Усилители напряжения с общим эмиттером

(Усилительный каскад с коллекторной нагрузкой).

Рис.6. Схема усилительного каскада с коллекторной нагрузкой.

Одним из наиболее распространенных усилительных каскадов на биполярных транзисторах является каскад с коллекторной нагрузкой. Транзистор в этом усилительном каскаде соединен по схеме с общим эмиттером, поэтому этот каскад часто называют усилительным каскадом с общим эмиттером (УОЭ), нагрузочный резистор R_k включен в коллекторную цепь транзистора. Полярность источника питания с ЭДС Е_к по отношению к коллекторной цепи зависит от типа транзистора. На рис.6 полярность источника питания соответствует транзистору типа n-p-n.

Усилитель (рис.6) включает в себя все элементы структурной схемы (рис.1): основными элементами усилителя являются источник питания Е_К, усилительный элемент в виде n-p-n транзистора Т и коллекторное сопротивление R_k; входную цепь с источником сигнала Е_Г и выходную – с нагрузочным устройством R_H. Резисторы R_б ( ) и R_к задают режим работы усилительного элемента Т по постоянному току. Разделительные конденсаторы С₁ и С₂ исключают протекание тока от Е_Г и R_H к транзистору, тем самым обеспечивают независимый режим работы по постоянному току усилительного элемента и защищают транзистор от перегрузок в случаях аварийной работы Е_Г и R_H.

Рассмотрим принцип работы УОЭ (рис.6).

Пусть входной сигнал отсутствует u_вх=0. Через элементы усилителя протекает постоянный ток: - ток покоя базовой цепи транзистора, I - ток покоя коллекторной цепи транзистора, вызывающий между электродами транзистора падение напряжения покоя U и U . Важно правильно

Рис.7. Временная диаграмма

изменений токов и напряжений в

усилительном каскаде.

обеспечить режим работы усилителя по постоянному току, т.е. Р.Т. ( , I ,U ,U ), так чтоб усилитель функционировал на линейном участке амплитудной характеристики. Это обеспечивается выбором R_к и R_б. На практике R_к выбирают равным (1-10) кОм . R_б согласно закона Кирхгофа можно определить .

Номинальные значения , I ,U ,U выбирают по входным и выходным характеристикам транзисторов, которые приводятся в справочниках, или по переходным характеристикам (рис.5).

В соответствии с зависимостью U_кэ=f(U_бэ) на рис.5 напряжение U_кэ начинает уменьшаться(точка B^/) при увеличении напряжения U_бэ, с того значения, когда начинает расти ток Iб (Iб=f(Uбэ)). Объясняется это тем, что увеличение Iб вызывает рост тока Iк через транзистор. Следовательно, увеличивается напряжение на резисторе Rк по закону Ома и в соответствии со 2-м законом Кирхгофа уменьшается напряжение на коллекторе транзистора U_кэ:

U_кэ = E_к - I_к R_к

(участок BA характеристики). Этот линейный участок является рабочим и определяет интервал колебаний переменных напряжений на входе и выходе усилителя относительно постоянных значений Uбэ₀ и Uкэ₀. Таким образом, эти значения Uбэ₀ и Uкэ₀ лежат в середине линейного участка, они обозначены Р.Т., т.е. это рабочая точка усилителя. По статической характеристике I_б=f(U_бэ) определяется ток покоя базы Iб₀ , ему соответствует ток покоя коллектора Iк₀=bIб₀. Совокупность значений U_бэ0, U_кэ0, I_б0, I_к0 транзистора задаёт режим покоя. Накладывая на указанные постоянные составляющие переменные составляющие от входного сигнала в пределах участка AB, получим колебания напряжений на электродах транзистора, соответствующие линейному режиму.

Работа усилительного каскада может быть показана с помощью рис.7. Пусть напряжение на входе усилителя возрастаетна величину DU_вх, это приведет к увеличению напряжения DU_бэ, входного базового тока I_б и тока коллектора транзистора . Сопротивление коллектор-эмиттерного перехода транзистора падает и, согласно закона Ома, уменьшается напряжение U_кэ=U_вых. Сказанное можно записать с помощью условной диаграммы: (где знак - величина возрастает, - величина уменьшается). Если входное напряжение будет изменяться по синусоидальному закону , то выходное напряжение также имеет синусоидальную форму (это хорошо иллюстрирует временная диаграмма работы усилителя (рис.7)). Следует заметить, что усилитель меняет фазу сигнала на 180⁰ (см. рис. 7), это означает, что УОЭ является инвертирующим.

Благодаря тому, что ток коллектора во много раз превышает ток базы (b=20÷200), а сопротивление Rк больше Rвх, выходное напряжение усилительного каскада с коллекторной нагрузкой получается во много раз больше входного напряжения, а коэффициент усиления по напряжению УОЭ составляет Кu = 10 ¸ 100.

Для температурной стабилизации усилительного каскада, т.е. фиксации положения рабочей точки на линейном участке характеристики, в цепь эмиттера включают резистор R_э, шунтированный конденсатором С_э (рис.6). Повышение температуры окружающей среды приводит к увеличению токов транзистора Iб₀ и Iк₀ ( ) и изменению положения РТ (рис.5). Режим работы по постоянному току входной цепи УОЭ (рис.6) определяется по 2-му закону Кирхгофа , поэтому увеличение I_э0, согласно этому уравнению, приводит к уменьшению U_бэ0, т.к. первое слагаемое уравнения постоянно и не зависит от Т ^оС. Уменьшение закрывает транзистор Т и уменьшает I_б0 до прежней величины. Сказанное отражается с помощью условной диаграммы:

ΔT^oC↑→I ↑→I ≈ I ↑→U ↓→ U ↓

Однако включение резистора R_э уменьшает К_u усилителя, т. к. часть полезного (усиливаемого сигнала) u_вх выделяется на нем и не усиливается транзистором (уравнение для входной цепи усилителя по переменному току запишется u_бэ=u_вх-R_эi_э). Чтобы этого избежать резистор R_э шунтируется конденсатором Сэ, емкость которого выбирается таким образом, чтобы для всех частот усиливаемого переменного сигнала его сопротивление было много меньше Rэ, тогда переменная составляющего тока эмиттера проходит через конденсатор Сэ, почти не вызывая падения напряжения на резисторе Rэ. В результате падение напряжения на резисторе Rэ от постоянной составляющей тока практически не меняется а, следовательно, переменное напряжение на входе каскада оказывается равным переменному напряжению между базой и эмиттером u_вх»u_бэ, т.е. усиливаемое напряжение не меняется за счет цепочки RэСэ (стабильно при изменении температуры).

Приведенная схема усилительного каскада хорошо стабилизирована в диапазоне температур от –60°C до +60°C, при этом значение сопротивления R_э выбирают наименьшим по величине (обычно R_э»(10¸100) Ом), чтобы обеспечить минимальные энергетические потери.

Характеристики УОЭ:

Входное сопротивление R_вх=h₁₁=n·100Ом (n=1,2…); выходное сопротивление R_вых ≃R_к = (1-10)кОм: коэффициент усиления по напряжению К_u ≃ b R_к/ R_вх » 10-100; .

Анализ работы усилительного каскада проводится по статическим входным и выходным характеристикам транзистора графоаналитическим методом. Для коллекторной цепи усилительного каскада (рис.6) в соответствии со вторым законом Кирхгофа можно записать следующее уравнение электрического состояния:

Е_к = U_к + R_кI_к .

На выходных статических характеристиках биполярного транзистора строится линия нагрузки, т.е. вольтамперная характеристика коллекторного резистора Rк, получаемая из предыдущего выражения (рис. 8а).

U_к = Е_к – R_кI_к.

Эту прямую строят по двум точкам, в которых она пересекает оси:

ось абсцисс в точке U_к = Е_к при I_к = 0,

ось ординат в точке I_к = Е_к/R_к при U_к = 0.

Наклон линии нагрузки определяется резистором Rк, а именно:

tga = m_i / R_к*m_u,

где a - угол наклона линии нагрузки к оси абсцисс, m_i и m_u – масштабные коэффициенты для тока и напряжения. Значения токов iк, i_б, напряжений на коллекторе u_к и на резисторе u_Rк определяются точкой пересечения линии нагрузки с соответствующей выходной характеристикой, причем эта точка при пульсациях входного напряжения перемещается вдоль линии нагрузки.

В режиме покоя (U_вх = 0) положение рабочей точки выбирается в середине рабочей области характеристик, ограниченной гиперболой PQ допустимой мощности, рассеиваемой транзистором, а также максимально допустимыми током I_кmax и напряжением транзистора U_кэmax (рис. 8а).

Iк P Pк_max I_б6

Iк_max I_б5

Eк/Rк

i_к A I_б4

I_б3

Iк_m

t В(P.T.)

I_б2

Iк₀ С I_б1

Q

Uкэ

Uкэ₀ Um_вых Ек Uкэ_max

u_вых а)

t

I_б

U_кэ =0 U_кэ ≠ 0

Iб5 А

i_б Iб_m

t B P.T.

Iб₀

Iб₁

С

U_бэ

u_вх

Vбэ₀ t б)

Рис. 8 . Определение рабочего режима усилителя с помощью входных (а) и выходных (б) статических характеристик транзистора.

Такое положение рабочей точки В на линии нагрузки, когда отрезки АВ и ВС равны, обусловлено стремлением получить высокую степень линейности режима усиления при минимальном потреблении мощности каскадом в режиме покоя. Снизу участок линейного усиления на линии нагрузки ограничен минимально допустимым током коллектора (точка С), соответствующий ему минимальный ток базы (точка С^/ на рис. 8б) определяется началом линейного участка входной характеристики. Все входные характеристики транзистора располагаются достаточно близко, поэтому в качестве динамической входной характеристики используется положение средней при U_кэ ¹ 0 (например, при U_кэ = 5 В). Точка А на линии

нагрузки соответствует уменьшению коэффициента передачи по току b транзистора при больших величинах тока I_к (т.е. нарушению линейности).

Точке А на выходных характеристиках соответствует точка А^/ на входных характеристиках транзистора, определяющая максимальный ток базы. Точка B^/ (рабочая точка РТ) соответствует значению тока покоя базы Iб₀.

По положению рабочей точки определяются параметры режима покоя (Iк_0, Iб_0, Uкэ_0, Uбэ₀), а рабочий участок характеристик (АС и А^/С^/) позволяет определить амплитуды переменных составляющих токов базы i_б, коллектора i_к, напряжений u_бэ=u_вх и u_кэ=u_вых, и вычислить коэффициенты усиления каскада.

Описанный режим работы усилителя соответствует классу А. В зависимости от положения рабочей точки покоя на динамической характеристике различают режимы работы транзистора в схеме – классы А, В, АВ и С.

При работе в режиме класса А рабочая точка покоя выбирается посередине. Этот режим обеспечивает минимальные нелинейные искажения но к.п.д. каскада мал.

С целью повышения к.п.д. усилителя используются классы усиления В, АВ и С, однако в этих классах велики нелинейные искажения сигнала.

В классе В напряжение смещения Uбэ₀ равно нулю и точка покоя располагается в нижнем конце линии нагрузки.

Класс АВ – промежуточный между классами А и В.

В классе С точка покоя выбирается в области отсечки и при отсутствии входного сигнала транзистор заперт.