Раздел 1.2.6 Усилительный каскад: основные методы включения (Лекция 9, 2 часа)

Учебные вопросы:

1. Усилительный каскад с общим эмиттером

2. Усилительный каскад с общей базой

3. Усилительный каскад с общим коллектором

1.2.11 Усилительный каскад с общим эмиттером

Усилительные каскады на биполярных транзисторах с резисторными нагрузками в цепи коллектора нашли широкое применение в предварительных каскадах усиления. Они обеспечивают усиление по напряжению, току, мощности.

Рисунок 1.24 Принципиальная схема усилительного

резисторного каскада в схеме с ОЭ

Принципиальная схема усилительного резисторного каскада с ОЭ представлена на рис. 1.24. Входной сигнал поступает на базу транзистора от генератора напряжения с внутренним сопротивлением . Разделительный конденсатор служит для предотвращения протекания постоянной составляющей тока азы через источник входного сигнала. При отсутствии в цепи источника входного сигнала создавался бы постоянный ток от источника питания , -который мог бы вызвать падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника сигнала, изменяющее режим работы транзистора и приводящее к нагреву источника сигнала. Конденсатор на выходе усилительного каскада обеспечивает выделение переменной составляющей коллекторного напряжения, которая поступает на нагрузочное устройство с сопротивлением . Элементы обеспечивают режим каскада по постоянному току и температурную стабилизацию.

Параметры усилителя (коэффициенты усиления по току ,напряжению и мощности ; входное и выходное сопротивления) определяются с использованием аналитического метода, при котором на основе малосигнальной эквивалентной схемы транзистора строится эквивалентное представление каскада по переменному току и проводится его расчет (рис. 1.25).

Рисунок 1.25 Эквивалентная схема усилительного каскада в схеме с ОЭ в диапазоне средних частот

Расчет параметров каскада производится для области средних частот усиления, где зависимость параметров от частоты минимальна и не учитывается в расчетах. Сопротивления конденсаторов очень малы иими можно пренебречь.

Резистор зашунтирован конденсатором и на эквивалентной схеме не учитывается. При переменном токе сопротивление источника питания близко к нулю, поэтому верхний вывод резисторов на схеме замещения соединяется с выводом эмиттера.

Цепь базы транзистора представлена на эквивалентной схеме объемным сопротивлением активной области базы , составляющим единицы-сотни Ом. Эмиттерный переход представлен дифференциальным сопротивлением , лежащим в пределах единиц-десятков Ом. Закрытый коллекторный переход представлен дифференциальным сопротивлением , составляющим сотни кОм.

Входное сопротивление каскада представляет собой сопротивление параллельного соединения резисторов и сопротивления входной цепи транзистора ( , ):

(2.29)

Сопротивление входной цепи транзистора определяется как . Учитывая, что через сопротивление протекает ток , а через сопротивление — ток , получим:

Тогда входное сопротивление усилительного каскада определяется выражением

2.30)

Значение для каскада с ОЭ составляет сотни Ом или единицы кОм.

Если резистор в схеме (рис. 2.15) не зашунтирован по переменному току конденсатором , то последовательно с в эквивалентной схеме усилителя необходимо включать сопротивление . Входное сопротивление в этом случае определяется выражением

(2.31)

Сравнение выражений (2.30) и (2.31) показывает, что введение отрицательной обратной связи по переменному току значительно увеличивает входное сопротивление усилительного каскада, а включение низкоомного делителя , улучшающего температурную стабильность усилителя, значительно снижает его входное сопротивление.

Выходное сопротивлениеусилительного каскада определяется со стороны выходных зажимов при отключенной нагрузке и нулевом входном сигнале . Из эквивалентной схемы (рис. 1.25) видно, что выходное сопротивление каскада определяется параллельным включением сопротивления и выходные сопротивлением самого транзистора, близким по величине к

Обычно и считается, что выходное сопротивление определяется сопротивлением резистора и составляет единицы кОм.

Коэффициент усиления по напряжению каскада определяется как отношение выходного напряжения на нагрузке к ЭДС источника сигнала . Значение определяется выражением где знак минус указывает на то, что выходное напряжение находится в противофазе с входным. Ток базы определяется выражением

тогда

(2.32)

Анализ выражения (2.32) показывает, что коэффициент усиления каскада по напряжению тем больше, чем больше выходное сопротивление каскада по сравнению с и чем больше статический коэффициент

В идеальном усилителе напряжения ( ), который работает в режиме холостого хода ( ), коэффициент усиления будет максимальным и равным:

(2.33)

Коэффициент усиления по току определяется отношением тока в нагрузке ко входному току Ток в базе и ток в нагрузке определяются следующими выражениями:

(2.34)

Подставив полученные соотношения в выражение для коэффициента усиления по току, получим:

(2.35)

В идеальном усилителе тока ( ), который работает в режиме короткого замыкания ( ), имеем .

Рисунок 1.26 Эквивалентная схема усилительного каскада в схеме с ОЭ в диапазоне низких частот

При работе каскада в схеме с ОЭ в диапазоне низких частот необходимо учитывать емкости разделительных конденсаторов , и Поскольку сопротивления конденсаторов на низких частотах возрастают, то эквивалентная схема каскада имеет следующий вид (рис. 1.26). Сначала рассмотрим влияние разделительного конденсатора на изменение коэффициента усиления по напряжению:

(2.36)

где — сопротивление емкости,

Отношение коэффициента усиления на низких частотах к коэффициенту усиления на средних частотах равно

(2.37)

где — постоянная времени входной цепи усилительного каскада.

Коэффициент частотных искажений определяется выражением

(2.38)

Для уменьшения частотных искажений при прочих равных условиях необходимо увеличивать

Коэффициент частотных искажений, вносимый разделительным конденсатором , определяется следующим выражением:

(2.39)

где

Рассмотрим влияние емкости на частотные искажения. Предположим, что и в первый момент времени после поступления входного сигнала влияние несущественно. По мере зарядки уменьшается эмиттерный ток, а следовательно, и ток базы. Когда емкость зарядится полностью, то через нее не будет протекать ток. Сопротивление в эмиттерной цепи будет равно вместо начального значения .Это приведет к уменьшению тока базы и изменению коэффициента усиления по напряжению. В этом состоит принципиальная особенность влияния емкости на частотные искажения. Постоянная времени равна произведению на параллельное сопротивление и выходного сопротивления каскада со стороны эмиттера транзистора, т.е. выходного сопротивления каскада с ОК, величина которого не превышает десятков Ом:

Коэффициент частотных искажений, вносимый , максимальный и определяется выражением

(2.40)

Коэффициент частотных искажений в диапазоне низких частот, вносимый емкостями усилительного каскада, равен

дБ.

Рисунок 1.27 Эквивалентная схема усилительного каскада в схеме с ОЭ в диапазоне высоких частот

Для уменьшения в усилительном каскаде в схеме с ОЭ требуется увеличивать и в большей степени.

При работе каскада с ОЭ в диапазоне высоких частот на частотные искажения сильное влияние оказывают емкость коллекторного перехода и емкость нагрузки. Эквивалентная схема каскада в диапазоне высоких частот представлена на рис 1.27. Постоянная времени каскада с ОЭ в области высоких частот определяется выражением , тогда коэффициент частотных искажений в области высоких частот

1.2.12 Усилительный каскад по схеме с общей базой

Усилительный каскад на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общей базой, может использовать один или два источника питания. Рассмотрим каскад с ОБ с одним источником питания, принципиальная схема которого приведена на рис. 1.28, а. В этом каскаде для создания оптимального тока базы в режиме покоя , обеспечивающего работу усилительного каскада на линейном участке входной характеристики, служат резисторы и . Конденсатор имеет в полосе пропускания усилителя сопротивление значительно меньше , и падение напряжения на нем от переменной составляющей тока мало, поэтому можно считать, что по переменной составляющей тока база соединена с общей точкой усилительного каскада. Входное напряжение подается между эмиттером и базой через разделительный конденсатор . Выходное напряжение снимается между коллектором и базой через разделительный конденсатор . Резистор служит для прохождения постоянной составляющей тока эмиттера и для того, чтобы не шунтировало входное сопротивление каскада, оно на два-три порядка выше этого сопротивления.

Рисунок 1.28Принципиальная (а) и эквивалентная (б) схемы усилительного каскада в схеме с ОБ

При подаче на вход рассматриваемого каскада положительной полуволны входного сигнала ток и эмиттера, и коллектора будет уменьшаться. Это приводит к уменьшению падения напряжения на и увеличению напряжения , что вызывает формирование положительной полуволны выходного напряжения . Полярности входного и выходного напряжений совпадают, схема не инвертирует входной сигнал.

Анализ работы усилительного каскада с общей базой по входным и выходным характеристикам проводится аналогично анализу работы каскада с ОЭ. Выходные характеристики транзистора в схеме с ОБ более линейны, чем в схеме с ОЭ, поэтому нелинейные искажения в этом случае меньше.

Расчет параметров усилительного каскада с ОБ по переменному сигналу в области средних частот проводится по эквивалентной схеме, представленной на рис. 1.28, б. На ней не показаны разделительные конденсаторы , и конденсатор , с помощью которого заземляется база транзистора по переменному току, так как их номиналы выбраны такими, что емкостные сопротивления даже в области низких частот невелики и при анализе их можно не учитывать.

Входное сопротивление каскада определяется как параллельное соединение и входного сопротивления транзистора:

. (2.41)

Согласно выражению (2.41), входное сопротивление каскада определяется преимущественно сопротивлением эмиттерной области транзистора и составляет 10...50 Ом. Малое входное сопротивление каскада является существенным недостатком. Каскад сОБ создает большую нагрузку для источника входного сигнала.

Выходное сопротивление каскада с ОБ определяется, как и у каскада с ОЭ, сопротивлением резистора . При небольшом его значении ( )

.(2.42)

и составляет единицы-десятки кОм. Если соизмеримо с ,то .

Коэффициент усиления по току рассчитывается, как в каскаде с ОЭ. По переменной составляющей ток коллектора связан с током эмиттера следующей зависимостью: Входной сигнал поступает в цепь эмиттера транзистора, поэтому усиление по току меньше единицы и определяется выражением

(2.43)

Это является другим существенным недостатком каскада с ОБ.

Коэффициент усиления по напряжению определяется с помощью эквивалентной схемы каскада по переменному сигналу как отношение амплитуды выходного сигнала к амплитуде входного сигнала и имеет вид

(2.44)

Коэффициент усиления по напряжению каскада сОБ существенно зависит от сопротивления нагрузки и внутреннего сопротивления источника сигнала. При и достаточно большом коэффициент усиления по напряжению каскада ОБ приближается к величине каскада ОЭ. Если же использовать последовательное соединение нескольких каскадов сОБ, то нагрузкой предыдущего каскада является очень малое входное сопротивление последующего, в связи с этим получить большой коэффициент усиления по напряжению не удается.

Коэффициент частотных искажений для области НЧ в каскаде ОБ определяется влиянием разделительных конденсаторов , и рассчитывается по тем же формулам, что и для схемы с ОЭ. Общий коэффициент равен

дБ.

Наибольшие частотные искажения вносятся входной цепью, ибо где — выходное сопротивление предыдущего каскада.

Коэффициент частотных искажений в области ВЧ определяется, как и в схеме ОЭ, он значительно меньше, чем в каскаде с ОЭ. Каскад с ОБ характеризуется: малым входным сопротивлением (десятки Ом); относительно высоким выходным сопротивлением (единицы-десятки кОм); коэффициентом усиления по току меньшим единицы; коэффициентом усиления по напряжению, зависящим от сопротивления нагрузки; малыми нелинейными искажениями.

1.2.13 Усилительный каскад с общим коллектором

(эмиттерный повторитель)

Схема усилительного каскада с ОК приведена на рис. 1.29, а. Резистор, с которого снимается выходное напряжение, включен в эмиттерную цепь. Коллектор через очень малое внутреннее сопротивление источника питания по переменному сигналу (емкость источника питания велика) соединен с землей, значит, вывод коллектора является общим длявходной и выходной цепей усилителя.

Рисунок 1.29 Принципиальная (а) и эквивалентная (б) схемы усилительного каскада в схеме с ОК (эмиттерный повторитель)

Для каскада с ОК справедливо равенство

(2.45)

Если выходное напряжение значительно больше напряжения , то оно приблизительно равно входному. В связи с этим каскад с ОК называют эмиттерным повторителем. Этот каскад относится к усилителям с глубокой отрицательной ОС по напряжению.

В режиме покоя, т.е. при , резисторы и задают начальный ток смещения. Его значения выбирают таким, чтобы рабочая точка в режиме покоя находилась примерно посередине линейного участка входной характеристики. Разделительные конденсаторы и выполняют те же функции, что и в каскаде с ОЭ.

В каскаде с ОК напряжение входного переменного сигнала подается между базой и коллектором (общей точкой) через разделительный конденсатор . Выходное напряжение, равное падению напряжения на резисторе от переменной составляющей эмиттерного тока, снимается между эмиттером и коллектором через конденсатор связи . Расчет каскада по постоянному току проводят по аналогии с каскадом с ОЭ. Анализ каскада по переменному сигналу проводят с помощью эквивалентной схемы, представленной на рис.1.29, б.

Входное сопротивление каскада ОК определяется параллельным соединением резисторов и сопротивлением входной цепи транзистора :

(2.46)

Входное сопротивление цепи транзистора равно

(2.47)

Анализ выражений (2.46) и (2.47) показывает, что сопротивление входной цепи транзистора и входное сопротивление каскада с ОК больше, чем в схеме с ОЭ. В практических схемах достигает 200...300 кОм. Причем входное сопротивление не остается постоянным, а зависит от сопротивления нагрузки. Для его увеличения часто не включают в схему резистор . Высокое входное сопротивление является одним из главных преимуществ каскада с ОК. Это требуется в случае применения каскада в качестве согласующего устройства при работе от источника входного сигнала с большим внутренним сопротивлением.

Выходное сопротивление каскада с ОК представляет собой сопротивление схемы со стороны эмиттера и определяется как

(2.48)

Выходное сопротивление каскада с ОК мало, порядка 10...50 Ом, и сильно зависит от внутреннего сопротивления источника сигнала. Малое выходное сопротивление очень важно при использовании каскада в качестве согласующего устройства для работы на низкоомную нагрузку.

Коэффициент усиления по току в каскаде с ОК определяется следующим образом:

(2.49)

где

Следовательно, равен:

(2.50)

Анализ выражения показывает, что каскад с ОК имеет коэффициент усиления по току больше, чем каскады с ОЭ и ОБ.

Коэффициент усиления по напряжению каскада с ОК относительно входного генератора равен

(2.51)

Коэффициент усиления по напряжению каскада сОК меньше единицы,поэтому его часто называют коэффициентом передачи напряжения.

Эмиттерный повторитель обычно применяют для согласования высокоомного источника усиливаемого сигнала с низкоомным нагрузочным устройством. Температурная стабилизация в каскаде ОК обеспечивается резистором .

Каскад с ОК характеризуется: высоким входным сопротивлением (сотни кОм), зависящим от сопротивления нагрузки; низким выходным сопротивлением (несколько Ом), зависящим от внутреннего сопротивления источника сигнала; высоким коэффициентом усиления по току; коэффициентом усиления по напряжению, меньшим единицы; совпадением по фазе входного и выходного напряжений.

Тема 1.3Многокаскадные усилители