Усилительные каскады на биполярных транзисторах

Усилители, как правило, выполняют из нескольких каскадов, осуществляющих последовательное усиление сигнала. В зависимости от выполняемых функций усилительные каскады разделяют 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.

Принцип построения каскада усиления по напряжению показан на рис. 4.3.

Основными элементами каскада являются управляемый элемент УЭ, функцию которого выполняет биполярный или полевой транзистор, и резистор R. Совместно с источником питания Е эти элементы образуют выходную цепь каскада. Усиливаемый сигнал u _вх, принятый для простоты синусоидальным, подается на вход УЭ. Выходной сигнал напряжения снимается с выхода УЭ или с резистора R.

Выходное напряжение создается за счет падения напряжения на резисторе R при протекании по нему выходного тока усилительного элемента УЭ. Поскольку ток УЭ изменяется по закону, заданному входным напряжением, то и падение напряжения на резисторе R изменяется во времени по такому же закону. В соответствии со структурной схемой рис. 4.3, а закон изменения выходного напряжения определяется выражением

u _вых = E – i(u _вх )R,

где второе слагаемое определяет переменную составляющую выходного сигнала.

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

Следует особо подчеркнуть назначение резистора R в структурной схеме каскада рис. 4.3, а. Оно состоит в преобразовании источника тока, каковым является выходная цепь и биполярного и полевого транзисторов, в источник напряжения с внутренним сопротивлением R. Строго говоря, выходное сопротивление каскада равно сопротивлению параллельно соединенных резистора R и выходного сопротивления УЭ. Однако выходное сопротивление транзисторов очень велико (выполняется условие r _УЭ >> R), поэтому практически не оказывает влияния на выходное сопротивление каскада.

Ток выходной цепи является однонаправленным, поэтому для обеспечения работы усилительного каскада при переменном входном сигнале в его выходной цепи должны быть созданы постоянные составляющие тока I ₀ и напряжения U ₀ (рис. 4.3, б). Эту задачу решают путем подачи во входную цепь каскада кроме переменного усиливаемого сигнала соответствующего постоянного напряжения U _0вх (рис. 4.3, а), или постоянного входного тока I _0вх.

Постоянные составляющие тока и напряжения определяют так называемый режим покоя усилительного каскада. Параметры режима покоя во входной цепи (U _0вх и I _0вх) и в выходной цепи (U ₀ и I ₀) характеризуют состояние схемы в отсутствие входного сигнала.

Показатели усилительных каскадов зависят от способа включения транзистора, выполняющего роль управляемого элемента. В связи с этим анализ усилительных каскадов на биполярных транзисторах проводится для трех способов включения: с общим эмиттером ОЭ, общим коллектором ОК и общей базой ОБ.

Усилительный каскад ОЭ

Особенности усилительных каскадов ОЭ рассмотрим на примере схемы рис. 50, получившей наибольшее распространение при реализации каскада на дискретных компонентах.

Основными элементами схемы являются источник питания Е_к, управляемый элемент – транзистор VT и резистор R _к. Эти элементы образуют главную цепь усилительного каскада, в которой за счет протекания коллекторного тока, управляемого по цепи базы, создается усиленное переменное напряжение на выходе схемы.

Резисторы R 1, R 2 используются для задания режима покоя каскада. Резистор R 1 предназначен для создания цепи протекания тока базы покоя I _0б, который определяет величину тока покоя коллектора

I _0к = b I _0б + I _ко ^*

где тепловой ток I _ко ^* , который при нормальной (комнатной) температуре можно не учитывать ввиду его малости. Резистор R 2 совместно с резистором R 1 обеспечивает исходное напряжение на базе U_{R 2} относительно ²общего провода" (зажима "-" источника питания).

Резистор R _э осуществляет отрицательную обратную связь по току и предназначен для стабилизации режима покоя при изменении температуры. Конденсатор С_э шунтирует резистор R _э по переменному току, исключая тем самым проявление отрицательной обратной связи по переменному току и соответсвующее уменьшение коэффициентов усиления каскада.

Проявление стабилизирующего действия сопротивления R _э на ток I _0к можно показать на схеме рис. 4.4. Допустим под влиянием температуры увеличился ток I_0к из-за увеличения тока I _ко ^*. В такой же степени увеличится и ток эмиттера I _0э = I _0к + I _0б и напряжение U_{R э} = I _0э R _э на сопротивлении R _э. Напряжение U_{R 2} можно считать постоянным, так как при проектировании каскада выбирается ток делителя I _д на порядок больше тока базы покоя транзистора I _д » 10 I _0б. Поэтому напряжение покоя эмиттер-база транзистора уменьшается U _0эб = U_{R 2} - U_{R э}. В соответствии со входной характеристикой транзистора уменьшается и ток базы I _0б, вызывая уменьшение тока покоя коллектора I _0к, чем создается препятствие наметившемуся увеличению тока I_0к.

Анализ и расчет каскада по постоянному току проводят графо-аналитическим методом, основанным на использовании входных и выходных характеристик транзистора (рис. 4.5). Тип транзистора выбирают с учетом частотного диапазона работы каскада (по частоте f _a или f _b), а также параметров по току, напряжению и мощности. Максимально допустимый ток коллектора транзистора I _{к доп} должен быть больше наибольшего мгновенного значения тока коллектора в каскаде, т.е.

I_{k max} = I_0k + I_km < I _{к доп} .

По напряжению транзистор выбирают из соотношения

U _{кэ доп} > Е_к.

Мощность Р_к = U _0к I _{0 k}, рассеиваемая на коллекторном переходе, должна быть меньше максимально допустимой мощности Р_{к доп} транзистора.

В качестве исходных данных для расчета выбирают, как правило напряжение источника питания Е_к, параметры точки покоя I _0к , U _0кэ (координаты точки П на рис. 4.5, б – они могут определяться непосредственно по характеристикам), сопротивление нагрузки R _н, коэффициент усиления транзистора b и нижнюю граничную частоту f _н усиливаемого сигнала. При выполнении расчетов используют некоторые допущения, используемые в практике применения каскадов ОЭ.

Считается, что для хорошей температурной стабилизации точки покоя следует выбирать U_{R э} = 0,2 Е_к, поэтому эмиттерное сопротивление

.

В соответствии с законами Ома и Кирхгофа коллекторное сопротивление будет равно

.

На выходных характеристиках транзистора рис. 4.5, б проводят линию нагрузки по постоянному току, представляющую собой геометрическое место точек, координаты которых I _к и U _кэ соответствуют возможным значениям точки покоя каскада. Для построения линии нагрузки по постоянному току достаточно двух точек, так как она представляет собой прямую линию (линейное сопротивление R связывает между собой ток и напряжение каскада).

Первую точку найдем, создав режим "холостого хода", т.е., положив I _к = 0. Тогда напряжение между коллектором и эмиттером транзистора U _кэ будет равно напряжению источника питания Е_к, так как падение напряжения на R _к равно нулю. Точка находится на оси абсцисс с напряжением Е_к.

Вторую точку найдем, создав режим короткого замыкания, положив U _кэ = 0. При этом ток коллектора транзистора должен быть равен I _к = Е_к/( R _к + R _э ). Отложив это значение тока на оси ординат, получим вторую точку.

Линия, соединяющая первую и вторую точки, является линией нагрузки по постоянному току. Аналитическое уравнение линии нагрузки по постоянному току имеет вид

U _кэ = Е_к – I _к ( R _к + R _э ).

На этой линии находится точка покоя П (рис. 4.5, б), которой соответствует точка покоя П на входной характеристике (рис. 4.5, а). Величина тока I _0б, соответствующего этой точке находится из очевидного соотношения I _0б = I _0к / b (или определяется из семейства выходных характеристик).

Резисторы R 1, R 2, обеспечивающие ток покоя базы, найдем, используя принимаемое из практических соображений допущение I _д » 10 I _0б. Тогда величина сопротивления резистора R 2 определится из соотношения

,

где величина U _0эб находится по входной характеристике рис. 3.38, а. По резистору R 1 кроме тока I _д протекает ток базы транзистора, поэтому

.

Величины емкостей конденсаторов С1 и С2 выбирают с таким расчетом, чтобы их реактивное сопротивление не вносило затухания в полезный сигнал, проходящий через них соответственно от источника сигнала на вход каскада и с выхода каскада к нагрузке.

При определении переменных составляющих выходного напряжения каскада и коллекторного тока используют линию нагрузки каскада по переменному току. При этом надо учесть, что сопротивление R _э зашунтировано конденсатором С_э, сопротивление которого переменному току практически равно нулю, так же как и сопротивление конденсатора С2, соединяющее нагрузку R _н с коллектором. Если к тому же учесть, что сопротивление источника питания Е_к переменному току также близко к нулю, то окажется, что сопротивление каскада по переменному току определяется сопротивлениями R _к и R _н, включенными параллельно, т.е.

R _{н ~} = R _к || R _н

меньше, чем сопротивление каскада постоянному току, равному R _н- = R _к + R _э.

Линия нагрузки по переменному току обязательно должна пройти через точку покоя П. Это можно объяснить так: если постепенно уменьшать амплитуду переменного входного сигнала, то в конце концов мы окажемся в точке покоя П (рис. 4.5, б). Вторую точку линии нагрузки по переменному току можно найти, задав приращение тока коллектора ∆ I _к и определив соответствующее ему приращение напряжения коллектор-эмиттер

∆ U _кэ = ∆ I _к R _{н ~} ..

Для того, чтобы эта точка находилась на оси абсцисс, нужно взять ∆ I _к = I _0к (см. рис. 4.5, б). Линия, проведенная через найденные две точки является линией нагрузки каскада по переменному току.

При поступлении на вход каскада переменного напряжения u _вх в базовой цепи транзистора создается переменная составляющая тока базы i _{б ~} , связанная с напряжением u _вх входной характеристикой (рис. 4.5, а). Так как ток коллектора связан с током базы пропорциональной зависимостью i _к = b I _б, то в коллекторной цепи транзистора создаются переменная составляющая тока коллектора i _{к ~} (рис. 4.5, б) и переменное выходное напряжение u _вых, связанное с током i_к~ линией нагрузки по переменному току. Линия нагрузки по переменному току показывает как перемещается рабочая точка ( i _к , u _к ) при изменении мгновенных значений переменного коллекторного тока.

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

Важными показателями каскада являются его коэффициенты усиления по току K_I, напряжению K_U, мощности K_P, а также входное R _вх и выходное R _вых сопротивления. Эти показатели определяются путем расчета усилительного каскада по переменному току.

Расчет каскада производится в области средних частот, в которой зависимость параметров от частоты не учитывается, а сопротивления конденсаторов в схеме рис. 4.4 равны нулю. По переменному току сопротивление источника питания равно нулю, поэтому верхние концы резисторов R 1 и R 2 считаются связанными с выводом эмиттера. Входной сигнал считается синусоидальным. Токи и напряжения в схеме оцениваются их действующими значениями.

Входное сопротивление каскада R _вх равно сопротивлению параллельно соединенных резисторов R 1, R 2 и сопротивления r _вх = h _11э входной цепи (r _эб) транзистора.

R _вх = R ₁ || R ₂ || r _вх.

Входное сопротивление транзистора r _вх определяется по входной характеристике транзистора рис. 3.38, а как дифференциальное сопротивление r _эб транзистора в точке покоя П при токе базы, равном I _0б . Способ определения сопротивления показан на рис. 3.29, б, формула для вычисления (3.13, а).

Выходное сопротивление каскада определяют относительно его выходных зажимов

R _вых = R _к || r _{к (э)} ,

где выходное (коллекторное) сопротивление транзистора r _{к (э)} = 1/ h _22э >> R _к, поэтому можно считать, что R _вых = R _к.

Коэффициент усиления каскада по току равен отношению тока нагрузки к входному току K_I = I _н / I _вх. Выразим ток I _н через I _вх. Для этого вначале определим ток базы транзистора I _б через I _вх

I _б = I _вх R _вх / r _вх.

Ток нагрузки I _н связан с током коллектора транзистора I _к соотношением

I _н = I _к R _{н ~} / R _н.

Учитывая связь между токами коллектора и базы транзистора I _к = b I _б, найдем

I _н = b ( I _вх R _вх / r _вх ) R _{н ~} / R _н.

Окончательно находим

,                                              (4.1)

где R _{н »} = R _{н ~} равно сопротивлению параллельно соединенных резисторов R _к и R _н.

Из (4.1) видно, что K_I пропорционален коэффициенту усиления транзистора b и зависит от шунтирующего действия входного делителя на резисторах R 1, R 2 и соотношения сопротивлений R _к и R _н.

Коэффициент усиления каскада по напряжению K_U = U _вых / U _вх можно найти, выразив входные и выходные напряжения через входные и выходные токи и входные и выходные сопротивления

.

Коэффициент усиления по мощности K_P = K_U K_I в схеме ОЭ составляет (0,2¸5) 10³.

 

 

⇐ Предыдущая891011121314151617Следующая ⇒

Поделиться: