Принцип работы каскада по схеме с общим эмиттером

 

Простейший усилительный каскад по схеме с общим эмиттером приведен на рис. 12.6а. При схемном изображении транзистора и источников этот каскад принимает вид рис. 14.1а. Для анализа принципа работы каскада построим его передаточную характеристику (рис.14.1б).

С увеличением входного сигнала (U_бэ) растет ток базы I_б (см.рис. 12.6в), а значит и ток коллектора, причем:

 

,

 

Ток коллектора создает падение напряжения на резисторе , причем , а также на дифференциальном сопротивлении участка коллектор-эмиттер транзистора - , причем всегда .

Рост тока коллектора означает уменьшение R_кэ, а значит и U_кэ. При этом на постоянном сопротивлении резистора падение напряжения увеличивается. Так как дифференциальное сопротивление R_кэ вычислять сложно, падение напряжения на участке коллектор-эмиттер транзистора находят как разность:

 

.

И так, с увеличением тока коллектора I_к увеличивается падение напряжения на резисторе R_к и уменьшается напряжение U_кэ , т.е. выходное напряжение каскада (рис.14.1б).

Когда ток коллектора достигает насыщения (т.е. максимального значения), напряжение на участке коллектор-эмиттер транзистора достигает наименьшего значения. Это значение называют напряжением насыщения - U_кэн, причем:

.

 

Как правило, это напряжение составляет десятые доли вольта, оно пренебрежимо мало в сравнении с Е_к, поэтому иногда им пренебрегают, полагая . Дальнейшее увеличение U_бэ не может вызвать изменений тока I_к и напряжения U_кэ.

Анализ передаточной характеристики позволяет выделить три характерных участка (они обозначены римскими цифрами). На участке I через транзистор протекает только неуправляемый обратный ток коллекторного перехода. Сопротивление . Практически все напряжение источника Е_к падает на сопротивление R_кэ, т.е. .

На участке II напряжение на коллекторе транзистора можно изменять в пределах , а ток - в пределах . Эти изменения являются результатом регулировки параметров U_бэ, I_б маломощного источника сигнала.

Например , а . Отношение обозначают К_U и называют коэффициентом усиления по напряжению. В нашем примере К_U=50. Кроме того, увеличение напряжения U_бэ приводит к пропорциональному уменьшению напряжения U_кэ, т.е. знаки приращений входного и выходного сигналов противоположны. Такие усилители называют инвертирующими.

На участке III . Транзистор теряет свойства усилительного элемента.

Передаточная характеристика позволяет рассмотреть различные режимы работы усилительного каскада (классы усиления). При работе в классе «В» напряжение (см. рис.14.1б). На выход передается сигнал только одной полярности. При подаче на вход двухполярного сигнала часть информации будет потеряна.

При работе в классе «А» напряжение . Здесь U_см - напряжение смещения, постоянная величина, не зависящая от U_вх. Когда U_вх= 0, U_бэ = U_см. Такой режим называют режимом покоя, а токи I_б, I_к и напряжения U_бэ и U_кэ называют токами и напряжениями покоя и обозначают I_бп; I_кп; U_бэп; U_кэп. Напряжение смещения U_см выбирают так, чтобы рабочая точка транзистора Т находилась в середине линейного участка II. В этом случае любое приращение входного напряжения вызовет пропорциональное инверсное приращение выходного напряжения , где К_U - коэффициент усиления.

При работе в классе D на вход каскада подается большой сигнал (пунктир на рис. 14.1). Передаваемый сигнал ограничивается сверху и снизу. Такой режим широко применяется в импульсной технике.

Чтобы обеспечить усиление каскада в классе А, на базу транзистора необходимо подать напряжение смещения U_см. Это обеспечивают специальные схемы, которые называют схемами смещения. Рассмотрим наиболее часто применяемые схемы.

Схема смещения с фиксацией тока базы (рис. 14.2а). Фиксация тока базы I_б достигается, когда в цепь базы включается резистор R_б с большим сопротивлением.

Для цепи базы справедливо равенство:

 

.

Отсюда

. (14.1)

В (14.1) и им можно пренебречь.

Из (14.1) следует, что ток покоя базы определяется величиной внешнего сопротивления R_б, не зависит от параметров транзистора и является фиксированной величиной.

Схема с фиксацией напряжения базы (рис.14.2б). Для цепи базы в этой схеме справедливо равенство:

 

.

Отсюда

 

, (14.2)

где - ток делителя.

Чтобы напряжение смещения U_бэ не зависело от параметров входной цепи транзистора, ток делителя I_д необходимо выбирать значительно больше тока базы I_б. Обычно . Тогда:

 

(14.3)

и не зависит от тока базы. Большое значение тока делителя приводит к необходимости дополнительных затрат энергии источника питания. Это недостаток схемы.

Общим недостатком рассмотренных схем является зависимость режима работы транзистора от температуры окружающей среды (температурные изменения токов базы и коллектора, коэффициента передачи тока базы β ). Для устранения температурной зависимости в цепь смещения можно включить элементы коррекции, сопротивление которых зависит от температуры, например терморезистор или диод. Значительно чаще применяют схемы стабилизации с отрицательной обратной связью (ООС).

Рассмотрим наиболее широко применяемую схему стабилизации с ООС по току в цепи эмиттера (14.2в). В качестве элемента ООС используется резистор . Сопротивление участка база - эмиттер транзистора, и образуют замкнутый контур. Для этого контура справедлив второй закон Кирхгофа, согласно которому:

 

.

Отсюда

. (14.4)

 

Выражение (14.4) раскрывает физику стабилизирующего действия ООС. Так если под воздействием дестабилизирующего фактора ток базы I_б начнет возрастать, то увеличится и ток эмиттера , а значит и . Но это приведет к уменьшению напряжения U_бэ настолько, чтобы ток базы принял прежнее значение. ООС всегда препятствует любому изменению тока эмиттера, а значит и тока базы тем эффективнее, чем больше значение R_э. Это значит, что ООС будет препятствовать приращению тока коллектора под воздействием входного сигнала, резко уменьшая коэффициент усиления каскада. Чтобы устранить этот недостаток параллельно R_э включают емкость С_э. Значение емкости выбирают из условия на минимальной частоте сигнала. В этом случае переменная составляющая (сигнал) будет замыкаться по С_э, а медленно изменяющиеся составляющие температурной нестабильности - по R_э. Каскад сохраняет высокий коэффициент усиления и стабильность свойств в широком диапазоне температуры окружающей среды.

К основным параметрам усилительных каскадов относятся входное R_вх и выходное R_вых сопротивления, коэффициент усиления по напряжению К_U и др. Значение параметров, как правило, определяют по переменной составляющей в классе усиления А. Для переменной составляющей сопротивление источника Е_к равно нулю (т.е. его зажимы 1 - 1^' закорачиваются). Сопротивление R_э также равно нулю, так как резистор закорочен емкостью С_э.

Для оговоренных условий входное сопротивление каскада на рис. 14.2в определим по закону Ома:

 

.

 

Но , где R_эб - эквивалентное сопротивление входной цепи, составленное из параллельно включенных R₂ и R_бэ, т.е.

 

 

. (14.5)

 

Величина R_бэ для маломощных транзисторов порядка 10³ Ом. Величина R₂ порядка нескольких сотен Ом. Значит величина R_вх схемы рис. 14.2в мала. Это ужесточает требования к мощности источника сигнала, т.е. мощность источника должна быть достаточно большой.

Резистор R_к по переменной составляющей оказывается включенным параллельно R_кэ и R_н. Значение R_кэ порядка 10⁴ Ом. Значение R_к - порядка 10³ Ом. Пренебрегая величиной R_кэ получим R_вых » R_э, где

 

. (14.6)

Коэффициент усиления по напряжению:

 

 

. (14.7)

 

Применяя к (14.7) выражения (14.5) и (14.6), получим:

 

 

, (14.8)

где: - коэффициент усиления по напряжению в режиме холостого хода;

- коэффициент потерь сигнала в выходной цепи каскада.

Последнее выражение показывает, что коэффициент усиления каскада по схеме с общим эмиттером зависит от параметров нагрузки.

 

Дифференциальный усилитель

Рассмотренный усилитель по схеме с общим эмиттером применяется достаточно широко, но имеет ряд недостатков - малое входное и большое выходное сопротивления, зависимость коэффициента усиления от параметров нагрузки. Эти недостатки частично или полностью исключены в дифференциальном усилителе.

Простейшая схема дифференциального каскада приведена на рис.14.3. Транзисторы Т₁ и Т₂, а также резисторы R_к1 и R_к2 образуют мост. В диагональ 1 - 1^' моста включены источники питания + Е_к и -Е_к, а также R_э. В диагональ 2 - 2^' включена нагрузка - R_H. Для нормальной работы каскада мост должен быть строго сбалансирован, т.е. R_к1 = R_к2, а транзисторы должны иметь одинаковые параметры, т.е. должны быть изготовлены по одной технологии, на одном кристалле. Поэтому дифференциальные каскады изготовляют в заводских условиях в виде микросхем.

Пусть . Токи транзисторов Т₁ и Т₂ создают на сопротивлении R_э падение напряжения U_Rэ, причем

 

. (14.9)

Это напряжение является напряжением смещения для обоих транзисторов. Так как параметры транзисторов одинаковы, то и токи транзисторов одинаковы т.е. ; ; .Равные коллекторные токи создают на равных сопротивлениях R_к1 и R_к2 равные падения напряжений U_к1=U_к2. Поэтому

 

.

 

Резистор R_э образует цепь ООС по току, обеспечивает температурную стабилизацию и устраняет дрейф нуля ( отклонение U_вых от нуля за счет нестабильности Е_к).

Источник сигнала может подключаться ко входу одного из транзисторов (при этом вход другого транзистора заземляется), либо между базами двух транзисторов. Рассмотрим первый вариант включения. Пусть источник сигнала е(t) включен ко входу транзистора Т₁, т.е. U_вх1 = е. Вход транзистора Т₂ заземлен. Пусть также е > 0. Под воздействием входного сигнала увеличиваются: ток базы ; ток коллектора и ток эмиттера первого транзистора. Приращение тока эмиттера DI_э1 вызывает приращение падения напряжения U_Rэ (см.14.9), т.е. напряжение ООС на участке база-эмиттер транзистора Т₂ и уменьшит ток I_э2 так, что

.

Следовательно ; ; .

Таким образом, благодаря ООС по току, воздействие сигнала на вход одного из транзисторов вызывает равные по величине и противоположные по знаку изменения токов и напряжений в обоих транзисторах.

Отметим, что при подаче сигнала на вход транзистора Т₂ физические процессы каскада не изменятся. Однако полярность выходного сигнала будет противоположной входному.В связи с этим вход транзистора Т₁ называют прямым, а вход транзистора Т₂ - инверсным. Кроме того, ко входам транзисторов можно подключать независимые источники сигналов U_вх1 и U_вх2. В этом случае выходной сигнал (в классе А) может быть найден методом суперпозиции от воздействия каждого из сигналов.

Оценим основные параметры каскада. Для этого учтем, что за счет ООС всегда , а приращения тока базы протекают через входные цепи (участки база - эмиттер) двух транзисторов. Значит:

 

. (14.9)

Тогда

 

 

.

Если R_H= , то

 

. (14.10)

Из (14.10) следует, что ООС не влияет на коэффициент усиления каскада. Следовательно, R_э может быть достаточно большим.

Входное сопротивление каскада определим с учетом (14.9)

. (14.11)

 

Аналогично найдем, что и .

Таким образом, дифференциальный каскад имеет в два раза большие сопротивления R_вх и R_вых, а его коэффициент усиления не зависит от значения R_э.

⇐ Предыдущая891011121314151617Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. I. Этические принципы психолога
2. Rк- определяет максимальный ток коллектора транзистора, создает нагрузку коллекторной цепи и своей величиной влияет на коэффициент усиления каскада.
3. S: Какие принципы относятся к принципам религиоведения?
4. XI. 1.2. Принцип сознательности и активности
5. А-общий вид; б-принципиальная схема; 1-неоновая лампа; 2- шунтирующее сопротивление; 3-добавочное сопротивление; 4-корпус.
6. А. Принцип личной ответственности.
7. А.Лима-де-Фариа. Принципы автоэволюционизма
8. Автоматическая система сепарирования Алькап. Назначение, принцип действия.
9. Автотрансформатор — устройство, экономичность принципы работы и регулирования.
10. аконность: понятие, принципы, гарантии.
11. Аксиоматика теории потребительского выбора, принципы рационального поведения
12. Анализ принципов и последовательности разработки финансовой стратегии предприятия