При подаче входного сигнала изменяются токи базы и коллектора и, следовательно, напряжение на коллекторе. При подаче на вход транзистора положительной полуволны напряжения увеличиваются токи базы и коллектора, возрастает падение напряжения на сопротивлении 
и уменьшается потенциал коллектора, и, наоборот, при уменьшении 
потенциал коллектора возрастает. Таким образом, схема усилителя на транзисторе с общим эмиттером не только усиливает, но и инвертирует фазу входного сигнала.
Достоинством этой схемы является простота, а недостатком – зависимость токов транзистора от температуры окружающей среды. Зависимость тока коллектора от тока базы определяется известным соотношением:
(1.17)
Неуправляемый ток коллектора 
увеличивается с температурой по экспоненциальному закону: он примерно удваивается при увеличении температуры на каждые 10 градусов. Увеличивается с температурой и коэффициент усиления по току 
. Поэтому ток коллектора с температурой увеличивается даже при постоянном токе базы.
Зависимость характеристик и параметров транзистора от температуры является одним из негативных свойств транзисторов при их использовании в схемах усилителей. Зависимость тока 
от температуры окружающей среды приводит к изменению положения РТ на характеристиках транзистора. Так как характеристики транзистора являются нелинейными, то перемещение РТ приводит к изменению параметров транзистора и может привести даже к недопустимо сильным искажениям выходного сигнала. Для уменьшения влияния температуры на положение рабочей точки транзистора применяются различные методы температурной компенсации и температурной стабилизации рабочей точки.
На рис. 1.7 приведена схема с температурной стабилизацией РТ, получившая наибольшее применение при реализации усилительного каскада на дискретных компонентах. Температурная стабилизация РТ в схеме осуществляется с помощью трех сопротивлений: R1, R2, RЭ. Делитель напряжения R1 – R2 должен обеспечивать постоянство потенциала базы транзистора 
при колебаниях температуры. Но через сопротивление R1, кроме тока делителя, протекает ещё и ток базы, который зависит от температуры. Если при расчете усилителя выбрать ток через делитель в несколько раз больше тока базы в рабочей точке, то доля нестабильного тока через сопротивление R1 уменьшается и постоянство 
обеспечивается с большей точностью.
Рис. 1.7. Схема усилительного каскада на транзисторе
С ростом температуры возрастают токи 
и 
транзистора и, следовательно, падение напряжения на сопротивлении 
. Увеличение потенциала эмиттера 
, при постоянном , приводит к уменьшению напряжения база–эмиттер 
( 
) и подзапиранию транзистора. В результате токи транзистора увеличиваются значительно меньше, чем в схеме без температурной стабилизации режима.
Таким способом реализуется отрицательная обратная связь (ООС) по постоянному току и стабилизация режима покоя транзистора. По переменному току описанный механизм ООС отсутствует, так как параллельно резистору 
включён конденсатор большой ёмкости 
, имеющий на частоте сигнала сопротивление ХсЭ << Rэ.
При анализе работы усилителей малых сигналов, работающих в режиме класса А, схему обычно представляют в виде наложения режима покоя с постоянными составляющими токов базы 
коллектора 
и эмиттера 
при действии только источника питания Е и режима малого сигнала с переменными составляющими токов базы iб, коллектора iк, эмиттера iэ и нагрузки iн при источнике сигнала с ЭДС Ес. При использовании схемы рис. 1.7 эквивалентная схема по постоянному току приведена на рис. 1.8.
Рис.1.8. Эквивалентная схема усилительного каскада по постоянному току
Полагая, что токи эмиттера и коллектора равны, найдем соотношение для расчета сопротивления нагрузки каскада для постоянного тока:
(1.18)
Для того, чтобы применить эту формулу для расчета элементов схемы, необходимо выбрать положение рабочей точки на характеристиках транзистора.
Для выбора рабочей точки на коллекторных характеристиках транзистора применяется метод нагрузочной прямой, иллюстрация которого показана на рис. 1.9.
Зависимость напряжения на коллекторе от величины протекающего тока определяется выражением:
(1.19)
Это выражение представляет собой уравнение прямой линии и называется нагрузочной прямой по постоянному току. Для проведения электрических расчетов нагрузочная прямая строится на выходных характеристиках транзистора, как показано на рис. 1.9, а. Нагрузочная прямая строится по двум точкам: вначале полагают, что u к = 0 и находят, что iк = Е / (Rк + Rэ). Затем полагают, что iк = 0, и находят uк = Е. На выходных характеристиках (рис. 1.9, а) нагрузочная прямая по постоянному току обозначена точками а и б.
Наклон нагрузочной прямой зависит от сопротивления (Rк + Rэ). При меньшем сопротивлении нагрузочная прямая идет более круто. В динамическом режиме, несмотря на изменение эквивалентного сопротивления нагрузки, рабочая точка должна находиться на нагрузочной прямой по постоянному току.
Эквивалентное сопротивление для переменного тока значительно меньше, чем для постоянного тока (равного Rк + Rэ). Во-первых, это связано с тем, что сопротивление цепочки Rэ || Сэ переменному току близко к нулю. Во-вторых, как будет показано ниже, по переменному току параллельно сопротивлению Rк подключается сопротивление rкэ = 1/h22э транзистора. Таким образом, эквивалентное сопротивление коллекторной цепи транзистора для переменного тока равно:
(1.20)
Поскольку Rэкв << (Rк+ Rэ), то нагрузочная прямая по переменному току (в – г), которую называют выходной динамической характеристикой, идет значительно круче нагрузочной прямой по постоянному току и должна пересекать нагрузочную прямую по постоянному току в рабочей точке.
В качестве входной динамической характеристики выбирают характеристику, соответствующую 
. Ток базы в рабочей точке 
определяется по известному соотношению: 
и должна находиться на линейном участке, как показано на рис. 1.9, б.
б)
а)
Рис. 1.9. Выбор рабочей точки на статических характеристиках транзистора по методу нагрузочной прямой: а – по выходным; б – по входным характеристикам
Исходное положение рабочей точки 
выбирают исходя из заданных амплитуд выходного напряжения 
и тока 
. При использовании маломощного транзистора значение тока 
выбирают равным или близким к номинальному значению, при котором коэффициент β имеет максимальное значение (1…3 мА). При этом необходимо обеспечить выполнение неравенств:
> 
; 
> 
. (1.21)
Эти неравенства должны выполняться с учётом того, чтобы рабочая точка не заходила в начальную нелинейную область выходных характеристик транзистора. Кроме того, требуется, чтобы напряжения, токи и мощности не превышали предельно допустимых значений для выбранного транзистора.
Для расчёта элементов схемы (рис. 1.5), обеспечивающих температурную стабилизацию рабочей точки транзистора, проанализируем эквивалентную схему каскада по постоянному току с учетом изменения токов транзистора под влиянием изменения температуры окружающей среды (см. рис. 1.10).
На эквивалентной схеме источник напряжения ∆ Uэб учитывает изменение с температурой напряжения Uэб, а генераторы токов учитывают изменение с температурой тока базы Iб, неуправляемого тока коллекторного перехода Iко и коэффициента усиления транзистора β.
Рис. 1.10. Эквивалентная схема транзистора для расчёта температурной нестабильности усилительного каскада
Поскольку сопротивление источника питания для изменяющегося, т. е. переменного, тока близко к нулю, то на схеме плюс и минус источника соединены вместе и параллельное соединение резисторов R1 и R2 обозначено как Rб – сопротивление в цепи базы. Из эквивалентной схемы находим:
ΔIк = β ΔIко + Δβ(Iб + Iко) + βΔIб. (1.22)
Первое слагаемое отражает нестабильность неуправляемого сквозного тока коллектор-эмиттер, где β – коэффициент усиления транзистора по току в схеме ОЭ, а ΔIко – нестабильность неуправляемого тока коллекторного перехода. Второе слагаемое учитывает изменение с температурой коэффициента β, а третье – учитывает изменение тока базы Iб вследствие изменения тока Iко и коэффициента β, которое находим из эквивалентной схемы:
(1.23)
Величина Rэ / (Rэ + Rб) показывает какая часть тока ΔIк ответвляется в цепь базы; ее обозначают символом γб.
(1.24)
Числитель второго слагаемого ΔUэб = -ξΔt учитывает зависимость входной характеристики транзистора от температуры, причём ξ = (1,6 – 2) мв/град. После подстановки (1.23) в выражение (1.22) и несложных преобразований с учётом (1.24), находим:
(1.25)
Выражение в скобках представляет собой минимально возможное изменение коллекторного тока It, которого можно достичь в схеме с идеальной температурной стабилизацией. Выражение перед скобкой называется коэффициентом температурной нестабильности и обозначается символом S: 
(1.26)
В схеме с идеальной температурной стабилизацией (при большой величине резистора Rэ, когда Rэ >> Rб и γб = 1), S = α, а при отсутствии стабилизации (Rэ = 0 и γб = 0), S = β.
Таким образом, величина S изменяется в пределах (α…β). Температурная стабилизация считается хорошей при S = 3 – 4 и удовлетворительной при S = 5 – 6.
Поскольку величина коэффициента температурной нестабильности S задана для расчёта, то из выражения (1.26) определяется величина коэффициента γб 
. (1.27)
Учитывая, что β << S, получаем: 
(1.28)
После замены в соотношении (1.24) коэффициента γ б, из соотношения (1.28) получаем очень важную формулу для расчёта отношения Rэ/Rб:
(1.29)
где 
Воспользовавшись рекомендациями [7], можно выбрать падение напряжения на сопротивлении Rэ в пределах 0,1…0,3 Е, выбрать сопротивление Rэ и вычислить Rб. При этом необходимо иметь в виду, что сопротивления делителя R1 и R2 рассчитываются исходя из удовлетворения противоречивых требований. С одной стороны, для улучшения температурной стабильности каскада ток через делитель надо выбирать достаточно большим (см. пункт 1.4.2), т. е. делитель должен быть достаточно низкоомным.
(1.30)
С другой стороны, в сопротивление делителя Rб = R1||R2 ответвляется часть тока источника сигнала, поэтому для уменьшения потерь мощности источника сигнала, сопротивление Rб выбирают значительно большим, чем входное сопротивление транзистора.
(1.31)
После расчёта делителя, удовлетворяющего этому требованию, производится проверка выполнения первого требования. Если это соотношение не выполняется, то при необходимости, следует в расчёты внести соответствующие коррективы. Определившись с величиной Rэ, из соотношения (1.18) находим сопротивление Rк, от которого во многом зависит коэффициент усиления каскада по напряжению.
Режим малого сигнала рассчитывается по схеме замещения усилительного каскада рис. 1.11, где схема замещения транзистора в системе h-параметров показана внутри штриховой линии. Из входной цепи схемы исключен источник напряжения обратной связи h12Э·UКЭ. ввиду малости коэффициента обратной связи (у маломощных транзисторов h12Э = (10-4…10-5) Эквивалентная схема усилителя показана внутри прямоугольника, обведенного сплошной линией.
Рис. 1.11. Эквивалентная схема усилительного каскада для малого сигнала
Входное сопротивление усилителя r вх равно параллельному соединению Rб и h11Э, где Rб = R1 || R2.
(1.32)
Если Rб >>h11Э, то rвх = h11Э (1…10 кОм).
Выходное сопротивление усилителя R ВЫХ равно:
(1.33)
где rкэ = 1/h22Э (50…100) кОм.
Если rкэ >> RК, то rвых = RК.
Коэффициент усиления усилителя в режиме холостого хода Кхх (при отключенной нагрузке):
(1.34)
где напряжения и токи – действующие значения.
Коэффициент усиления напряжения источника входного сигнала при подключении нагрузки (КН):
(1.35)
где 
(1.36)
Приведенным выше параметрам соответствует обобщенная схема замещения входной и выходной цепей усилительного каскада с ОЭ, приведенная на рис. 1.12.
Рис. 1.12. Обобщенная схема замещения
Усилительного каскада с ОЭ
Основной недостаток усилительного каскада с ОЭ – небольшое значение входного сопротивления. Это увеличивает ток и мощность потерь источника сигнала, а также падение напряжения на его внутреннем сопротивлении.
Усилительный каскад с ОК. Усилительный каскад с ОК больше известен как эмиттерный повторитель (ЭП). Схема простейшего ЭП приведена на рис. 1.13.
Основой схемы ЭП являются два элемента: транзистор и резистор Rэ. Нетрудно убедиться, что выходной сигнал ЭП по фазе совпадает с входным сигналом, т. е. ЭП не инвертирует входной сигнал.
Рис. 1.13. Схема эмиттерного повторителя
Напряжение переменного входного сигнала подаётся между базой и общей шиной, а выходное напряжение снимается между эмиттером и общей шиной устройства. Выходное напряжение ЭП оказывается меньше, чем входное на величину напряжения, прикладываемого между базой и эмиттером транзистора Uбэ. Поэтому напряжение на эмиттере практически повторяет напряжение на базе. Следовательно, коэффициент передачи каскада с ОК по переменному току лишь немного меньше единицы, а поскольку он не инвертирует входной сигнал, то называется эмиттерным повторителем.
Для расчета параметров ЭП рассмотрим схему замещения на рис. 1.14 [1]. Исключим из схемы большое по сравнению с Rэ сопротивление 1/h22, подключенное параллельно Rэ.
Выходное напряжение в режиме холостого хода (ХХ), т. е при отключенной нагрузке Uн.х равно:
(1.37)
По второму закону Кирхгофа для контура «1» напряжение на входе каскада в режиме ХХ Uвх равно:
(1.38)
Из (1.38) находим основные параметры усилительного каскада с ОК. Входное сопротивление без учета шунтирующего влияния большого по величине сопротивления Rб:
(1.39)
Коэффициент передачи в режиме ХХ:
(1.40)
Рис. 1.14 Схема замещения усилительного каскада с ОК
Коэффициент передачи при подключенной нагрузке:
(1.41)
где 
эквивалентное сопротивление нагрузки.
Выходное сопротивление:
(1.42)
Выходное сопротивление эмиттерного повторителя (10…50 Ом) значительно меньше выходного сопротивления усилительного каскада с ОЭ.
Усилительный каскад с общей базой ОБ. По сравнению с усилительным каскадом с ОЭ усилительный каскад с ОБ имеет при соизмеримом значении коэффициента усиления напряжения большее значение граничной частоты. Однако он имеет малое входное и большое выходное сопротивления. По этим причинам усилительный каскад с ОБ применяется редко.
1.4.3. Усилительные каскады на полевых транзисторах
По аналогии с усилительными каскадами на биполярных транзисторах с ОБ, ОЭ и ОК различают три типа усилительных каскадов на полевых транзисторах: с общим затвором (ОЗ), общим истоком (ОИ) и общим стоком (ОС).
Рис. 1.15. Схема усилительного каскада с общим истоком
Чаще других используется усилительный каскад с ОИ. Усилительный каскад с ОИ реализуется по типовой схеме, выделенной на рис. 1.15 сплошной линией, в которой назначения всех элементов аналогичны их назначениям в усилительном каскаде на биполярном транзисторе с ОЭ (см. рис. 1.7), а режиму малого сигнала соответствует обобщенная схема замещения на рис. 1.12. Основное достоинство усилительного каскада на полевом транзисторе с ОИ – это большое входное сопротивление (102 – 103 кОм) при соизмеримых значениях входного сопротивления каскада с ОЭ (10 – 100 кОм) и коэффициента усиления в режиме холостого хода (10 – 100).
Усилительный каскад с общим стоком (ОС) (рис. 1.16), называемый также истоковым повторителем, функционально подобен эмиттерному повторителю (см. рис. 1.13).
Коэффициент усиления напряжения истокового повторителя близок к единице (Кux = 0,8 – 0,9), выходное сопротивление rвых. = 10 = 50 Ом, а входное сопротивление rвх. = (1 – 102) МОм (без учета шунтирующего влияния резистора Rз).
Рис. 1.16. Схема истокового повторителя
В качестве приемника энергии к выходу усилительного каскада может быть подключен тоже усилительный каскад. Их совокупность образует многокаскадный усилитель. В усилителях низких и высоких частот, а также в широкополосных и узкополосных усилителях электрическая связь между каскадами осуществляется посредством конденсаторов, а в усилителях постоянного тока – резисторами или непосредственными связями. В последнем случае любые изменения постоянного напряжения на входе одного каскада из-за нестабильности параметров транзистора при действии дестабилизирующих факторов, обычно температуры, влияют на режим работы других каскадов, что приводит к изменению напряжения на выходе многокаскадного усилителя даже при отсутствии усиливаемого сигнала. Это явление называется дрейфом нуля. Уменьшить дрейф нуля и получить другие полезные качества позволяют дифференциальные усилительные каскады.
1.4.4. Дифференциальный усилительный каскад постоянного тока
Наиболее распространена схема дифференциального усилительного каскада на основе моста постоянного тока (рис. 1.17, а), плечи которого образованы резисторами Rк и биполярными транзисторами одного типа проводимости. Цепи эмиттеров объединены и в них включено сопротивление Rэ по величине, что очень существенно, значительно больше, чем Rк. Для лучшей балансировки моста транзисторы изготавливают по единой технологии на одном кристалле, так что их параметры отличаются на 1 – 5%. Дифференциальный усилительный каскад имеет два входа и два выхода. Сопротивление нагрузки обычно включается между двумя выходами.
Рис. 1.17. Дифференциальный усилительный каскад:
Дата: 2019-07-30, просмотров: 266.
