Схема обеспечивает высокую стабильность точки покоя. Используется последовательная отрицательная обратная связь (ООС) по току (рисунок 3.5), которая снимается с Rэ. Смещение создается делителем напряжения R1, R2 и снимается с R2. Конденсатор Сэставится для предотвращения ОС по переменной составляющей в рабочей полосе частот, закорачивая Rэ для частот
1/(ω Сэ)<< Rэ. Должно выполняться условие xc= 0,1×Rэ.
При увеличении температуры Т окружающей среды увеличивается тепловой ток Iк0 коллекторного перехода, следовательно, увеличивается ток Iк коллектора (Iк= Iк0+βIб). Это ведет к увеличению тока Iэ эмиттера (Iэ= Iк+ Iб) и падения напряжения URэ на Rэ (URэ= Iэ Rэ). Тогда смещение на базе Uбэ уменьшается, т.к. Uбэ= UR2 – URэ. Уменьшение Uбэ подавляет возрастание коллекторного тока, стабилизируя его значение.
Используется параллельная отрицательная обратная связь (ООС) по напряжению (рисунок 3.6)через Rб.
При увеличении температуры Т окружающей среды увеличивается тепловой ток Iк0 коллекторного перехода, следовательно, увеличивается ток Iк коллектора. Увеличивается падение напряжения на Rк,что ведет к уменьшениюUки тока базыIбп
Iбп=Uкэ / Rб.
С уменьшением тока базы уменьшается и ток коллектора, то есть возвращается к прежнему значению.
Достоинством схемы является то, что не нужна специальная цепь смещения, так как смещение на базу подается от Eк через Rк иRб. Но недостатком является то, что наличие ООС по переменной составляющей уменьшает коэффициент усиления и входное сопротивление.
Одной из распространенных конфигураций интегральных схем усилительных каскадов является схема рисунка 3.5, только без конденсаторов, т.е. схема эмиттерной термостабилизации. Также часто используется схема с эмиттерным повторителем на выходе (рисунок 3.7).
Здесь R5 – сопротивление ОС. На R4– вход ОС, на R1 – выход ОС. Имеет место параллельная ОС ( и соединены в одной и той же точке, параллельны между собой) по напряжению ( и соединены в одной и той же точке).
Обратная связь отрицательная, т.к. в противофазе с . Первый каскад на VT1 (c ОЭ) поворачивает фазу на π, второй – наVT2 (с ОК) фазу не меняет, т.е. суммарный фазовый сдвиг равен π.
Дополнительно создает местную отрицательную последовательную ОС по току.
3.2.4 Термокомпенсация рабочей точки
Для получения большей стабильности и уменьшения рассеиваемой мощности можно применять нелинейные термочувствительные сопротивления: термисторы, диоды и другие нелинейные элементы с заметным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС).
На рисунке 3.8 применена термокомпенсация режима. Сопротивлениетермистора Rt в цепи базового делителязависит от температуры (t). С повышением температуры увеличивается тепловой ток Iк0коллекторного перехода, следовательно, увеличивается ток Iк коллектора, одновременно уменьшается сопротивление Rt, уменьшается, смещение Uб и уменьшается ток коллектора.
4 Лекция 4. Транзисторные УНЧ с общим эмиттером и с общей базой
Содержание лекции:
– транзисторный УНЧ с общим эмиттером. Усилитель с общей базой.
Цели лекции:
– изучить усилительные каскады с ОЭ и с ОБ;
– эквивалентные схемы, основные параметры, особенности этих схем.
4.1 Транзисторный УНЧ с общим эмиттером. Эквивалентная схема
Для анализа и расчета усилителей используются эквивалентные схемы. Представим эквивалентную схему усилителя (рисунок 4.1).
Обычно источник питания Eк выбирается так, чтобы падение напряжения на нем от переменной составляющей было намного меньше, чем падение напряжения на остальных элементах УНЧ. Тогда внутренним сопротивлением Eк можно пренебречь. Сопротивление базового делителя . Транзистор можно представить в виде его эквивалентной схемы. В схеме транзистора пренебрегаем:
а) диффузионной емкостью эмиттерного перехода Сэб, так как его емкостное сопротивление намного больше, чем – дифференциальное сопротивление ЭП ;
б) Rэ, Сэ – сопротивлением и емкостью в эмиттерной цепи, так как .
Барьерная емкость коллекторного перехода увеличивается, а дифференциальное сопротивление уменьшается по сравнению со схемой с ОБ
.
Учитывая вышесказанное и, что , получаем эквивалентную схему усилителя (рисунок 4.2) для всего диапазона частот.
4.2 Эквивалентная схема транзисторного УНЧ с ОЭ для средних частот
На средних частотах коэффициент усиления усилителя К0 имеет максимальное значение и фазовый сдвиг j = 0, так как на них емкости схемы не влияют. Действительно, так как разделительная емкость Ср1 большая, то ее емкостное сопротивление , включенное последовательно с , мало для средних частот, аналогично для Ср2. Пренебрегаем Ср1 и Ср2. Барьерная емкость Скэ мала, ее емкостное сопротивление велико и включено параллельно выходу. Поэтому Скэ тоже можно пренебречь. Из схемы (рисунок 4.2) получим схему для средних частот, в которой будут отсутствовать все емкости.
Определим основные параметры усилителя . Входное сопротивление усилителя . Так как , то .
Выходное сопротивление . Так как , то .
Коэффициент усиления по напряжению . Так как и , пренебрегаем и
получаем .
Коэффициент усиления по току .
Коэффициент усиления по мощности .
4.3 Эквивалентная схема транзисторного УНЧ с ОЭ для низких частот
На низких частотах (НЧ) уменьшается коэффициент усиления , так как сказывается влияние Ср1 и Ср2. Емкостное сопротивление и увеличивается с уменьшением частоты и становится соизмеримым с и . также растет, но оно включено параллельно выходу и его влияние еще меньше, чем на средних частотах. На эквивалентной схеме (рисунок 4.2) для НЧ будет отсутствовать только Скэ. Дополнительные частотные искажения на НЧ вносит цепь термостабилизации при неправильном выборе Сэ.
, где – коэффициент усиления на средних частотах,
‑ коэффициент частотных искажений .
, где – постоянная времени перезаряда емкости.
Для конденсаторов Ср1, Ср2 и Сэ постоянные времени соответственно равны: ; ; .
4.4 Эквивалентная схема транзисторного УНЧ с ОЭ для высоких частот
В области высоких частот все емкостные сопротивления уменьшаются, емкостные сопротивления разделительных конденсаторов и , соединенные последовательно, не влияют, а , соединенное последовательно, уменьшается и шунтирует Rн. Следовательно, уменьшается коэффициент усиления каскада. На эквивалентной схеме (рисунок 4.2) для ВЧ будут отсутствовать Ср1 и Ср2.
Коэффициент усиления на верхних частотах , где
; ; ; – из-за зависимости коэффициента передачи тока β от частоты ω.
В общем виде коэффициент усиления
Таким образом, усилительный каскад с ОЭ:
– имеет большой коэффициент усиления по напряжению и по току;
– ; единицы килоом; десятки килоом;
– полоса пропускания уже, чем в схеме с ОБ, так как барьерная емкость в схеме с ОЭ больше, чем в схеме с ОБ;
– фазовый сдвиг в диапазоне средних частот.
Применяется в схемах, где недопустимы нелинейные искажения, например, в каскадах предварительного усиления.
4.5 Усилитель с общей базой
Усилитель с общей базой работает в классе А (рисунок 4.3). Eэ и Rэ служат для задания тока эмиттера Iэ в режиме покоя, Rк – дляснятия выходного сигнала; Ср1 и Ср2 ‑ разделительные емкости.
Основные параметры:
коэффициент усиления по напряжению
;
коэффициент усиления по току
; ;
коэффициент усиления по мощности
;
входное сопротивление
;
выходное сопротивление; фазовый сдвиг j=0.
Особенности схемы:
а) коэффициент усиления по току КI << КU;
б) мало Rвх(сотни омов) и большое Rвых (сотни килоомов);
в) шире частотный диапазон;
г) малы нелинейные искажения;
Используется схема:
а) в стабилизаторах тока;
б) при необходимости большего частотного диапазона, т.к. частотный диапазон усиления шире, чем с ОЭ;
в) для усиления импульсных сигналов и др.
5 Лекция 5. Типовые усилительные каскады на транзисторах
Содержание лекции:
– эмиттерный повторитель;
– схема сдвига уровня напряжения;
– фазоинверсный каскад;
– выходные каскады усилителей.
Цели лекции:
– изучить усилительный каскад с ОК;
– изучить работу схемы сдвига уровня напряжения;
–изучить работу фазоинверсного каскада;
– изучить особенности выходных каскадов усилителей.
5.1 Эмиттерный повторитель (ЭП)
ЭП – это схема с ОК (рисунок 5.1). Нагрузка Rэ служит для снятия выходного сигнала, включена в цепь эмиттера. Резисторы R1 и R2 служат для создания смещения на базу.
Все выходное напряжение введено последовательно во входную цепь и вычитается из входного сигнала. , т.е. имеет место 100% отрицательная обратная связь по напряжению.
Основные параметры схемы:
а) коэффициент усиления по напряжению
.
б) коэффициент усиления по току – сотни единиц;
в) коэффициент усиления по мощности – сотни единиц;
г) входное сопротивление
– сотни килоом;
д) выходное сопротивление – единицы сотен ом;
е) фазовый сдвиг j=0.
Особенности схемы:
а) коэффициент усиления по току КI >>1 и по мощности Кр >1;
б) нет усиления по напряжению КU 1, выходное напряжение повторяет входное и по величине и по фазе;
в) мало Rвых(сотни омов) и большое Rвх (сотни килоомов);
г) шире динамический диапазон усиливаемых сигналов, так как уменьшаются нелинейные искажения;
д) меньше коэффициент частотных искажений, т.е. шире полоса пропускания.
Используется эмиттерный повторитель:
а) для согласования схем с высоким выходным сопротивлением со схемами с низким входным сопротивлением. Это особенно важно при подключении нескольких цепей, например, цепи обратной связи, следующего каскада, переменной нагрузки;
б) для увеличения входного сопротивления последующей схемы;
в) как усилитель тока и мощности.
5.2 Схема сдвига уровня напряжения
Для предотвращения передачи высокого напряжения коллекторного питания Ек на вход следующего каскада ставятся схемы сдвига уровня напряжения (рисунок 5.2).
где = 0,7 В – падение напряжения на эмиттерном переходе и на диоде;
n – количество диодов.
5.3 Фазоинверсный каскад
Фазоинверсный или каскад с разделенной нагрузкой (рисунок 5.3) имеет две нагрузки Rн1 иRн2. Резистор Rк служит для снятия выходного сигнала Uвых1 (транзистор по этому выходу включен по схеме с ОЭ), Rэ‑ для снятия выходного сигнала Uвых2 (транзистор включен по схеме сОК).
Коэффициент усиления Uвых1
.
Коэффициент усиления Uвых2
.
Обычно снимаются одинаковые по амплитуде сигналы в противофазе.
Чтобы Uвых1 = Uвых2 должно быть .
5.4 Выходные каскады усилителей
Выходные каскады – это усилители мощности. Они служат для получения максимальной мощности в нагрузке при максимально возможном КПД и минимальных нелинейных искажениях.
В микроэлектронике класс А обычно используется редко из-за низкого КПД. Более популярны двухтактные усилители класса В и АВ.
5.4.1 Простейшая двухтактная схема
Рассмотрим простейшую двухтактную схему усилителя класса В на комплементарных транзисторах (рисунок 5.4).
Транзистор VT1 – n-p-n, VT2 – p-n-p –типа.
Нагрузка Rн включена в эмиттерной цепи, т.е. транзистор включен по схеме с ОК, следовательно, этот ЭП дает большое усиление по мощности, обусловленное высоким коэффициентом усиления тока.
В режиме покоя оба транзистора закрыты, т.к. Uэб = 0 (класс В).
При подаче положительной полуволны переменного напряжения VT1 – открывается, VT2 – закрывается. Течет ток от +Е1 ‑ КЭ1 ‑ Rн ‑ – Е1.
При подаче отрицательной полуволны переменного напряжения VT1 – закрывается, VT2 – открывается. Течет ток от +Е2 ‑ Rн‑ЭК2 ‑ – Е2. Таким образом, схема работает в два такта: в первом такте открыт VT1, во втором ‑ VT2, т.е. на выходе усилителя двуполярный сигнал. Коэффициент усиления по мощности .
Но недостаток схемы в том, что она имеет высокий коэффициент нелинейных искажений. На рисунке 5.5 приведена совмещенная передаточная характеристика . Длительность положительной и отрицательной полуволн на выходе меньше полупериода сигнала (часть синусоиды не усиливается). Выходной ток Iэ носит импульсный характер, т.е. имеет большое число высших гармоник в своем спектре. Это особенно существенно при малых Uвх, соизмеримых с U*.
5.4.2 Усилитель мощности с раздельным начальным смещением
Для устранения нелинейных искажений вводится раздельное смещение на базы транзисторов (рисунок 5.6) На диодах VD1 и VD2 создается падение напряжения U*, которое смещает рабочую точку транзистора VТ1 влево и VT2 – вправо от начала координат (рисунок 5.7). Характеристика передачи будет представлять прямую линию. Следовательно, уменьшатся нелинейные искажения. Эти диоды всегда открыты, так как суммарное напряжение источников питания всегда больше, чем входной сигнал.
Рассмотрим разновидность бестрансформаторного усилителя мощности с делителем напряжения в базовой цепи (рисунок 5.8). Такая схема еще называется схемой с дополнительной симметрией. Здесь R1, R2, R3 ‑ делитель напряжения для создания смещения в классе В.
Должно выполняться условие .
Очевидно, что средняя точка R2 имеет нулевой потенциал. Базы обоих транзисторов можно считать закороченными по переменному току и подавать входное напряжение на одну из баз. Так как сигнал подается в одной фазе на оба транзистора, то они работают поочередно. Вместо R2 обычно ставят диоды. На каждом диоде падает U*= 0,7 В, которое создает смещение, обеспечивающее режим класса В.
Схема включения транзисторов – с общим коллектором.
6 Лекция 6. Дифференциальный усилитель
Содержание лекции:
– усилитель постоянного тока (УПТ);
– дифференциальный усилитель.
Цели лекции:
– изучить особенности УПТ: причины дрейфа и способы его уменьшения;
– изучить дифференциальный усилитель;
– изучить режимы работы дифференциального усилителя.
6.1 Особенности УПТ
УПТ служат для усиления сколь угодно медленно-изменяющихся сигналов, включая сигналы с частотой ω = 0.
Особенности УПТ:
а) необходимость согласования потенциалов.
Так как сигнал может содержать постоянную составляющую, нельзя применять в качестве связи реактивные элементы (конденсаторы, индуктивности, трансформаторы), поэтому необходимо согласовывать потенциалы в разных частях схемы (между каскадами, с генератором входных сигналов, с нагрузкой);
б) явление дрейфа напряжения в УПТ.
Дрейфом нулевого уровня называется наличие ложного выходного сигнала при закороченном входе (Uвх = 0).
Дрейфом выходного напряжения называется изменение величины Uвых при неизменном Uвх, оценивающееся изменением за сутки.
Причины возникновения дрейфа напряжения
а) нестабильность источников питания;
б) старение элементов схемы;
в) изменение параметров транзисторов (из-за изменения инжекционных свойств);
г) температурная зависимость.
Способы уменьшения дрейфа в УПТ
а) использование стабилизированных источников питания;
б) использование отрицательной обратной связи;
в) использование термостабилизации и термокомпенсации;
г) использование МДМ (модуляция-демодуляция) усилителей с преобразованием;
д) использование специальных схем УПТ с ограниченной нестабильностью.
Наибольшая нестабильность вызывается температурным дрейфом, связанным с изменением Iко, β, поэтому предпочтительнее кремниевые транзисторы, так как тепловой ток кремниевых транзисторов меньше теплового тока германиевых. В схемах термостабилизации используется ООС (рисунки 3.5, 3.6).
В схемах для термокомпенсации используются терморезисторы, стабилитроны и выпрямительные диоды (рисунок 3.8).
Схема обеспечивает высокую стабильность точки покоя. Используется последовательная отрицательная обратная связь (ООС) по току (рисунок 3.5), которая снимается с Rэ. Смещение создается делителем напряжения R1, R2 и снимается с R2. Конденсатор Сэ ставится для предотвращения ОС по переменной составляющей в рабочей полосе частот, закорачивая Rэ для частот
При увеличении температуры Т окружающей среды увеличивается тепловой ток Iк0 коллекторного перехода, следовательно, увеличивается ток Iк коллектора. Увеличивается падение напряжения на Rк,что ведет к уменьшениюUки тока базыIбп
Достоинством схемы является то, что не нужна специальная цепь смещения, так как смещение на базу подается от Eк через Rк иRб. Но недостатком является то, что наличие ООС по переменной составляющей уменьшает коэффициент усиления и входное сопротивление.
и 
соединены в одной и той же точке, параллельны между собой) по напряжению (
и 
соединены в одной и той же точке).
создает местную отрицательную последовательную ОС по току.
На рисунке 3.8 применена термокомпенсация режима. Сопротивлениетермистора Rt в цепи базового делителязависит от температуры (t). С повышением температуры увеличивается тепловой ток Iк0коллекторного перехода, следовательно, увеличивается ток Iк коллектора, одновременно уменьшается сопротивление Rt, уменьшается, смещение Uб и уменьшается ток коллектора.
Обычно источник питания Eк выбирается так, чтобы падение напряжения на нем от переменной составляющей было намного меньше, чем падение напряжения на остальных элементах УНЧ. Тогда внутренним сопротивлением Eк можно пренебречь. Сопротивление базового делителя 
. Транзистор можно представить в виде его эквивалентной схемы. В схеме транзистора пренебрегаем:
намного больше, чем 
– дифференциальное сопротивление ЭП 
;
.
.
Учитывая вышесказанное и, что 
, получаем эквивалентную схему усилителя (рисунок 4.2) для всего диапазона частот.
, включенное последовательно с 
, мало для средних частот, аналогично для Ср2 
. Пренебрегаем Ср1 и Ср2. Барьерная емкость Скэ мала, ее емкостное сопротивление велико 
и включено параллельно выходу. Поэтому Скэ тоже можно пренебречь. Из схемы (рисунок 4.2) получим схему для средних частот, в которой будут отсутствовать все емкости.
. Входное сопротивление усилителя 
. Так как 
, то 
.
. Так как 
, то 
.
. Так как 
и 
, пренебрегаем 
и
.
.
.
, так как сказывается влияние Ср1 и Ср2. Емкостное сопротивление 
и 
увеличивается с уменьшением частоты и становится соизмеримым с 
и 
. 
также растет, но оно включено параллельно выходу и его влияние еще меньше, чем на средних частотах. На эквивалентной схеме (рисунок 4.2) для НЧ будет отсутствовать только Скэ. Дополнительные частотные искажения на НЧ вносит цепь термостабилизации при неправильном выборе Сэ.
, где 
– коэффициент усиления на средних частотах,
‑ коэффициент частотных искажений 
.
, где 
– постоянная времени перезаряда емкости.
; 
; 
.
и 
, соединенные последовательно, не влияют, а 
, где
; 
; 
; 
– из-за зависимости коэффициента передачи тока β от частоты ω.
; 
единицы килоом; 
десятки килоом;
в диапазоне средних частот.
Основные параметры:
;
; 
;
;
; фазовый сдвиг j=0.
– это схема с ОК (рисунок 5.1). Нагрузка Rэ служит для снятия выходного сигнала, включена в цепь эмиттера. Резисторы R1 и R2 служат для создания смещения на базу.
, т.е. имеет место 100% отрицательная обратная связь по напряжению.
.
– сотни единиц;
– сотни единиц;
– сотни килоом;
– единицы сотен ом;
1, выходное напряжение повторяет входное и по величине и по фазе;
Для предотвращения передачи высокого напряжения коллекторного питания Ек на вход следующего каскада ставятся схемы сдвига уровня напряжения (рисунок 5.2).
= 0,7 В – падение напряжения на эмиттерном переходе и на диоде;
Фазоинверсный или каскад с разделенной нагрузкой (рисунок 5.3) имеет две нагрузки Rн1 иRн2. Резистор Rк служит для снятия выходного сигнала Uвых1 (транзистор по этому выходу включен по схеме с ОЭ), Rэ ‑ для снятия выходного сигнала Uвых2 (транзистор включен по схеме сОК).
.
.
.
Транзистор VT1 – n-p-n, VT2 – p-n-p –типа.
.
Но недостаток схемы в том, что она имеет высокий коэффициент нелинейных искажений. На рисунке 5.5 приведена совмещенная передаточная характеристика 
. Длительность положительной и отрицательной полуволн на выходе меньше полупериода сигнала (часть синусоиды не усиливается). Выходной ток Iэ носит импульсный характер, т.е. имеет большое число высших гармоник в своем спектре. Это особенно существенно при малых Uвх, соизмеримых с U*.
всегда больше, чем входной сигнал.
.