7. Усилители напряжения на биполярных транзисторах

2.1 Простейший усилитель на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общей базой

Для усилителей на биполярных транзисторах входной переход транзистора всегда включают в прямом направлении, а выходной в  обратном [4]. На рис.2.1 приведена схема усилителя на биполярном транзисторе, включенном с общей базой (ОБ).

Рисунок 2.1 — Схема усилителя по схеме с общей базой

Резистор R_К является нагрузкой транзистора и определяет его усилительные свойства. Если R_К=0, то эффект усиления напряжения не происходит, т.к. _КБ=E_К=const. С увеличением R_К растет коэффициент усиления схемы по напряжению, однако существует ограничение на R_К сверху.

Для данной схемы ориентировочные значения коэффициентов усиления можно определить следующим образом:

.

Поскольку для ОБ , , а (т.к. входной переход транзистора включен в проводящем направлении), то получим k_U>>1

Коэффициент усиления по току k_I меньше 1 (ОБ):

, k_I(0.5¸0.95).

Следовательно, схема с ОБ усиливает напряжение, мощность, но не усиливает ток.

Расчет схемы по постоянному току.

Режим работы схемы по постоянному току определяется элементами: R_К, R_Э, E_К, E_Э и характеристиками транзистора VT. Запишем уравнения Кирхгофа для выходной цепи:

Уравнение (2.1) представляет собой уравнение прямой, которую называют нагрузочной прямой, а уравнение (2.2) представляет семейство выходных характеристик транзистора, включенного по схеме с общей базой. На основании определенных критериев может быть выбран тип транзистора, при этом по справочнику определим его выходные и входные характеристики [5].

Для построения нагрузочной линии (2.1) рекомендуют использовать 2 режима:

а) режим холостого хода: I_К=0 тогда из (2.1) получим U_КБ=E_К точка 1 (см. рис. 2.2)

б) режим короткого замыкания: U_КБ=0, следовательно, точка 2 (см. рис. 2.2)

Рисунок 2.2 — Выходные характеристики транзистора с ОБ

Через полученные две точки проведем нагрузочную прямую, и выберем на ней точку покоя, например точку О (Рис. 2.2). Для возможности более полного использования характеристик транзистора точку "О" располагают в центральной области выходных характеристик. Эта точка характеризуется 3^Я координатами I_Кп, U_КБп, I_Эп.

Для обеспечения работы усилителя в точке покоя "О" нужно обеспечить входной ток I_Эп. Аналогично выходной цепи опишем входную цепь системой уравнений:

Уравнение 2.3 является нагрузочной прямой по входу, а уравнение 2.4 — входными характеристиками транзистора. Для построения нагрузочной линии используем режимы холостого хода и короткого замыкания:

а) режим ХХ: I_Э=0 Þ U_ЭБ=E_Э;

б) режим КЗ: U_ЭБ=0 Þ .

Положение рабочей точки на нагрузочной прямой можно определить по току I_Эп и по напряжению U_КБп. Координаты рабочей точки определяют напряжение между базой и эмиттером по постоянному току U_ЭБп (см. рис.2.3).

Рисунок 2.3 — Входные характеристики транзистора с ОБ

2.2 Усилитель напряжения на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером

Схема усилителя представлена на рисунке 2.6. Назначения элементов аналогичны представленной ранее схемы.

Рисунок 2.5 — Осциллограммы усилителя на транзисторе с ОБ

Рисунок 2.6 — Принципиальная схема усилителя с ОЭ

Расчет усилителя по постоянному току.

Режим работы усилителя по постоянному току определяется элементами E_К, R_К, R_Б и параметрами транзистора VT.

Критерии выбора транзистора следующие:

• по значению граничной частоты усиления;

• по предельно-допустимым параметрам U_КЭдоп, P_{Рас.доп}, I_Кmax.

При проектировании усилителя задаются U_Выхmax, R_Н. Исходя из этого: E_К>2U_Выхmax; ; ; с учетом того, что R_Н(3¸5)R_К, получим , отсюда следует, что I_Кmax5I_Нmax. Граничная частота усиления транзистора должна быть в 35 раз выше верхней граничной частоты усиливаемого сигнала f_В. Выбор транзистора производят по значениям параметров I_Кmax, U_КЭmax, P_{Рас.доп}, и f_гр.

Режим работы усилителя по постоянному току описывается системами уравнений.

По выходным характеристикам транзистора, с учетом ограничений (см. рис. 2.7), выбирают положение нагрузочной линии по постоянному току. Е_К рекомендуют брать порядка (0.8–0.9)U_Кэmax. Нагрузочную линию строят по двум точкам (Х.Х. и К.З.).

Рисунок 2.7 — Выходные ВАХ транзистора с ОЭ и предельно-допустимые параметры

Из уравнения (2.5):

Х.Х. I_К=0; U_КЭ=Е_К, (точка 1);

К.З. U_КЭ=0; (точка 2).

При работе усилителя в режиме малых сигналов рабочую точку целесообразно располагать в середине рабочей области характеристик (точка "О"). Она определяется 3^Я координатами I_Кп, U_КЭп, I_Бп. Этой точке соответствует точка "О" на входных характеристиках транзистора (см. рис. 2.8), определяемая координатами I_Бп, U_КЭп. Для расчета величины резистора R_Б (по уравнениям (2.7) и (2.8)) установим величину напряжения U_БЭп по рис. 2.8. Поскольку величина этого напряжения порядка (0.40.7) В, то проводить нагрузочную линию по уравнению (2.7) неудобно, т.к. напряжение Е_К порядка (1020) В. Записав уравнения (2.7) для точки "О", рассчитаем требуемое значение резистора R_Б:

.

Для маломощных транзисторов значения сопротивлений R_К и R_Б составляют ориентировочно единицы и десятки кОм соответственно.

Рисунок 2.8 — Входные ВАХ транзистора с ОЭ

Расчет по переменному току.

Для расчета по переменному току необходимо:

1. начало координат на характеристиках транзистора перенести в рабочую точку "О" по постоянному току. В рабочей точке определить, для бесконечно малых приращений, параметры транзистора. Наиболее употребительны h – параметры. Принять во внимание, что в окрестности рабочей точки транзистор работает в режиме малых сигналов, и в этом случае к расчету усилителя применим принцип наложения.

2. для переменных составляющих напряжений и токов составить линейную модель усилителя с учетом линейной модели транзистора.

С учетом того, что для переменных составляющих напряжений и токов внутреннее сопротивление источника мало (точки Е_К и –Е_К считают однопотенциальными) и транзистор работает в активной области в режиме малого сигнала, получим следующую линейную электрическую модель усилителя (Рис. 2.9).

Рисунок 2.9 — Схема замещения усилителя с ОЭ

Описав эту модель уравнениями в соответствии с законами электротехники, определяют:

1. Входное сопротивление усилителя, что необходимо для учета согласования усилителя с источником входного сигнала.

2. По выходной цепи усилитель представляют эквивалентным генератором по отношению к сопротивлению нагрузки R_Н. Для этого определяют выходное сопротивление усилителя R_Вых и коэффициент усиления по напряжению в режиме холостого хода — k_ХХ.

3. Определяют коэффициенты усиления усилителя по напряжению и току и и их зависимость от частоты для построения амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), фазочастотной характеристики (ФЧХ) и амплитудно-фазочастотной характеристики (АФЧХ).

4. Определяют коэффициент нелинейных искажений при заданном значении входного сигнала и коэффициенты частотных искажений и на граничных частотах f_Н и f_В.

При расчете усилителей звуковых частот этот диапазон частот условно разделяют на 3 поддиапазона:

• низкие частоты (10300 Гц)

• средние частоты (300¸5000 Гц)

• верхние частоты (5000¸30000 Гц)

Основные параметры усилителя определяют в диапазоне средних частот. При этом выполняются допущения, что сопротивление разделительных конденсаторов в данной области малы по сравнению с R_Вх и R_Н, и ими можно пренебречь, а сопротивление конденсатора С_Н много больше R_Н, и им также можно пренебречь.

,

где С_КЭ — выходная емкость транзистора,

С_Н — емкость нагрузки,

С_М — емкость монтажа.

Как правило, С_Н порядка десятков – сотен пФ.

Определение входного сопротивления усилителя.

Опишем линейную модель усилителя системой уравнений в соответствии с 2 и 1 законами Кирхгофа:

Преобразуя систему уравнений и приняв, что при напряжении коллектора больше 5В по модулю, входные ВАХ сливаются в одну, что обуславливает h_12Э®0, отсюда следует:

.

При этом входное сопротивление усилителя определяется параллельно включенными сопротивлениями R_Вх.Т и R_Б:

.

Поскольку R_Б>>h_11Э, то входное сопротивление усилителя R_Вх.Усh_11Э.

Определение коэффициента усиления усилителя по напряжению.

Определим коэффициент усиления по напряжению ( ):

При h_12Э®0 получим:

.

Анализ последнего выражения показывает, что , а знак "–" указывает на то, что U_Вых и U_Вх противофазны. Выражение, стоящее в скобках, порядка и упрощенное значение коэффициента усиления усилителя:

.

Если (практически это выполняется), тогда .

Определение коэффициента усиления усилителя по току.

Коэффициент усиления усилителя по току определяется как:

,

где , а . Следовательно, получим:

.

Из выражения следует, что коэффициент усиления по току . Для увеличения k_i следует уменьшать R_Н, однако, начиная с определенного значения R_Н начинает снижаться k_U, что может привести к противоположному эффекту.

Определение выходного сопротивления усилителя.

Выходное сопротивление можно определить двумя способами.

1) Отключить сопротивление нагрузки. Замкнуть активный источник входного сигнала. Подвести к выходным зажимам усилителя переменное напряжение . Рассчитать переменный ток , потребляемый от источника . Определить выходное сопротивление усилителя . Схема замещения усилителя, реализующая этот способ, приведена на рис.2.11.

Рисунок 2.11 — Схема замещения усилителя, для расчета R_Вых

2) Определение выходного сопротивления по нагрузочной характеристике.

Выходную цепь усилителя можно представить следующей моделью, в которой выходная цепь транзистора представлена источником ЭДС (Рис. 2.12).

Рисунок 2.12 — Схема замещения выходной цепи усилителя

Нагрузочная характеристика усилителя, определяется зависимостью напряжения на нагрузке от тока нагрузки, будет иметь вид, приведенный на рис.2.13.

Рисунок 2.13 — Нагрузочная характеристика усилителя

Для выходной цепи усилителя в режимах холостого хода (R_Н=) и короткого замыкания (R_Н=0) определим значения U_Нхх и I_КЗ:

; .

Из нагрузочной характеристики следует, что выходное сопротивление усилителя:

.

При условии, что , можно записать: .

Следовательно, результаты определения выходного сопротивления, полученные первым и вторым способами, одинаковы.

Поскольку входное и выходное сопротивления схемы с ОЭ соизмеримы, то возможно последовательное включение каскадов усилителей с ОЭ при их удовлетворительном согласовании. Так, например, для двухкаскадного усилителя с коэффициентами усиления К₁ и К₂ и равенством R_Вых1=R_Вх2, получим общий коэффициент усиления усилителя .

Выводы:

Схема усилителя напряжения (ОЭ) имеет примерно равные входное и выходное сопротивления, что позволяет согласовывать по напряжению входное сопротивление последующего каскада с выходным сопротивлением предыдущего при их последовательном включении в многокаскадных усилителях. Схема с ОБ не позволяет выполнять такое включение, так как . Для последовательного включения каскадов с ОБ между ними необходимо включать согласующие каскады, которые строятся по схеме с ОК (см. разд.2.3).

Коэффициенты усиления схем с ОЭ и ОБ по напряжению K_U>>1 (десятки) и отличаются лишь фазовыми соотношениями _ОЭ=180, _ОБ=0.

Коэффициенты усиления по току для схемы с ОЭ (K_I>>1), а для схемы с ОБ (K_I<1). Поскольку коэффициент усиления по мощности K_P=K_U K_I, то схема с ОЭ имеет наибольший коэффициент.

Схема усилителя напряжения с ОЭ находит более широкое применение в электронике, однако схема с ОБ, несмотря на ряд указанных недостатков, используется в соответствии со своими преимуществами. К ним следует отнести наиболее высокую температурную стабильность и меньшие нелинейные искажения (см. разд. 5).