Усилители на биполярных транзисторах

Среди многочисленных вариантов усилительных каскадов самое широкое применение находит каскад на биполярном транзисторе, включенном по схеме ОЭ. Принципиальная схема упрощенного варианта такого каскада приведена на рис. 2.6. В качестве разделительных элементов здесь использованы конденсаторы и , т. е. источник входного сигнала и сопротивление нагрузки подключены соответственно ко входу и выходу каскада посредством емкостной связи. Основой усилительного каскада ОЭ являются два элемента: резистор и n-p-n-транзистор.

При отсутствии входного сигнала усилительный каскад работает в режиме покоя, который иногда называют начальным режимом, а в усилителях переменного сигнала - режимом постоянного тока. С помощью резистора задается ток покоя базы , отсюда ток покоя коллектора . Для большинства линейных усилителей выбирают напряжение на коллекторе в режиме покоя . Отметим, что в режиме покоя напряжение для кремниевых транзисторов.

При подаче на вход рассматриваемого каскада положительной полуволны переменного входного сигнала будет возрастать ток базы, а следовательно, и ток коллектора. В результате напряжение на резисторе увеличится, а напряжение на коллекторе транзистора уменьшится, т. е.произойдет формирование отрицательной полуволны выходного напряжения. Таким образом, каскад ОЭ инвертирует входной сигнал, осуществляет сдвиг фазы между и на 180°

.

Рассмотрим работу усилительного каскада ОЭ по входным и выходным характеристикам. На входной ВАХ биполярного транзистора (рис. 2.7, а) выбираем на линейном участке (для получения минимального ) рабочую точку (ток и напряжение покоя). Затем прикладываем переменный входной сигнал . В результате ток базы станет изменяться от до .

Такой режим работы усилительного каскада принято называть режимом (или классом) А. Это самый распространенный режим для усилителей напряжения. Другие режимы работы каскадов чаще используются в усилителях мощности (см. раздел 2.5).

На выходных ВАХ транзистора (рис. 2.7, б) проводим линию нагрузки по постоянному току , представляющую собой зависимость тока в цепи коллектора от напряжения при заданном напряжении источника питания . Эта зависимость может быть построена по формуле . На практике часто линию нагрузки проводят через две точки: , и , . Очевидно, что наклон линии нагрузки определяется номиналом резистора . Пересечение линии нагрузки с характеристикой, соответствующей , определяет точку покоя на выходных ВАХ, т. е. и .

Теперь можно определить изменение тока коллектора при изменении тока базы от до . Изменяющийся ток коллектора создает переменное напряжение на резисторе и, соответственно, на выходе усилительного каскада . Обращает на себя внимание, что и будут находиться в противофазе, т. е., как уже отмечалось выше, рассматриваемый каскад инвертирует сигнал.

Для более точного определения необходимо учесть, что по переменному току параллельно подключается ( ). Поскольку , то линия нагрузки по переменному току (рис. 2.7, б)будет идти круче. Отметим, что линию нагрузки по переменному току строят по отношению приращений напряжения к току.

Для расчета параметров усилительного каскада по переменному току удобно использовать его малосигнальную эквивалентную схему (рис. 2.8). Она представляет собой модель каскада ОЭ для области средних частот, когда сопротивления разделительных ёмкостей малы, сопротивление емкости коллекторного перехода велико и не наблюдается снижения коэффициента .

В основе схемы рис. 2.8 использована эквивалентная схема транзистора, которая дополнена пассивными элементами усилительного каскада и , а также генератором входного сигнала и . Отметим, что генератор тока шунтируется двумя цепями: и , причем последняя является рабочей цепью нагрузки. Учесть влияние на выходной ток коллектора можно, воспользовавшись эквивалентным параметром , откуда . Здесь и далее под значениями , будем подразумевать амплитудные значения токов.

С помощью эквивалентной схемы для большинства практических случаев можно определить (без учета шунтирующего влияния и ):

. (2.3)

Величина для каскада с ОЭ обычно составляет сотни Ом или единицы кОм.

Наибольший интерес для каскада ОЭ представляет коэффициент усиления по напряжению относительно генератора . Амплитуда выходного напряжения амплитуда тока коллектора , а . Следовательно, проведя подстановки и преобразования, можно записать:

. (2.4)

Эта формула является одной из самых распространенных в полупроводниковой электронике. Знак « - » указывает на инвертирование сигнала. Из (2.4) следует, что для повышения желательно выбирать транзистор с большим , а также в известных пределах увеличивать .

При и (2.4) преобразуется к следующему виду:

(2.5)

Коэффициент усиления каскада по току относительно нагрузки зависит от соотношения сопротивлений и :

(2.6)

где при .

Коэффициент усиления по мощности можно представить как произведение и . Из всех усилительных каскадов на биполярных транзисторах каскад ОЭ обладает лучшими усилительными свойствами. Он хорошо усиливает напряжение, ток и мощность .

Выходное сопротивление усилительного каскада определяется со стороны контактов сопротивления нагрузки при и отключенной нагрузке. Из эквивалентной схемы (рис. 2.8) видно, что определяется двумя цепями: резистором и выходным сопротивлением самого транзистора, близким к . Поскольку обычно , то можно считать, что и составляет единицы кОм.

Рассматриваемый до сих пор вариант усилительного каскада ОЭ (см. рис. 2.6) был удобен для проведенного анализа. Однако на практике он используется довольно редко из-за низкой стабильности режима покоя и коэффициентов усиления. Лучшей стабильностью обладает каскад ОЭ, принципиальная схема которого приведена на рис. 2.9. Все изложенное выше относительно параметров каскада ОЭ (см. рис. 2.6) справедливо и для каскада ОЭ (рис. 2.9).

В усилительном каскаде ОЭ введено два дополнительных резистора и , а также конденсатор .При расчете режима покоя обычно задаются падением напряжения на резисторе , равным . С помощью осуществляется стабилизация режима покоя усилительного каскада, поскольку создается отрицательная обратная связь, которая будет рассмотрена в разделе 2.4.

Итак, предположим, что за счет каких-либо внешних воздействий (повышения температуры, появления радиации и т. д.) ток возрос. При этом увеличится напряжение (знак «+» на эмиттере n-p-n-транзистора), что при постоянном напряжении на базе приведет к уменьшению . Следовательно, уменьшатся и . Таким образом, с помощью резистора , будет поддерживаться постоянство при разнообразных внешних воздействиях. Отметим, что для поддержания постоянного напряжения на базе необходимо иметь .

Если создает отрицательную обратную связь, как по постоянному, так и по переменному току, то первая, как отмечалось выше, стабилизирует режим покоя усилителя, а вторая - снижает .

Для устранения снижения в устройство введен конденсатор , который для переменного тока устраняет отрицательную обратную связь, шунтируя . Отметим, что влияет на работу каскада на низких частотах.

На рис. 2.9 изображена и емкость нагрузки , которая в некоторых случаях может быть подключена к выходу усилительного каскада.

При работе в области средних частот рассматриваемый усилительный каскад (рис. 2.9) может быть представлен с помощью эквивалентной схемы рис. 2.8. Однако при работе в области низких частот наблюдается спад коэффициента усиления (см. рис. 2.5), что обусловлено влиянием конденсаторов , и , поскольку при уменьшении частоты их сопротивление возрастает.

Рассмотрим работу каскада ОЭ в области низких частот (ОНЧ). Влияние разделительных конденсаторов и на коэффициент частотных искажений можно определить отдельно, используя метод суперпозиции. Сразу отметим, что большой вклад в значение вносит цепь конденсатора . Поэтому, если предположить, что дБ , то =0,5 дБ, а 2дБ. Полный будет равен сумме коэффициентов частотных искажений за счет этих трех емкостей. Если эти коэффициенты представлены в относительных единицах, то для определения общего следует взять их произведение.

Поскольку в ОНЧ возрастают сопротивления конденсаторов, то эквивалентную схему каскада для этой области работы необходимо дополнить несколькими элементами (рис. 2.10, а), где .

Сначала рассмотрим влияние . Входную цепь усилительного каскада можно преобразовать к виду, представленному на рис. 2.10,б,где многоэлементная схема заменена эквивалентным сопротивлением , включенным в цепь . Для учета влияния на следует в знаменателе выражения (2.4) к и добавить сопротивление емкости . Для низшей частоты можно записать:

. (2.7)

Теперь, используя (2.4) и (2.7), нетрудно получить:

(2.8)

где - постоянная времени входной цепи усилительного каскада.

Теперь найдем модуль отношения (2.8):

(2.9)

Таким образом, коэффициент частотных искажений на низшей частоте однозначно определяется постоянной времени . Для уменьшения при прочих равных условиях нужно увеличить .

Выражение (2.9) может быть использовано для определения коэффициента частотных искажений на низшей частоте практически для любой цепи любого усилительного устройства. Так, для выходной цепи в (2.9) следует лишь заменить на . В этом нетрудно убедиться, проделав выкладки для выходной цепи рассматриваемого усилителя. В результате получим, что

.

Таким образом, для определения следует найти постоянные времени всех цепей, влияющих на низкой частоте на затем подставить каждую из них в (2.9), а полученные значения коэффициентов частотных искажений сложить.

Для эмиттерной цепи усилительного каскада можно записать:

,

где - выходное сопротивление каскада со стороны эмиттера транзистора, т.е. выходное сопротивление усилительного каскада ОК, который будет рассмотрен ниже. Здесь же отметим, что его значение обычно не превышает десятков Ом, поэтому и получается весьма малая величина для . Это обстоятельство и определяет максимальные искажения в цепи конденсатора . Таким образом, для уменьшения в рассматриваемом каскаде требуется увеличить емкости и но в первую очередь в большей степени - .

.

Рассмотрим теперь частотные искажения в области высоких частот (ОВЧ). Для ОВЧ эквивалентную схему каскада ОЭ можно преобразовать к виду, приведенному на рис. 2.11. Здесь не использованы некоторые элементы, которые не оказывают практического влияния на работу усилителя в ОВЧ. Прежде всего, отметим, что спад в ОВЧ в основном будет обусловлен влиянием и , а также падением коэффициента , который является комплексной величиной и поэтому на схеме обозначен как .

Эквивалентный коэффициент , который учитывает шунтирующее влияние генератора тока на высоких частотах, можно представигь в следующем виде: , где - эквивалентная постоянная времени каскада ОЭ в ОВЧ. Воспользовавшись (2.1,б), получим для высшей рабочей частоты

. (2.10)

Выражение (2.10) справедливо для любого усилительного устройства. Оно указывает на то, что уменьшения искажений в ОВЧ можно достичь снижением , значение которой во многом определяется используемым в усилителе транзистором. Для низкочастотных транзисторов , поскольку их частотные свойства в основном определяются временем пролета неосновных носителей заряда через базу. Для ВЧ транзисторов (при ) ,т. е. зависит не только от параметров транзистора, но и от .

Необходимо отметить, что в ОВЧ с ростом частоты не только возрастает , что соответствует уменьшению коэффициентов усиления в каскаде, но и увеличивается фазовый сдвиг относительно . При этом угол фазового сдвига для каскада ОЭ с ростом стремится от 180 к 360°.

Как уже отмечалось выше, одним из основных параметров усилительного каскада является стабильность его работы. Важно, чтобы в усилителе обеспечивался стабильный режим покоя.

Существует три причины, влияющие на изменение тока под воздействием температуры (или другого вида внешнего воздействия). Так, при возрастании температуры, во-первых, увеличивается обратный ток коллекторного перехода, во-вторых, уменьшается напряжение и, в-третьих, возрастает коэффициент .

Для большинства усилителей, выполненных на кремниевых транзисторах, основной фактор влияния на определяется приращением , где - температурный коэффициент напряжения (3 мВ/град), - рабочий температурный диапазон. В этом случае нестабильность тока коллектора можно представить в следующем виде:

(2.11)

где - коэффициент нестабильности усилительного каскада, который показывает, во сколько раз в усилительном каскаде изменения тока покоя больше, чем в идеально стабилизированном устройстве. Чем меньше , тем стабильней усилитель.

При повышении и уменьшении коэффициент уменьшается, стремясь в пределе к величине . При этом усилитель будет иметь наилучшую стабильность. Однако необходимо отметить, что уменьшение приводит к снижению коэффициента усиления. Если, наоборот, увеличивать и уменьшать , то будет стремиться к своей максимальной величине . Такая плохая стабильность характерна для усилительного каскада (см. рис. 2.6). На практике же обычно .

Для повышения стабильности работы усилительного каскада иногда используют термокомпенсацию. Принципиальная схема одного из таких каскадов ОЭ приведена на рис. 2.12. Здесь в цепь базы транзистора включен прямосмещенный диод, ТКН которого равен ТКН эмиттерного перехода транзистора. При изменении температуры напряжение и напряжение на диоде будут меняться одинаково, в результате чего ток останется постоянным. Применение этого метода эффективно в каскадах на кремниевых транзисторах, где, как указывалось выше, основную нестабильность порождает изменение . В ИМС диод заменяется транзистором в диодном включении. При этом реализуется лучшая термокомпенсация, поскольку оба транзистора выполняются на одном кристалле кремния в едином технологическом цикле и, естественно, имеют идентичные параметры.

Помимо каскадов ОЭ известны и усилительные каскады на биполярном транзисторе, включенном по схеме ОБ. В каскаде ОБ могут быть использованы как один, так и два источника питания. Принципиальная схема усилительного каскада ОБ с двумя источниками питания приведена на рис. 2.13. Сразу отметим, что поскольку в этом каскаде , он имеет наилучшую стабильность .

Усилительный каскад ОБ более стабилен и может работать на более высоких частотах, чем каскад ОЭ, но он не обладает усилением по току и имеет очень малое входное сопротивление (не более десятков Ом). Каскад ОБ на практике используется редко, причем лишь в сочетании с другими усилительными каскадами.

Широко используется усилительный каскад на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим коллектором (ОК).

Принципиальная схема наиболее распространенного варианта каскада ОК с RС-связью приведена на рис. 2.14. Здесь коллектор транзистора через очень малое внутреннее сопротивление источника питания соединен с общей шиной каскада, т. е. коллектор транзистора является общим выводом входной и выходной цепей устройства. Отметим, что в рассматриваемом каскаде с ОК коллектор соединен с общей шиной лишь на переменном сигнале, для которого мало выходное сопротивление источника питания (обычно выходная емкость источника питания бывает весьма большой). Основой усилительного каскада ОК являются два элемента: резистор и n-p-n-транзистор.

Нетрудно также убедиться, что каскад не инвертирует входной сигнал. В каскаде ОК напряжение переменного входного сигнала подается между базой и общей шиной, а выходное напряжение снимается между эмиттером и общей шиной устройства. Таким образом, оказывается, что напряжение сигнала, приложенное к эмиттерному переходу, является разностью: . Чем больше выходной сигнал (при заданном ), тем меньшим окажется напряжение, приложенное к эмиттерному переходу, а, следовательно, и напряжение, управляющее работой транзистора. Это будет приводить к падению тока эмиттера и соответственно падению . Такая связь выходной и входной цепей усилительного каскада является 100%-ной отрицательной обратной связью. Наличие отрицательной обратной связи во многом определяет параметры каскада ОК (в частности, низкое значение ).

Эквивалентная схема усилительного каскада ОК для области средних частот приведена на рис. 2.15. Здесь и . Из схемы рис. 2.15 следует, что при больших значениях и для входного сопротивления каскада можно записать

, (2.12)

а при больших значениях и :

. (2.13)

Приведенные выражения показывают, что при высоком сопротивлении в каскаде OK велико (десятки или сотни кОм) и возрастает при увеличении . Однако достижение весьма больших значений затруднено, так как рост требует увеличения . Кроме того, в ИМС выполнить резистор большего номинала практически невозможно. Вследствие этого очень большие значения могут быть получены только в специальных каскадах ОК.

Для коэффициента усиления по току в каскаде ОК можно записать: . Теперь, по аналогии с (2.6), для , получим

.

Приведенные соотношения показывают, что усилительный каскад ОК имеет максимальное усиление по току относительно каскадов ОЭ и ОБ.

Поскольку в каскаде OK велико, то обычно выполняется условие , поэтому коэффициент усиления по напряжению относительно генератора . Полагая и , после подстановки в выражение для и проведения преобразований, получим

, (2.14)

откуда следует, что .

Усилительный каскад на биполярном транзисторе, включенном по схеме с ОК, часто называют эмиттерным повторителем, поскольку его выходное напряжение (на эмиттере) практически полностью повторяет входной сигнал (по амплитуде, фазе и форме).

Выходное сопротивление каскада ОК можно представить (см. рис. 2.15.), полагая, что значения и весьма велики, в следующем виде:

(2.15)

Анализ параметров, входящих в (2.15), показывает, что в каскаде ОК мало (обычно составляет десятки Ом).

Хотя общий анализ в ОВЧ для каскадов ОЭ и ОК практически совпадает, но каскад ОК является значительно более высокочастотным. Это его важное преимущество определяется наличием 100%-ной отрицательной обратной связи.

Эмиттерный повторитель, хотя и не усиливает напряжение, является хорошим усилителем мощности . Он обычно используется в качестве согласующего каскада, т. е. каскада с большим входным и малым выходным сопротивлением.

При создании усилительных устройств иногда, например, для реализации двухтактного каскада усилителя мощности, требуется иметь два сигнала (напряжения), равные по величине относительно общей шины, но противоположные по фазе. На практике для получения сигналов используют фазоинверсный (парафазный) усилитель, принципиальная схема которого приведена на рис. 2.16.

Основой рассматриваемого фазоинверсного усилителя являются три элемента: n-р-n-транзистор и два резистора и . По сути своей фазоинверсный усилитель является однокаскадным усилителем, который вобрал в себя функции двух каскадов ОЭ и ОК. Резистор и n-p-n-транзистор образуют каскад ОЭ, а резистор с тем же транзистором - каскад ОК. Выходной сигнал , снимаемый с коллектора транзистора, имеет противоположную полярность относительно входного сигнала , а выходной сигнал , снимаемый с эмиттера транзистора, совпадает по фазе с .

Так как коэффициент усиления по напряжению для сигнала, снимаемого с эмиттера, всегда несколько меньше единицы и по условию работы фазоинверсного усилителя , то в устройстве отсутствует усиление по напряжению. Для выполнения равенства необходимо, чтобы . При больших значениях достаточно, чтобы .