Простейший усилительный каскад с общим эмиттером

Простейшая схема УНЧ на биполярном транзисторе приведена на рисунке 2.1. С помощью резистора Rб в цепи базы задается базовый ток и эмиттерный переход смещается в прямом направлении, на нем устанавливается напряжение U_ЭБ, равное 0,6 - 0,7 В для кремниевого транзистора. В цепи базы протекает ток:

(2.1)

Коллекторный переход смещен в обратном направлении. В цепи коллектора протекает значительно больший ток:

(2.2)

В цепи эмиттера протекает ток , примерно равный току . Эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей. Поэтому рассматриваемый каскад выполнен по схеме с общим эмиттером (ОЭ).

Конденсаторы С 1 и С 2 используются для разделения постоянной и переменной составляющих сигнала и называются разделительными. Они предназначены для того, чтобы пропускать переменную составляющую сигнала без искажений ( их сопротивление для переменной составляющей в рабочем диапазоне частот должно быть практически равно нулю), и не пропускать постоянную составляющую (сопротивление конденсаторов для постоянной составляющей сигнала равно бесконечности).

Рисунок 2.1-Простейший усилительный каскад с общим эмиттером

Переменная составляющая входного напряжения подается через разделительный конденсатор С1 и вызывает изменение тока базы транзистора. Изменение тока базы приводит к пропорциональному изменению тока в коллекторной цепи. Для его преобразования в соответствующие изменения выходного напряжения и ограничения коллекторного тока используется резистор R_к.

При расчете усилительного каскада на биполярном транзисторе на его выходных характеристиках выбирают рабочую точку или точку покоя (точка А), положение которой определяет режим работы транзистора. Обычно ее координаты обозначают как I₀ и U₀ (см. рисунок 2.2).

На выходных характеристиках транзистора точка покоя А, соответствующая выбранному значению тока базы, лежит на нагрузочной прямой постоянного тока. Нагрузочная прямая постоянного тока проходит через точку Е на оси абсцисс и точку E/R₌ на оси ординат в соответствии с уравнением второго закона Кирхгофа для коллекторной цепи:

(2.3)

Рисунок 2.2-Графическое представление работы каскада по постоянному и переменному току.

Наклон нагрузочной прямой постоянного тока определяется сопротивлением выходной цепи постоянному току . В общем случае оно включает все сопротивления, последовательно подключенные в выходной цепи кроме транзистора к источнику питания.

Через разделительный конденсатор С2 к коллектору подключена нагрузка R_н, в которую передается часть переменной составляющей коллекторного тока. Другая часть ответвляется в резистор R_к, таким образом:

(2.4)

Следовательно, для переменной составляющей коллекторного тока резисторы R_к и R_н соединены параллельно. Их параллельное соединение называют сопротивлением выходной цепи по переменному току:

. (2.5)

При передаче сигнала мгновенные значения тока и напряжения в коллекторной цепи транзистора определяются соотношениями:

, (2.6)

, (2.7)

причем переменные составляющие связаны уравнением:

u_вых(t)= - R_~ ·i_к(t). (2.8)

Знак минус подчеркивает тот факт, что с ростом коллекторного тока напряжение на транзисторе уменьшается.

Подставив в уравнение (2.8) значения переменных составляющих коллекторного тока и напряжения из (2.6) и (2.7), получим уравнение нагрузочной прямой переменного тока:

U_кэ - U₀ = - R_~ (I_к – I₀) (2.9)

Она проходит через точку покоя A (I₀,U₀) и точку на оси абсцисс с координатой U_кэ = U₀ + I₀ · R_~. По ней совершает колебания рабочая точка под действием сигнала, причем и определяют амплитуды переменных составляющих и для заданной амплитуды изменения базового тока .

2.2 Усилительный каскад с общим эмиттером с температурной
стабилизацией положения рабочей точки

На рисунке 2.3 приведена схема каскада с ОЭ, в котором использована цепь эмиттерной стабилизации рабочей точки транзистора. В схеме применяется емкостная связь с источником сигнала и нагрузкой через разделительные конденсаторы С1 и С2. Базовый делитель R1, R2 задает напряжение на базе транзистора. Резистор Rэ создает отрицательную обратную связь по току, что способствует температурной стабилизации положения рабочей точки. Однако, введение отрицательной обратной связи уменьшает коэффициент усиления каскада, для её устранения по переменному току, резистор R_Э зашунтирован конденсатором C_Э. Таким образом, по переменной составляющей эмиттер транзистора заземлен.

Сопротивление выходной цепи постоянному и переменному току определяется соотношениями:

,

R_~ = R_к║R_н .

Резисторы базового делителя уменьшают входное сопротивление каскада до значения:

, (2.10)

где .

Введение резистора R_Э при отсутствии конденсатора C_Э изменяет работу усилительного каскада не только в режиме покоя, но и при наличии входного сигнала. Переменная составляющая эмиттерного тока создает на резисторе падение напряжения , которое уменьшает усиливаемое напряжение, подводимое к транзистору .

Рисунок 2.3 - Усилительный каскад с общим эмиттером с температурной стабилизацией положения рабочей точки

Коэффициент усиления по напряжению снижается до величины:

. (2.11)

Для устранения ООС по переменному току шунтируют конденсатором C_Э. На нижних частотах конденсатор C_Э вносит дополнительные искажения:

, (2.12)

где ; .

Выбор положения рабочей точки прежде всего ограничен условиями (предполагается работа в режиме класса А):

,

,

,

где , и ‑ предельно допустимые для данного транзистора значения тока коллектора, коллекторного напряжения и мощности рассеяния на коллекторном переходе.

Графическое представление этих неравенств выделяет рабочую область на выходных характеристиках транзистора в соответствии с рисунком 2.4.

Рабочая точка должна лежать на нагрузочной прямой постоянного тока, которая проводится через точку Uкэ = Е на оси абсцисс и точку Iк = E/R₌ на оси ординат. Только по этой прямой может изменяться положение рабочей точки А при изменении температуры или смене транзистора.

Положение рабочей точки должно обеспечивать получение на нагрузке без ограничений требуемых амплитуд напряжения и тока. Амплитуда переменной составляющей сигнала на нагрузке определяется по нагрузочной прямой переменного тока, которая проводится через рабочую точку в соответствии с сопротивлением выходной цепи переменному току, т.е. пересекает ось абсцисс при .

Положение рабочей точки определяется из следующих соотношений:

I_дел = Е/(R1+R2),

U_б = I_дел × R2,

U_э = U_б – 0,7,

I_э = U_э / R_э ,

I₀ = Iк ≈ Iэ,

U₀ = Uкэ = Е – Uэ – Iк ∙Rк.

Рисунок 2.4 – Работа каскада с ОЭ в режиме большого сигнала

Частотные свойства каскада определяются логарифмической амплитудно-частотной характеристикой _(ЛАЧХ), это зависимость коэффициента усиления каскада, измеренного в децибелах G = 20lg(K), от частоты, измеренной в декадах ω = lg(f). Типовая ЛАЧХ УНЧ приведена на рисунке 2.5

G0 – коэффициент усиления в рабочем диапазоне частот;

fн – нижняя частота рабочего диапазона частот;

fв – верхняя частота рабочего диапазона частот;

f1 – частота единичного усиления.

Рисунок 2.5-ЛАЧХ исследуемого каскада

Спад ЛАЧХ в области нижних частот определяется тем, что на низких частотах увеличивается сопротивление разделительных и блокировочного конденсаторов.

Спад ЛАЧХ в области верхних частот определяется частотными свойствами транзистора.