4. Усилительные каскады на билолярных транзисторах

Многие усилители состоят из нескольких ступеней, осуществляющих последовательное усиление сигнала и обычно называемых каскадами. Число каскадов зависит от требуемых значений коэффициентов усиления K_U, K_I, K_P. В зависимости от выполняемых функций усилительные каскады делят на каскады предварительного усиления и выходные каскады. Каскады предварительного усиления предназначены для повышения уровня сигнала по напряжению, а выходные каскады — для получения требуемых значений тока и мощности сигнала в нагрузке.

5. Одиночный усилительный каскад

Динамический режим работы одиночного усилительного каскада рассмотрим на примере биполярного n‑p‑nтранзистора по схеме включения с общим эмиттером. Схема включения с общим эмиттером нашла наиболее широкое распространение, как обладающая наибольшим усилением по мощности.

Основными элементами каскада являются

• управляемый элемент, функцию которого выполняет биполярный n‑p‑n транзистор;

• резистор R_К.

Процесс усиления основывается на преобразовании энергии источника постоянного напряжения E_Кв энергию переменного напряже­ния в выходной цепи за счет изменения сопротивления управляемого элемента в выходной цепи по закону, задаваемому входным сигналом. Переменный ток и напряжение в выходной цепи (пропорциональные току и напряжению входного сигнала) следует рассматривать как переменные составляющие суммарных тока и напряжения, накладывающиеся на их постоянные составляющие.

Амплитуда перемен­ных составляющих долж­на быть меньше ампли­ту­ды постоянных составля­ю­щих. Для обеспечения ра­боты усилительного кас­ка­да при переменном входном сигнале в его вы­ходной цепи долж­ны быть созданы по­сто­ян­ные со­став­ля­ю­щие токаI_Пи на­пря­женияU_П. Задачу ре­ша­ют путем подачи во вход­ную цепь каскада по­мимо усиливаемого сиг­на­ла соответствующего постоянного напряженияE_СМ, которое приоткрывает транзистор. Постоянные составляющие тока и напряжения определяют так называемыйрежим покояусилительного каскада.

В рассматриваемой схеме включения напряжение источника питания E_Краспределяется между участком коллектор-эмиттер (выходом схемы) и нагрузочным сопротивлениемR_Кв соответствии с уравнением, задающим динамический режим работы для выходной цепи:

u_КЭ=E_К–I_КR_К.

Уравнение динамического режима входной цепи транзистора задается уравнением:

u_БЭ=E_СМ+e_Г–I_БR_Г.

При этом токи i_Киi_Бсоответственно равны:

i_Б=I_БП+i_Б~ i_К=i_Б=I_КП+i_К~.

В момент времени, когда e_Г= 0 ток и напряжение во входной цепи (i_Б,u_БЭ) соответственно равныi_Б=I_БП,u_БЭ= Е_СМ–I_БПR_Г, в выходной цепи (i_К,u_КЭ) —i_К=I_КП,u_КЭ=E_К–I_КПR_К.

6. Графическое представление работы усилительного каскада

Анализ каскада по постоянному току проводят графоаналитическим методом, основанным на использовании графических построений и расчетных соотношений.

На выходных характеристиках проводят так называемую линию нагрузки каскадапо постоянному току, представляющую собой геометрическое место точек, координатыU_КЭиI_К которых соответствуют возможным значениям точки (режима) покоя. Построение линии нагрузки каскада удобно провести по двум точкам, характеризующим режимы холостого хода и короткого замыкания:

• точка B: I_КП=0,U_КЭП=E_К— режим холостого хода;

• точка А: U_КЭП= 0,I_КП=— режим короткого замыкания.

На рис. 6.10 АВ — нагрузочная прямая, соответствующая сопротивлению R_К.

Любому току базы соответствуют вполне определенные значения тока коллектора и коллекторного напряжения. Так, например, если в режиме покоя (до поступления входного переменного сигнала) был установлен ток базы I_Б2, то рабочая точкаPна нагрузочной прямой укажет соответствующие этому току значенияI_КПиU_КЭП.

Входная динамическая характеристика представляет собой зависимость входного тока от входного напряжения в динамическом режиме. Она мало отличается от статической, так как незначительно зависит от U_КЭ.

Переходные характеристики строятся по выходным:

• статические — для U_КЭ=const (близкие для разных U_КЭ);

• динамические — для E_К,R_Кпо точкам пересечения с нагрузочной прямой.

Сигналы на входе и на выходе каскада сдвинуты между собой по фазе на 180⁰. Это означает, что рассматриваемый каскад, не нарушая закона изменения сигнала (в данном случае, сигнал изменяется по синусоидальному закону), в то же время, поворачивает его фазу на 180⁰.

Для получения наименьших искажений усиливаемого сигнала рабочую точку P располагают на середине отрезка АВ нагрузочной прямой, построенной в семействе выходных характеристик транзистора.

Положение рабочей точки Pсоответствует току смещения в цепи базыI_БП. Для заданияI_БПслужит резисторR_Бв схеме. Величину сопротивления этого резистора рассчитывают по формуле:

R_Б=, (6.17)

где I_БПиI_КП— постоянные составляющие тока базы и коллектора в выбранных рабочих точкахP’ и P соответственно.

Таким образом, для выбора элементов каскада задаются точкой покоя и диапа­зо­ном изменения токов и напряжений в тран­зис­торе.

Рабочая точка движется относительно точки покоя по нагрузочной прямой.

Режим работы транзистора, при котором рабочая точка P не выходит за пределы участкаCD нагрузочной прямой, называетсялинейнымилиусилительным режимом. При этом с изменением входного (базового) тока пропорционально изменя­ет­ся выходной (коллекторный) ток. На рис. 6.11 линейный режим показан активной областьюI.

Если входной ток I_Б max = I_Б нас(точка С), то дальнейшее его увеличение не приводит к росту коллекторного тока, который достигает тока насыщенияI_К нас. При этом напряжение на коллектореU_КЭ нас весьма невелико (U_КЭ нас<< E_К). В режиме насыщения оба перехода транзистора смещаются в прямом направлении, а транзистор можно представить в виде замкнутого ключа. Условием насыщения транзистора является неравенство:

I_БI_Б нас.

Ток коллектора в режиме насыщения

I_К нас=(6.18)

Определяется только параметрами внешней цепи.

Область насыщенияIIрасположена левее неуправляемого участка статической коллекторной характеристики. Если оба перехода транзистора смещены в обратном направлении, то через них могут проходить обратные неуправляемые токи. При этом в коллекторной цепи проходит токI_К=I_КБ0, а в базовой —I_Б= –I_КБ0. Напряжение на коллектореU_КЭ отспрактически равно напряжению источника питанияE_К. Следовательно, транзистор вобласти отсечкиIIIпредставляет собой разомкнутый ключ.

Максимально допустимый ток коллектора транзистора I_К допдолжен быть больше наибольшего мгновенного значения тока коллектора в каскаде, то есть

I_К max =I_КП+I_К m < I_К доп,

где I_К m — амплитуда переменной составляющей.

По напряжению транзистор обычно выбирают с учетом соотношения:

U_КЭ доп> E_К.

Мощность P_К=U_КПI_КП, рассеиваемая в коллекторном переходе транзистора, должна быть меньше максимально допустимой мощностиP_К доптранзистора. Кривая предельно допустимой мощности представляет собой гиперболу, для каждой точки которойU_КЭI_К=P_К доп.

Таким образом, расчет каскада по постоянному току решает задачу выбора элементов схемы для получения в нагрузке необходимых параметров выходного сигнала.