим линию нагрузки по постоянному току Rк — зависимость тока в цепи коллектора от напряжения Uкэ при заданном напряжении источника питания Eк. Эта зависимость может быть построена по формуле Iк = (Eк −Uкэ) / Rк . На практике часто линию нагрузки проводят через две точки с координатами:

Iк = 0, Uкэ = Ек и Iк = Ек / Rк , Uкэ = 0.

Рис. 2.7. Входная вольт-амперная характеристика транзистора (а), выходные вольт-амперные характеристики транзистора (б)

59

Очевидно, что наклон линии нагрузки определяется номиналом резистора Rк . Пересечение линии нагрузки с характеристикой, соответствующейIб0 , определяетточкупокоянавыходныхВАХ, т.е. Iк0 иUкэ0 .

Теперь можно представить изменение тока коллектора при изменении тока базы от Iб1 до Iб2 . Изменяющийся ток коллектора создает переменное напряжение на резисторе Rк и соответственно на выходе усилительного каскада Uвыx. Uвых и Uвх при этом будут находиться в противофазе, т.е. рассматриваемый каскад инвертирует сигнал.

Для более точного определения Uвых необходимо учесть, что по переменному току параллельно Rк подключается Rн(Rкн = Rк Rн) . Поскольку Rк > Rкн, то линия нагрузки по переменному току (рис. 2.7, б) будет проходить круче. Линию нагрузки по переменному току Rкн строят по отношению приращений напряжения к току.

Для расчета параметров усилительного каскада по переменному току удобно использовать его малосигнальную эквивалентную схему (рис. 2.8), представляющую собой модель каскада ОЭ для области средних частот, когда сопротивления разделительных емкостей малы, сопротивление емкости коллекторного перехода Cк* велико и не наблюдается снижения коэффициента β.

В основе схемы рис. 2.8 использована эквивалентная схема транзистора, дополненная пассивными элементами усилительного каскада Rк и Rб , а также генератором входного сигнала и Rн . Отметим, что генератор тока шунтируется двумя цепями: rк* и rэ + Rкн , причем последняя является рабочей цепью нагрузки. Учесть влияние rк* на выходной ток коллектора можно, воспользовавшись эквивалентным параметром βе = βrк* /(rк* + Rкн ) , откуда I к = βе Iб . Здесь и далее под значениями Iк, Iб будем подразумевать амплитудные значения токов.

Рис. 2.8. Эквивалентная схема усилителя с общим эмиттером

60

Спомощьюэквивалентнойсхемыдлябольшинствапрактическихслу-

чаевможноопределитьRвх(безучеташунтирующеговлияния rк* иRб):

Величина Rвх для каскада ОЭ обычно составляет сотни Ом или единицы кОм.

Наибольший интерес для каскада ОЭ представляет коэффициент

Эта формула — одна из самых распространенных в полупроводниковойэлектронике. Знак«–» указываетнаинвертированиесигнала. Из (2.4) следует, что для повышения Кuг желательно выбирать транзистор сбольшим β, атакжевизвестныхпределахувеличиватьRк.

При Rвх . Rг, формула (2.4) преобразуется к следующему виду:

Коэффициент усиления каскада по току относительно нагрузки КIн зависит от соотношения сопротивлений Rк и Rн :

где Rн → 0 и K Iн →â .

Коэффициент усиления по мощности Кр можно представить как произведение Кн·Кi . Из всех усилительных каскадов на биполярных транзисторах каскад ОЭ обладает лучшими усилительными свойствами. Онхорошоусиливаетнапряжение, токимощность( Kp ≥103).

Выходное сопротивление усилительного каскада определяется со стороны контактов, сопротивления нагрузки при Eг = 0 и отключенной нагрузке. Из эквивалентной схемы (рис. 2.8) видно, что Rвых определяется двумя цепями: резисторомRк , и выходным сопротивлением

самого транзистора, близким к rк* . Поскольку обычно Rк n rк* , то можно считать, что Rвых ≈ Rк и составляет единицы кОм.

61

Рассматриваемый до сих пор вариант усилительного каскада ОЭ (см. рис. 2.6) удобен для проведенного анализа. Однако на практике он используется довольно редко из-за низкой стабильности режима покоя и коэффициентов усиления. Лучшей стабильностью обладает каскад ОЭ, принципиальная схема которого приведена на рис. 2.9. Все изложенное выше относительно параметров каскада ОЭ (см. рис. 2.6) справедливо и для каскада ОЭ (рис. 2.9).

При работе в области средних частот рассматриваемый усилительный каскад (рис. 2.9) может быть представлен с помощью эквивалентной схемы рис. 2.8. Однако при работе в области низких частот наблюдается спад коэффициента усиления (см. рис. 2.5), что обусловлено влиянием конденсаторов C1, С2 и Сэ, поскольку при уменьшении частоты их сопротивление возрастает.

Рассмотрим работу каскада ОЭ в области низких частот (ОНЧ). Влияние разделительных конденсаторов и Сэ на коэффициент частотных искажений Мн можно определить отдельно, используя метод суперпозиции.

Большой вклад в значение Мн вносит цепь конденсатора Сэ . Поэтому, если предположить, что Мн = 3 дБ, то Мнс1 = Мнс2 = 0,5 дБ, а Мнсэ = 2 дБ. Полный Мн равен сумме коэффициентов частотных искажений за счет этих трех емкостей. Если эти коэффициенты представлены в относительных единицах, для определения общего Мн следует взять их произведение.

Рис. 2.9. Принципиальная схема усилителя с общим эмиттером

62

Поскольку в ОНЧ возрастают сопротивления конденсаторов, то эквивалентную схему каскада для этой области работы необходимо дополнить несколькими элементами (рис. 2.10, а). Здесь Rб =Rб1 Rб2 . Сначала рассмотрим влияние С1 . Для этого случая входную цепь усилительногокаскадаможнопреобразоватьквиду, представленномуна рис. 2.10, б, где многоэлементная схема действует своим сопротивле-

Таким образом, коэффициент частотных искажений на низшей частоте Mнс1 однозначно определяется постоянной времени τнс1 . Для уменьшения Mнс1 при прочих равных условиях нужно увеличить С1.

Рис. 2.10. Эквивалентнаясхемаусилителясобщимэмиттеромнанизкихчастотах(а), входная цепь усилителя с общим эмиттером на низких частотах (б)

63

Выражение (2.9) может быть использовано для определения коэффициента частотных искажений на низшей частоте практически для любой цепи любого усилительного устройства. Так, для выходной цепи Мнс2 в (2.9) следует лишь заменить τнс1на τнс2 . В этом нетрудно убедиться, проделав математические выкладки для выходной цепи рассматриваемого усилителя. В результате получим, что

τнс2 = С2 (Rвых + Rн) = С2 (Rк + Rн).

Таким образом, для определения Мн следует найти постоянные времени всех цепей, влияющих на низкой частоте на Кu , затем подставить каждую из них в (2.9), а полученные значения коэффициентов частотных искажений сложить.

Для эмиттерной цепи усилительного каскада можно записать:

τнсэ = С(Rэ Rвых) ≈ СэRвых э ,

где Rвых э — выходное сопротивление каскада со стороны эмиттера транзистора, т.е. выходное сопротивление усилительного каскада ОК (будет рассмотрен ниже).

Его значение обычно не превышает десятков Ом, поэтому и получается весьма малая величина для τнсэ. Это обстоятельство и опреде-

ляет максимальные искажения в цепи конденсатора Сэ . Таким образом, дляуменьшения Мн врассматриваемом каскаде требуется увеличить емкости С1 и С2, но в первую очередь в большей степени — Сэ .

Рассмотрим частотные искажения в области высоких частот (ОВЧ). Для ОВЧ эквивалентную схему каскада ЭО можно преоб-

64

Эквивалентный коэффициент βе , который учитывает шунтирующее влияние Cк* генератора тока на высоких частотах, можно представить в следующем виде:

βе = β0 /(1 + jωτв) ,

где τв = τβ + Ск* Rкн + СнRкн — эквивалентная постоянная вре-

мени каскада ОЭ в ОВЧ.

Воспользовавшись формулой (2.1, б), получим для высшей ра-

Выражение (2.10), справедливое для любого усилительного устройства, указывает, что уменьшения искажений в ОВЧ можно достичь снижением τв , величина которой во многом определяется используемым в усилителе транзистором. Для низкочастотных транзисторов τв = τβ= τα(β + 1), поскольку их частотные свойства в основном определяются временем пролета неосновных носителей заряда через базу. Для ВЧ транзисторов (при Сн = 0) τв ≈ Ск*Rкн , т.е. зависит не только от параметров транзистора, но и от Rкн.

В ОВЧ с ростом частоты не только возрастает Mв , что соответствует уменьшению коэффициентов усиления в каскаде, но и увеличивается фазовый сдвиг Uвых относительно Uвх . При этом угол фазового сдвига для каскада ОЭ с ростом ù встремится от 180 к 360 °.

Один из основных параметров усилительного каскада — стабильность его работы. В усилителе прежде всего должен обеспечиваться стабильныйрежимпокоя.

Существует три причины, влияющие на изменение тока Iк0 под воздействием температуры (или другого вида внешнего воздействия). Так, при возрастании температуры, во-первых, увеличивается обратный ток коллекторного перехода; во-вторых, уменьшается напряжение Uбэ0; в-третьих, возрастает коэффициент β.

Для большинства усилителей, выполненных на кремниевых транзисторах, основной фактор влияния на ∆I к0 определяется приращением ∆Uбэ0 = εt ∆T (для TKH εt =3 мВ/град; ∆T — рабочий температурный диапазон). В этом случае нестабильность

65

тельного каскада; показывает, во сколько раз в усилительном каскаде изменения «тока покоя» больше, чем в идеально стабилизированном устройстве. Чем меньше Sнс, тем стабильнее усилитель.

Для повышения стабильности работы усилительного каскада иногда используют термокомпенсацию. Принципиальная схема одного из таких каскадов ОЭ приведена на рис. 2.12. Здесь в цепь базы транзистора включен прямосмещенный диод, ТКН которого равен ТКН эмиттерного перехода транзистора. При изменении температуры напряжение Uбэ0 и напряжение на диоде будут меняться одинаково, в результате чего ток Iб0 останется постоянным. Применение этого метода эффективно в каскадах на кремниевых транзисторах, где основную нестабильность порождает ∆Uбэ0 . В ИМС диод заменяется транзистором, включенным по схеме рис. 1.25, б или в. При этом реализуется наилучшая термокомпенсация, поскольку оба транзистора выполняются на одном кристалле кремния в едином технологическом цикле и, естественно, имеют идентичные параметры.

ПомимокаскадовОЭ, известныусилительныекаскадынабиполярномтранзисторе, включенном посхеме ОБ. Каскад ОБ можно использоватькаксодним, такисдвумяисточникамипитания.

Принципиальная схема усилительного каскада ОБ с двумя

66

(ОК). Принципиальная схема наиболее распространенного варианта каскада ОК с RC-связью приведена на рис. 2.14. Здесь коллектор через оченьмалоевнутреннеесопротивлениеисточника питания соединенс общей шиной каскада, т.е. вывод от коллекторного электрода — общий для входной и выходной цепей устройства. В рассматриваемом каскадеОКсоединенсобщейшинойлишьнапеременномсигнале, для которого мало выходное сопротивление источника питания (обычно выходнаяемкостьисточника питания бывает весьма большой). Основой усилительного каскада ОК являются два элемента: резистор Rэ и n-p-n-транзистор.

Нетрудно убедиться, что каскад не инвертирует входной сигнал. В каскаде ОК напряжение переменного входного сигнала подается между базой и общей шиной, а выходное напряжение снимается между эмиттером и общей шиной устройства. Таким образом, напряжение сигнала, приложенное к эмиттерному переходу, является разностью Uвх – Uвых . Чем больше выходной сигнал (при заданном Uвх), тем меньшим окажется напряжение, приложенное к эмиттерному переходу, а следовательно, и напряжение, управляющее работой транзистора. Это приводит к падению тока эмиттера и соответственно падению Uвых . Такая связь выходной и входной цепей усилительного каскада является 100 %-ной отрицательной обратной связью. Наличие отрицательной обратной связи во многом определяет параметры каскада ОК (в частности, малый Кг).

67

Приведенные выражения показывают, что при высокоомном Rб в каскаде OK Rвх велико (десятки или сотни кОм) и возрастает при увеличении Rэ . Однако достижение весьма больших значений Rвх затруднено, так как рост Rэ требует увеличения Ек . Кроме того, в ИМС выполнить резистор большего номинала практически невозможно, поэтому очень большие значения Rвх могут быть получены только в специальных каскадах ОК.

ДлякоэффициентаусиленияпотокувкаскадеОКможнозаписать:

KI = I вых / I вх = I э / Iб = β+1.

Теперь, аналогично формуле (2.6), для KIн получим:

KIн = (β+1)Rэ /(Rэ + Rн) .

Приведенные соотношения показывают, что усилительный каскад ОК имеет максимальное усиление по току относительно каскадов ОЭ и ОБ.

Поскольку в каскаде ОК Rвх велико, то обычно выполняется условие Rвх . Rг , поэтому коэффициент усиления по напряжению отно-

сительно генератора Kuг = Ku = Uвых/ Uвх. Полагая U вых = IнRэн и U вх = IбRвх после подстановки в выражение для Кu и проведения

преобразований, получим:

68