10.13. Усилительные каскады на биполярных транзисторах

Различают три основных типа усилительных каскадов на биполярных транзисторах: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ).

Название каскадов отражает наличие в схемах замещения их входной и выходной цепей в режиме малого сигнала общей точки, соответствующей эмиттеру (рис. 10.48), коллектору (рис. 10.53) или базе транзистора.

Рассмотрим принципы работы и характеристики усилительных каскадов низкой частоты.

Усилительный каскад с ОЭ. Типовая схема усилительного каскада с ОЭ выделена на рис. 10.46 сплошной линией. Здесь и в дальнейшем заземлением будем отмечать общий узел входной и выходной цепей усилителя, полагая электрический потенциал этого узла равным нулю.

Источник усиливаемого сигнала, показанный внутри штриховой линии, подключается к входным выводам усилительного каскада и представляет собой источник с внутренним сопротивлением R_вт и ЭДС е_с=u_с. Конденсаторы С₁ и С₂ большой емкости отделяют цепь постоянного тока (цепи питания) от цепи источника сигнала и цепи приемника с сопротивлением нагрузки R_н, подключаемого к выходным выводам усилительного каскада.

При этом влиянием конденсаторов С₁ и С₂, а также С_Э, на процессы усиления можно пренебречь так как их сопротивления Х_С для синусоидального тока малы.

Е сли напряжение сигнала u_с невелико, то работу усилительного каскада как нелинейной резистивной цепи (см. § 6.3) удобно представить в виде наложения режима покоя с постоянными составляющими токов базы I_{Б п}, коллектора I_{К п} и эмиттера I_{Э п} при действии только источника ЭДС Е_К (рис. 10.47) и режима малого сигнала с переменными составляющими токов базы i_Б, коллектора i_К, эмиттера i_Э и нагрузки i_н при другом источнике ЭДС е_с (рис. 10.48), ток которого i_с равен току на входе усилительного каскада i_вх. Положительное направление тока нагрузки i_н, равного току на выходе усилительного каскада i_вых, принято к общему выводу транзистора, т.е. к эмиттеру.

Режим покоя определяет рабочая точка А на статических коллекторных характеристиках транзистора по методу нагрузочной характеристики (рис. 10.49, а — прямая 1)

(10.16)

аналогично рис. 6.11, в, если принять I_{Б п}<<I_{К п}, т.е. I_{К п}≈I_{Э п}.

Заметим, что необходимый режим покоя можно получить и без резисторов R₂ и R₃. Однако последние позволяют стабилизировать положение рабочей точки А при изменении температуры окружающей среды. Повышение температуры изменяет параметры транзистора так, что токи базы, коллектора и эмиттера увеличиваются при прочих неизменных условиях. При наличии резистора R_Э в цепи эмиттера это приводит к увеличению на нем напряжения. Одновременно уменьшаются напряжение U_БЭ и ток базы. Таким образом реализуется отрицательная обратная связь и стабилизация режима покоя. В режиме малого сигнала описанный механизм отрицательной обратной связи отсутствует, так как параллельно резистору R_Э включен конденсатор большой емкости С_Э.

Режим малого сигнала рассчитывается по схеме замещения усилительного каскада на рис. 10.48, где схема замещения транзистора с постоянными h — параметрами (10.8) показана внутри штриховой линии, а усилительного каскада — внутри сплошной.

Исключая из схемы замещения резистивные элементы 1/h₂₂, R₁ и R₂ с большими относительно других резистивных элементов сопротивлениями и полагая разомкнутой цепь нагрузки R_н=∞ (режим холостого хода), получаем основные параметры усилительного каскада с ОЭ:

R_вх=h₁₁

— входное сопротивление (1 — 10 кОм);

R_вых=R_К (10.17)

— выходное сопротивление (10—100 кОм);

— коэффициент усиления напряжения (10—100), равный отношению абсолютных значений напряжений u_н.х=-h₂₁R_Кi_Б и u_вх=h₁₁i_Б разной полярности.

Выражениям (10.17) соответствует обобщенная схема замещения входной и выходной цепей усилительного каскада (рис. 10.50), которую можно также получить, воспользовавшись эквивалентностью двух схем замещения источника электрической энергии по рис. 1.8.

При подключении усилительного каскада к цепи нагрузки пользуются коэффициентами усиления напряжения, тока и мощности источника сигнала:

;

;

. (10.18)

Эти коэффициенты усиления не являются основными параметрами усилительного каскада, так как зависят от сопротивлений цепей источника сигнала R_вт и нагрузки R_н.

Основным недостатком усилительного каскада с ОЭ является небольшое значение входного сопротивления. Это увеличивает ток и мощность потерь источника сигнала, а также падение напряжения на его внутреннем сопротивлении.

Схеме замещения на рис. 10.48 соответствует внешняя характеристика выходной цепи усилительного каскада с ОЭ по переменной составляющей (рис. 10.49, а — прямая 2)

.

При этом ток в цепи нагрузки равен

.

По расположению рабочей точки режима покоя различают усилители классов А, В и АВ.

В классе А p-n переход между эмиттерам и базой смещен в прямом направлении (рабочая точка режима покоя А на рис. 10.49) и в режиме малого сигнала усилитель представляет собой линейную цепь, в которой при синусоидальном напряжении u_вх=u_БЭ все напряжения и токи изменяются также синусоидально.

В классе В p-n переход между эмиттером и базой смещен в область его порогового напряжения проводимости (рабочая точка режима покоя В на рис. 10.49, б) так, что усиление синусоидального напряжения u_вх=u_БЭ происходит только в течение времени его положительного полупериода (рис. 10.51, б).

В классе АВ рабочая точка режима покоя «АВ» занимает промежуточное положение между ее положениями на характеристике I_Б(U_БЭ) (рис. 10.49, б) усилителей классов А и В так, что усиление положительного (отрицательного) полупериода синусоидального напряжения происходит на линейном АВ—А (нелинейном АВ—В) участке этой характеристики (рис. 10.51, в).

Постоянная составляющая тока в усилителях класса А велика, а в усилителях классов В и АВ — мала. Поэтому первые преимущественно используются в качестве усилителей напряжения, а вторые — в двухтактных усилителях мощности, для которых существенное значение имеет КПД (см. § 10.20). При этом синусоидальный сигнал поочередно усиливают в течение времени положительного и отрицательного полупериодов и результаты складывают.

Из (10.18) следует, что условия для увеличения коэффициента усиления напряжения К_u и уменьшения его зависимости от сопротивления цепи нагрузки противоречивы. Чем больше выходное сопротивление усилительного каскада R_вых=R_к, тем больше как значение коэффициента усиления напряжения, так и его зависимость от сопротивления цепи нагрузки. Чтобы увеличить коэффициент усиления напряжения и уменьшить его зависимость от сопротивления приемника R_н, между выходом усилительного каскада с ОЭ и приемником следует включить согласующее устройство с большим входным и малым выходным сопротивлениями. Роль такого устройства может выполнять усилительный каскад с ОК, называемый также эмиттерным повторителем.

У силительный каскад с ОК. На рис. 10.52 приведена типовая схема эмиттерного повторителя.

Исключим из схемы замещения усилительного каскада в режиме малого сигнала (рис. 10.53) резистивные элементы 1/h₂₂, R₁ и R₂ с большими относительно других резистивных элементов сопротивлениями.

Тогда по второму закону Кирхгофа для контура 1 напряжение на входе каскада в режиме холостого хода (R_н=∞) равно

. (10.19)

где — напряжение на выходе каскада; i_Б=і_вх — ток на входе каскада.

Из (10.19) находим основные параметры усилительного каскада с ОК:

;

(10.20)

— входное сопротивление (100—300 кОм) значительно больше входного сопротивления усилительного каскада с ОЭ (10.17) и коэффициент усиления напряжения.

Значение коэффициента усиления напряжения близко к единице ( =0,8—0,9), а полярности напряжений и совпадают. Это определяет название усилительного каскада с ОК «повторитель».

Представляя эмиттерный повторитель относительно выходных выводов при неизменном напряжении активным двухполюсником (см. рис. 1.24, а), найдем по (1.33) его выходное сопротивление. Ток короткого замыкания эмиттерного повторителя (R_н=0) равен

, (10.21)

где

,

т.е. — напряжение холостого хода эмиттерного повторителя (R_н=∞).

Из (10.21) находим

, (10.22)

— выходное сопротивление эмиттерного повторителя (10—50 Ом) значительно меньше выходного сопротивления усилительного каскада с ОЭ (10.17).

Усилительный каскад с ОБ относительно усилительного каскада с ОЭ имеет при соизмеримом значении коэффициента усиления напряжения большее значение граничной частоты f_гр. Однако ему присущи существенные недостатки: значение его коэффициента усиления тока меньше единицы и вследствие этого мал коэффициент усиления мощности. Кроме того, он имеет малое входное и большое выходное сопротивления. По этим причинам усилительный каскад с ОБ применяется редко, но может входить составной частью в другие каскады.