Типовое схемное решение усилительного каскада с ОЭ и его анализ

На рис. 5.1 приведена типичная схема усилительного каскада на биполярном транзисторе п-р-п-типа, включенном с ОЭ (для транзистора р-п-р-типа все останется прежним, только полярность источника питания, а соответственно, и направления токов изменятся на противоположные). Проведем детальный анализ данной схемы для переменной составляющей входного сигнала. Будем предполагать режим малого сигнала, т.е. амплитуды переменных напряжений и токов малы, так что изменения токов и напряжений в транзисторе находятся в окрестности исходной рабочей точки по постоянному току, а связь между этими изменениями предполагается линейная (в предыдущей главе мы уже рассмотрели особенности малосигнального анализа схем с биполярными транзисторами).

C1,C2 — Разделительные конденсаторы (являются элементами межкаскадных связей, предотвращают проникновение постоянной составляющей сигнала с выхода одного каскада усиления на вход другого, могут использоваться для коррекции частотных характеристик);

C3 — блокировочный конденсатор (уменьшает сопротивление переменному току в цепи эмиттера, блокирует действие ООС по току нагрузки в рабочем диапазоне частот усилителя, может использоваться для частотной коррекции);

С4 — фильтрующий конденсатор (предотвращает проникновение переменной составляющей сигнала в цепи питания)

Рис. 5.1. Схема усилительного каскада с ОЭ

В первую очередь нас будут интересовать следующие параметры каскада:

• входное сопротивление,

• выходное сопротивление,

• коэффициент усиления по току,

• коэффициент усиления по напряжнию,

• коэффициент усиления по мощности,

Для начала анализа составляется эквивалентная схема каскада для переменных составляющих токов и напряжений, в которой транзистор может быть представлен формальной схемой замещения или физической эквивалентной схемой (см. главу 4). На рис. 5.2 приведена такая эквивалентная схема для нашего случая.

Здесь и далее везде предполагается, что верхняя рабочая частота примененного транзистора много выше максимально возможной частоты входного сигнала, а эквивалентные сопротивления фильтрующего, разделительных и, если он есть, блокировочного конденсаторов ничтожно малы в рабочей полосе частот, и они воспринимаются короткозамкнутыми для переменного сигнала.

Рис. 5.2. Эквивалентная схема усилительного каскада с ОЭ (рис.5.1) для переменных составляющих токов и напряжений

Направления переменных токов и напряжений, принимаемые при построении эквивалентной схемы за положительные, в принципе, могут выбираться произвольно. Но если мы хотим сохранить хоть какой-то физический смысл в этих обозначениях и упростить вычисления, то вынуждены придерживаться некоторой системы. Во-первых, отметим, что все выбираемые направления взаимосвязаны друг с другом, и, задавая положительное направление какого-либо одного параметра, мы уже не имеем особой свободы в выборе положительных направлений для остальных. Начинать удобнее всего с задания положительных направлений для переменных токов всех электродов транзистора. Их лучше всего принять совпадающими с направлениями постоянных токов на этих электродах. Положительное направление тока генератора , учитывающего усилительные свойства транзистора, должно совпадать с выбранным направлением тока коллектора. В качестве источника сигнала в рассматриваемой эквивалентной схеме выступает идеализированный источник переменного напряжения . Для этой цели можно было бы использовать и источник переменного тока. Выбор определяется удобством вычислений, и в дальнейшем мы будем использовать оба этих способа. Заметим, что направление входного источника напряжения на эквивалентной схеме задано так, чтобы направление входного тока совпало с выбранным положительным направлением тока базы. Вообще, направления всех напряжений в схеме автоматически определяются заданными направлениями токов.

А теперь снова обратимся к эквивалентной схеме, которую мы построили, руководствуясь всеми описанными выше правилами (рис. 5.2). Видно, что направление входного напряжения противоположно направлению напряжения на нагрузке . Это означает, что усилитель с ОЭ инвертирует проходящий через него переменный сигнал (т.е. изменяет его фазу на 180°). Здесь следует пояснить один момент. Сравнивая входной и выходной сигналы, мы имеем в виду их значения относительно земли схемы. Однако мы могли бы рассматривать выходной сигнал как сигнал между выходом каскада и плюсом (для схемы на рис. 5.1) источника питания. В этом случае инверсии как бы нет. Поэтому иногда говорят, что на нагрузке, подключаемой между выходом каскада и землей мы имеем инвертированный сигнал, а на нагрузке, подключаемой между выходом и плюсом питания (как резистор ) — неинвертированный. Но читатель должен понимать, что в данном случае речь идет только об изменении точки отсчета (задании нулевого уровня) для выходного сигнала. Ведя одинаковый отсчет входного и выходного сигналов (например, относительно земли схемы), мы будем всегда иметь инверсию, что и получило отражение в построенной эквивалентной схеме.

Сопротивление отражает общее сопротивление входных цепей каскада переменному току и в нашем случае равно: [3]

Входное сопротивление эквивалентной схемы на рис. 5.2 определяется параллельным включением цепи смещения базы и входным сопротивлением транзистора

В предположении отсутствия блокировочного конденсатора для переменного напряжения в точках схемы Б—Корпус можно записать:

Тогда:

(5.1)

Таким образом, входное сопротивление транзисторного усилительного каскада по схеме с ОЭ определяется цепью делителя и , коэффициентом передачи тока базы и сопротивлением ООС по переменному току в цепи эмиттера Если подключить конденсатор , то общий импеданс цепочки автосмещения определится по формуле:

где

а в формуле для вычисления этот импеданс займет место величины

Выходное сопротивление( ) эквивалентной схемы на рис. 5.2 определяется при отключенной нагрузке по переменному току и нулевом входном сигнале, т.е. (следовательно, ). Для усилительного каскада с ОЭ, как правило, выполняется поэтому можно считать или в общем случае

Коэффициент усиления по току Входной ток усилительного каскада содержит две составляющие:

— ток делителя, определяющий часть мощности входного сигнала, рассеиваемой в цепи делителя;

— ток базы, определяющий часть мощности входного сигнала, затрачиваемой на управление коллекторным током.

И далее получаем:

где — коэффициент передачи тока входной цепи.

Ток в нагрузке зависит от токораспределения в выходной цепи:

С учетом записывается:

где — коэффициент передачи тока выходной цепи.

Коэффициент усиления по току эквивалентной схемы на рис. 5.2 определяется соотношением:

(5.3)

Максимальный коэффициент усиления по току достигается при условиях: и

Коэффициент усиления по напряжению . Переменное напряжение на выходе каскада (на нагрузке) определяется соотношением:

где

С другой стороны, для переменного напряжения на входе усилительного каскада можно записать:

Коэффициент усиления по напряжению схемы определяется как отношение выходного напряжения к входному:

.

Для условия получаем:

(5.4)

А если дополнительно предположить, что , то:

И наконец, если учесть еще несколько часто имеющих место на практике соотношений: и итоге получается простая расчетная формула:

(5.5)

Коэффициент усиления по мощности Перемножение соотношений, полученных ранее для коэффициентов усиления по току и по напряжению , дает формулу для коэффициента усиления по мощности схемы на рис. 5.2:

(5.6)

Учет предыдущих допущений — , , и — дает приближенную формулу для вычисления коэффициента усиления по мощности:

(5.7)