Назначение элементов усилительного каскада

Усилительный режим транзистора определяется постоянными напряжениями между электродами и токами, протекающими в цепях электродов. Их задают элементы внешних цепей транзистора, которые составляют схему его включения. Усилительный прибор, его обвязка, источник питания и нагрузка образуют усилительный каскад.

Рис.20 Схема усилительного каскада на транзисторе с ОЭ

Обозначения в схеме:

R_ВХ.V~ и R_ВЫХ.V~ - входное и выходное сопротивления транзистора V1 переменному току без

учёта элементов внешней цепи (обвязки).

R_ВХ.~ и R_ВЫХ.~ - входное и выходное сопротивления усилительного каскада.

R_U - сопротивление источника сигнала.

R_Н~ - эквивалентное сопротивление нагрузки каскада переменному току.

R_ВХ.СЛ - входное сопротивление следующего каскада.

U_m.ВХ - амплитуда входного сигнала.

U_m.ВЫХ - амплитуда выходного сигнала.

Примечание: Все сопротивления цепей измерены в направлении стрелки при разрыве схемы вдоль пунктирных линий.

Независимо от схемы включения транзистора: с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) или общим коллектором (ОК) назначение элементов усилительного каскада одинаково.

Рассмотрим назначения элементов стандартной обвязки транзистора включённого с общим эмиттером (ОЭ) в типовой схеме усилительного каскада (Рис.20).

- 17 -

Развязывающий фильтр по питанию R_ф С_ф.

При питании усилителя от выпрямителя фильтр по питанию R_фС_Ф обеспечивает сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения электрической сети Е_К.

Но более важную роль он выполняет в многокаскадном усилителе при развязке (устранение связей) каскадов, которые питаются от общей шины Е_К. Если внутреннее сопротивление источника питания R_i(Рис.21) отличное от нуля и составляет единицы или даже доли Омма, то переменные токи оконечных каскадов усилителя мощности достигающие единиц Ампер образуют на нём падения напряжения ΔU = I_ВЫХ R_i. Это значит, что напряжение питания предварительных каскадов и особенно чувствительного входного каскада U₀ = E_K - ΔU не будет постоянным. Оно изменяется пропорционально сигналу за счёт паразитной обратной связи между каскадами.

Развязывающие фильтры по питаниюR_ф С_ф с большой постоянной времени в каждом каскаде устраняют паразитные связи между этими каскадами.

Рис.21 Схема образование паразитных связей между каскадами.

Сопротивление резистора R_Ф выбирается из расчёта допустимого снижения к.п.д. усилителя и лежит в пределах от долей Ома в оконечных каскадах до единиц кОм в маломощных каскадах, так чтобы ΔU = (0,1…0,2) E_K. Тогда ёмкость конденсатора С_Ф для звуковых частот может достигать десятки и сотни мкФ, а для её расчёта можно пользоваться приближённой формулой

С_Ф > 10 ⁄(2π F_Н R_Ф)

Базовый делитель R_Б1 R_Б2.

Два резистора R_Б1 и R_Б2, включённых последовательно по постоянному току между шиной питания E_K и общим проводом, являются базовым делителем напряжения питания и образуют начальное базовое смещение U_0Б = U_Б – U_Э между базой и эмиттером транзистора V1. Это напряжение U_0б определяет режим работы транзистора: А, В или АВ.

Чем меньше сопротивления резисторов R_Б1 R_Б2 тем выше температурная стабильность каскада, но при этом недопустимо снижается входное сопротивление каскада по переменному току R_ВХ~, для которого R_Б1, R_Б2 и R_ВХ.V~ (входное сопротивление транзистора) включены параллельно.

R_ВХ~ = (R_ВХ.V~∙R_Б) ⁄(R_ВХ.V~ +R_Б), где R_Б = (R_Б1 ∙ R_Б2) ⁄(R_Б1 + R_Б2)

Поэтому типовыми значениями номиналов резисторов базового делителя для каскадов предварительного усиления являются: R_Б1 – десятки кОм, R_Б2 – единицы - десятки кОм.

Сопротивление коллекторной нагрузки R_К.

Резистор R_К образует путь протекания коллекторного тока покоя I_0К, который определяется выбранным режимом работы транзистора V1 (А, В или АВ).

В сильной степени сопротивление коллекторной нагрузки R_К влияет на усилительные свойства транзистора, так как от его номинала зависит угол наклона выходной динамической характеристики. Чем больше сопротивление резистора R_К (десятки кОм) тем больше коэффициент усиления каскада по напряжению К_U и, наоборот, чем меньше R_К (сотни Ом) – тем больше коэффициент усиления по току К_I.

- 18 -

Максимальное усиление мощности будет при соизмеримых значениях R_К и R_ВЫХ.V~ (выходного сопротивления транзистора переменному току).

По переменному току сигнала сопротивление коллекторной нагрузки R_К включено параллельно R_ВЫХ.V~ и может привести к недопустимому снижению выходного сопротивления каскада R_ВЫХ.~.

Резистор автосмещения R_Э.

Эмиттерный ток транзистора I_Э (как постоянный I_0Э так и переменный I_mЭ), протекая через резистор R_Э образует на нём падение напряжения U_Э. Это напряжение является напряжением обратной связи U_ОС, так как связано с входными параметрами транзистора выражением: U_0Б = U_Б – U_Э,

где U_Б – напряжение на базе V1, измеренное по отношению общего провода.

Как будет доказано в последующих темах, отрицательная обратная связь (ООС) противодействует изменению параметров усилительного каскада, обеспечивая стабилизацию его режима, в том числе и температурного.

Например, повышение температуры tºС вызывает увеличение эмиттерного тока I_0Э и U_Э, но при этом автоматически уменьшается начальное базовое смещение U_0Б = U_Б – U_Э, которое подзапирает транзистор и, как следствие, уменьшает эмиттерный ток, компенсируя его зависимость от температуры. Отсюда название R_Э – резистор автосмещения. Таким образом ООС по постоянному току благоприятно сказывается на стабильность режима работы усилительного каскада.

Но за счёт протекания тока сигнала I_mЭ через R_Э образуется ООС по переменному току, которая уменьшает, к сожалению, коэффициент усиления каскада. Включив параллельно резистору R_Э конденсатор большой ёмкости С_Э, можно уменьшить эквивалентное сопротивление эмиттерной цепи на несколько порядков для самых низких рабочих частот.

Конденсатор С_Э предназначен для устранения отрицательной обратной связи по переменному току, в результате чего можно избежать снижения коэффициента усиления.

Разделительные конденсаторы С_Р1С_Р2

Разделительные конденсаторы С_Р1 С_Р2– устраняют связь между каскадами по постоянному току. При их отсутствии режимы работы всех транзисторов гальванически (непосредственно) связанных между собой будут взаимозависимы. Причём, незначительное изменение режима первого транзистора за счёт усилительных свойств приведёт к недопустимому изменению режима последнего.

Ёмкость разделительных конденсаторов выбирается из расчёта, чтобы их реактивное сопротивления ХСр самым низким рабочим частотам FН было хотя бы на порядок меньше эквивалентного сопротивления последующих нагрузочных цепей RЭКВ. ХСр = 1 ⁄(2πFН СР) << 0,1 RЭКВ

Емкость межкаскадного разделительного конденсатора в усилителях звуковых частот УЗЧ достигают десятки и сотни микрофарад (мкФ), а выходного разделительного конденсатора, перед громкоговорителем – тысячи мкФ. В высокочастотных цепях ёмкость С_Р уменьшается обратно пропорционально рабочей частоте. При использовании полевого транзистора с большим входным сопротивлением, С_Р составляет доли мкФ (например 0,1 мкФ).

2. Принцип работы усилительного каскада(Рис.22)

В режиме покоя (при отсутствие сигнала) постоянная составляющая коллекторного тока I_0К протекает от +Е_К через R_К, переход ЭК_VT1, R_Э, - Е_К. Постоянная составляющая коллекторного напряжения, если считать I_0Э ≈ I_0К, равна:

U_0К = Е_К - I_0К (R_К + R_Э )

- 19 -

В усилительном режиме, при подаче сигнала на вход каскада переменная составляющая тока коллекторной цепи I_mК протекает по нескольким параллельным цепям:

1. ЭК_VT1 → С_Р2 → ЭБ_VT2 → -Е_К (общий провод);

2. ЭК_VT1 → R_К → С_Ф → -Е_К;

3. ЭК_VT1 → С_р2 → R_Б1 → С_Ф → -Е_К ;

4. ЭК_VT1 → С_Р2 → R_Б2 → -Е_К.

Таким образом, полным сопротивлением нагрузки для переменного тока сигнала R_н~ является эквивалентное сопротивление параллельно включённых R_К, R_Б1, R_Б2, R_ВХ.V2,

R_Н~ = (R_К ∙ R_ВХ.СЛ.) ⁄(R_К +R_ВХ.СЛ.),

где R_ВХ.СЛ = (R_ВХ.V2~ ∙ R_Б1 ∙ R_Б2) ⁄(R_ВХ.V2~ ∙ R_Б1 + R_ВХ.V2~ ∙ R_Б2 + R_Б1 ∙ R_Б2)

Рис.22 Схема усилительного каскада с ОЭ.

Полезной является только составляющая выходного тока усиленного сигнала I_mБ2, протекающая по первой из перечисленных ветвей, так как только она будет усиливаться в следующем усилительном каскаде. Остальные постоянные и переменные токи, протекая через элементы обвязки транзистора, приведут к рассеиванию энергии источника питания и сигнала, снижая к.п.д каскада.

Прохождение и обработка сигнала в цепях усилительного каскада наглядно видно по осциллограммам в характерных точках схемы, приведённых на Рис.22.

При подаче на вход каскада сигнала U_m.ВХ ранее постоянные напряжения в схеме U_0Б, U_0К, U_0Э станут пульсирующими U_mБ, U_mК, U_mЭ, изменяясь синхронно амплитуде входного сигнала. На осциллограммах видно, что напряжения сигналов U_mБ, U_mК, U_mЭ, буду смещены по отношению оси времени в положительную или отрицательную область на величину постоянных потенциалов в этих точках U_0Б, U_0К, U_0Э, в зависимости от полярности источника питания “+ Е_К” или “- Е_К”.

Только при единственном включении транзистора по схеме с ОЭ фаза выходного сигнала (осциллограммы U_mК и как следствие U_m.ВЫХ), снимаемого с коллектора изменится на 180º. Поэтому каскад с включением транзистора по схеме с ОЭ называется инверсным. При других включениях транзистора с ОК и ОБ выходной и входной сигналы всегда совпадают по фазе.

Для определения схемы включения транзистора с ОЭ, ОК, ОБ необходимо пользоваться следующим правилом (пример для ОЭ):

- 20 -

Если входной сигнал подаётся в базовую цепь транзистора, а выходной снимается с коллектора, то третий электрод – эмиттер, является общим для входного и выходного сигнала независимо от того, как он включён в схему.

На Рис.23 и Рис.24 представлены схемы с включением транзисторов с общим коллектором ОК и общей базой ОБ и приведены их особенности.

Рис.23 Схема усилительного каскада с ОК.

Важными свойствам усилительного каскада с транзистором, включенным с ОК являются:

1. Большое входное R_ВХ (десятки кОм) и малое выходное (десятки Ом) сопротивления, что улучшает согласование с предыдущими и последующими каскадами.

2. Входной сигнал не инвертируется, т.е. входной U_ВХ и выходной U_ВЫХ сигналы совпадают по фазе (φ = 0).

3. Коэффициент усиления по напряжению меньше единицы (К_U < 1, но К_I >> 1).

Рис.24 Схема усилительного каскада с ОБ.

Свойство транзисторного усилительного каскада с ОБ противоположные свойствам каскада с ОК. Каскады с включением транзистора по схеме с ОБ в низкочастотных усилителях УНЧ (звуковых частот УЗЧ) практически не используются.

- 21 –