3. Усилительные каскады на биполярных транзисторах.

1. Принцип построения усилительных каскадов

Усилители состоят, как правило, из нескольких ступеней, осуществляющих последовательное усиление сигнала. Их обычно называемых каскадами. Число каскадов в усилителях зависит от требуемых значений коэффициентов усиления Κ_I, К_U, К_P.

В зависимости 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 е тем принцип построения главных цепей усилительных каскадов один и тот же. Принцип построения и работы различных каскадов удобно показать на примере структурной схемы Рис 3.1.1,а,действительной для усилительных каскадов на одном транзисторе.

Основными элементами каскада являются управляемый элемент УЭ, функцию которого выполняет биполярный или полевой транзистор, и резисторR. Совместно с напряжением питанияЕ эти элементы образуют выходную цепь каскада.

Процесс усиления основывается на преобразовании энергии источника постоянного напряжения Ε в энергию переменного напряжения в выходной цепи за счет изменения выходного тока i УЭ по закону, задаваемому входным сигналом u_ВХ.

Ввиду использования для питания источника постоянного напряженияΕ токi в выходной цепи каскада являетсяоднонаправленным.

Поэтому для обеспечения работы линейного усилительного каскада при переменном входном сигнале и требовании исключения его искажения после усиления в выходной цепи должны быть введены постоянные составляющие тока I_Пинапряжения U_П. Задачу решают путем подачи во входную цепь каскада помимо усиливаемого сигнала соответствующего постоянного напряженияU_ВХ._П(или задания соответствующего постоянного входного токаI_{BX П})·

Постоянные составляющие тока и напряжения определяют так называемый режим покоя усилительного каскада.

2. Расчет усилительных каскадов

   1. 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. 2.1 получившей наибольшее применение при реализации на дискретных компонентах.

Основными элементами схемы являются источник питания E_K, управляемый элемент – транзисторT и резисторR_K. Эти элементы образуют главную цепь усилительного каскада

Остальные элементы каскада играют вспомогательную роль. Конденсаторы С_р1,С_р2являются разделительными. КонденсаторС_р1 исключает шунтирование входной цепи каскада цепью источника входного сигналапо постоянному току, что позволяет, во-первых, исключить протекание постоянного тока через источник входного сигнала по цепиE_K-R₁-R_Ги, во-вторых, обеспечить независимость от внутреннего сопротивления этого источникаR_Г напряжения на базе в режиме покоя. Функция конденсатора С_р2сводится к пропусканию в цепь нагрузки переменной составляющей напряжения и задержанию постоянной составляющей.

Резисторы R₁R₂используются 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 покоя базы. РезисторR₁предназначен для создания цепи протекания этого тока и совместно сR₂обеспечивают исходное напряжение на базе относительно зажима «+» источника питания.

Резистор R_Эявляется элементом отрицательной обратной связи, предназначенным для стабилизации режима покоя каскада при изменении температуры.

Если под влиянием температуры ток I_КП увеличится, это приведет к увеличению токаI_ЭП, повышению напряженияU_ЭП = I_ЭПR_Эи соответственно снижении напряженияU_{БЭ П} = U_БП – U_ЭП. Ток базыI_БПуменьшается, вызывая уменьшение токаI_КП, чем создается препятствие наметившемуся увеличению токаI_КП. Иными словами, стабилизирующее действие отрицательной обратной связи, создаваемой резисторомR₃, проявляется в том, что температурные изменения параметров режима покоя передаются цепью обратной связи в противофазе на вход каскада, препятствуя тем самым изменению токаI_КП , а следовательно и напряженияU_{KЭ П}.

Конденсатор С_Эшунтирует резисторR_Эпо переменному току, исключая тем самым проявление отрицательной обратной связи в каскаде по переменным составляющим. Отсутствие конденсатора С_Эпривело 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.

Рассмотрим основные этапы расчета усилителя.