Принцип работы каскада по схеме с общим эмиттером

РЕЗИСТИВНЫЕ УСИЛИТЕЛИ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ

Усилителями называются устройства, в которых сравнительно маломощный входной сигнал управляет передачей значительно большей мощности из источника питания. Все многообразие усилителей разделяют по следующим признакам:

-по типу применяемого активного элемента (на лампах, транзисторах, параметрические …) ;

-в зависимости от полосы усиливаемых частот (УПТ, УНЧ, УПЧ, УВЧ …) ;

-по назначению (усилители тока, напряжения, мощности);

-по виду нагрузки усилительного элемента (резистивные, трансформаторные, резонансные);

-по способу включения усилительного элемента в схему (с общим эмиттером, с общей базой, с общим коллектором).

В последние годы усилители выпускают в виде микросхем. Простейшая ячейка, позволяющая осуществить усиление, называется усилительным каскадом. В лекции рассмотрим принципы построения резистивных усилительных каскадов низкой частоты. Они предназначены для усиления сигналов в полосе от нескольких десятков Герц до нескольких десятков килогерц.

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.