Типовое схемное решение усилительного каскада с ОК и его анализ

На рис. 5.32 приведена схема усилительного каскада на биполярном транзисторе р-п-р-типа, включенном с ОК (для транзистора п-р-п-типа все останется прежним, только полярность источника питания, а соответственно, и направление токов изменятся на противоположные).

Прежде всего отметим, что единственное принципиальное отличие данной схемы от схемы усилительного каскада с ОЭ (рис. 5.1) состоит в том, что выходной сигнал снимается не с коллекторного, а с эмиттерного вывода транзистора. Мы, конечно, могли бы сказать, что кроме этого в схеме с ОК входной сигнал подается не на эмиттерный, а на коллекторный переход (точнее, между базой транзистора и минусом источника питания, являющимся на рис. 5.32 землей схемы). Однако, если глубоко вникнуть в данный вопрос, оказывается, что речь здесь идет только лишь о формальном выборе точки отсчета. Т.е. мы можем совершенно произвольно называть "входным сигналом" разность напряжений между базой и любым из полюсов источника питания. При этом изменятся лишь некоторые математические соотношения, отражающие работу усилителя, но не физические процессы в нем. Естественно, мы

С1, С2 — 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);

С3 — фильтрующий конденсатор (предотвращает проникновение переменной составляющей сигнала в цепи питания).

Рис. 5.32 Схема усилительного каскадасОК

должны позаботиться о том, чтобы полезный сигнал (тот, который мы хотим усилить) подавался именно так, как мы предполагали, проектируя усилитель, но это уже задача внешних по отношению к усилительному каскаду цепей.

Указанные обстоятельства показывают, что на практике разница между усилительными каскадами с ОЭ и с ОК очень невелика. Иногда даже бывает трудно идентифицировать тип того или иного усилителя. Тем не менее не стоит забывать, что мелкие, на первый взгляд, отличия могут стать определяющими в формировании общих характеристик каскада. Например, одним из таких важнейших отличий является отсутствие инверсии сигнала в усилителе с ОК (напомним, что сигнал, снимаемый с эмиттера транзистора в усилителе с ОЭ, поворачивается по отношению ко входному сигналу на 180°).

Теперь так же, как и для остальных видов усилительных каскадов, рассматривавшихся в настоящей книге, займемся детальным анализом усилителя с ОК (рис.5.32). Его полная эквивалентная схема для переменных токов и напряжений представлена на рис. 5.33.

При построении эквивалентной схемы в данном случае мы руководствовались теми же принципами, что были описаны в разделе 5.2 для каскада с ОЭ. Внимательный читатель заметит, что в схеме на рис. 5.33 условно-положительные направления переменных токов на электродах транзистора, а также направление источника тока в коллекторной цепи оказались противоположны тому, что было задано на рис. 5.2 в эквивалентной схеме каскада с ОЭ. Это совершенно логично, если вспомнить, что в данном случае мы рассматриваем усилитель на п-р-п-транзисторе (в схеме на рис. 5.2 мы полагали использование транзистора п-р-п-типа, и нам было удобно выбирать условно-положительные направления другими). По эквивалентной схеме сразу видно, что направления входного и выходного напряжений совпадают, именно это и означает, что инверсии сигнала в данном каскаде нет.

Сопротивление отражает общее сопротивление входных цепей каскада переменному току и в нашем случав равно: .

Рис. 5.33. Эквивалентная схема усилительного каскада с ОК (рис. 5.1) для переменных составляющих токов и напряжений

Входное сопротивление эквивалентной схемы на рис. 5.33 определяется как параллельное включение цепи смещения базы, ивходного сопротивления транзистора : , .

Запишем уравнение Кирхгофа для входной цепи транзистора (Б — Корпус):

Тогда:

. (5.29)

Таким образом, общее входное сопротивление транзисторного усилительного каскада по схеме с ОК определяется: параметрами делителя напряжения , ; коэффициентом передачи тока базы ; сопротивлением отрицательной обратной связи в цепи эмиттера . Более глубокий анализ показывает, что входное сопротивление в любом случае не превышает величины:

.

Сравнивая выражение (5.29) с формулой для входного сопротивления усилительного каскада с ОЭ (5.1), можно видеть, что отличия между ними минимальны и обусловлены только включением в эмиттерную цепь транзистора нагрузки , несколько шунтирующей резистор и снижающей тем самым входное сопротивление. На практике, однако, в каскадах с ОК обычно достигаются большие значения входного сопротивления, чем в каскадах с ОЭ. Причина здесь в том, что в каскаде с ОК резистор , обеспечивающий отрицательную обратную связь по току, как правило выбирается достаточно большим по сравнению с резистором , который в пределе может и вообще отсутствовать (эмиттерный повторитель).

Выходное сопротивление ( ) эквивалентной схемы на рис. 5.33 определяется при отключенной нагрузке по переменному току и нулевом входном сигнале, т.е. = 0. Рассмотрим случай, когда к точкам схемы Э— Корпус приложено напряжение сигнала стороннего генератора подключаемого вместо нагрузки ) . Сопротивление обычно достаточно велико, и его можно исключить из дальнейшего рассмотрения. Уравнение Кирхгофа для напряжения ( будет иметь следующий вид:

Выходное сопротивление в точках схемы Э — Корпус соответствует формуле , где:

.

Таким образом, выражение для полного выходного сопротивления схемы принимает вид:

. (5.30)

Сразу видно, что полученный в формуле (5.30) результат даже близко не лежит со значениями выходного сопротивления в каскадах с ОЭ (5.2) и с ОБ (5.20). В схеме с ОК выходное сопротивление оказывается очень малым, поскольку определяется только дифференциальным сопротивление эмиттерного перехода транзистора . У современных маломощных транзисторов величина обычно лежит в пределах 1...100 Ом. Она сильно зависит от постоянного ток эмиттера. В некотором приближении можно считать: . Т.е. при токе 10 мА выходное сопротивление каскада будет не более 3 Ом. Столь низкое выходное сопротивление каскада с ОК позволяет подключать к нему низкоомные нагрузки, обеспечивая при этом хороший КПД (напомним, что большой КПД достигается при значительнее превышении сопротивления нагрузки над выходным сопротивлением источника сигнала).

Коэффициент усиления по току Ток в нагрузке зависит от токораспределения в выходной цепи:

.

Поэтому

.

С учетом получаем:

,где

.—коэффициент передачи тока выходной цепи

Подобно схеме с ОЭ, входной ток в схеме с ОК также содержит две составляющие:

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

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

Поэтому коэффициент передачи тока входной цепи выражается так же, как и в схеме с ОЭ:

;

Коэффициент усиления по току определяется как отношение тока нагрузки ко входному току :

. (5.31)

Максимум коэффициента усиления по току достигается при и .

Коэффициент усиления по напряжению . Для напряжения выходного сигнала в схеме на рис. 5.33 можно записать:

В свою очередь, уравнение Кирхгофа для входной цепи имеет вид:

.

Дифференциальное сопротивление прямовключенного эмиттерного перехода на практике оказывается достаточно малым, и его влиянием в дальнейших вычислениях можно пренебречь.

Коэффициент усиления по напряжению равен отношению напряжения на нагрузке ко входному напряжению . И для него с учетом полученных выше соотношений можно записать:

(5.32)

Из полученной формулы видно, что каскад с ОК не обеспечивает усиления по напряжению (даже наоборот — имеется некоторое незначительное затухание сигнала). Может показаться, что такой каскад совершенно бесполезен (или, по крайней мере, неприменим в усилительных схемах), но это не так. Не обладая усилением по напряжению, схема с ОК имеет высокий коэффициент усиления по току, что позволяет использовать ее для усиления мощности. Коэффициент усиления по мощности, как мы сейчас покажем, здесь; достаточно высок.

Коэффициент усиления по мощности Перемножение соотношений (5.3 1) и (5.32) дает формулу для :

. (5.33)

Первый же взгляд на полученные нами соотношения (5.29) ... (5.33) показывает, что параметры каскада с ОК практически не зависят от величины сопротивления в коллекторной цепи транзистора. Естественно, возникает вопрос: а зачем тогда вообще нужно данное сопротивление? Может быть, оно оказывает какое-то положительное воздействие на стабильность исходной рабочей точки по постоянному току? Однако коэффициент нестабильности тока коллектора при выбранном способе построения цепей смещения будет тем меньше, чем большее сопротивление имеет резистор в эмиттерной цепи транзистора, образующий внутрикаскадную последовательную ООС по току. Это означает, что при заданной величине питающего напряжения максимальная температурная стабильность исходной рабочей точки достигается при нулевой величине сопротивления в цепи коллектора. Итак, мы приходим к выводу, что в схеме на рис. 5.32 мы можем спокойно принимать ) = 0, и это будет самое оптимальное решение.

Усилительный каскад на биполярном транзисторе во включении с ОК, в котором реализована 100%-ная последовательная ООС по току (т.е. ) = 0), принято называть эмиттерным повторителем. Оказывается, что подавляющее большинство усилителей с ОК, используемых в реальной схемотехнике, — это и есть эмиттерные повторители (данный факт продиктован оптимальностью их характеристик по сравнению с другими видами каскадов с ОК, как было пока­зано выше). В связи с этим в литературе довольно часто вообще не различают "эмиттерный повторитель" и, строго говоря, более общий термин "усилительный каскад с ОК". Однако мы копнем несколько глубже и покажем пару случаев, когда усилитель все-таки может строиться по более общей схеме с ОК и не подпадать под данное нами определение эмиттерного повторителя.

Самое первое, что приходит в голову, это вопрос: а может ли нам понадобиться снимать какой-либо вспомогательный сигнал с коллектора транзистора (так же, как мы это делаем в схемах с ОЭ)? Ответ очевиден — конечно, да. Это могут быть как сигналы, передаваемые в последующие каскады схемы, так и используемые цепями обратной связи (внутри- или междукаскадными). Снимая сигнал с коллектора, мы уже не можем устанавливать нулевое значение сопротивления в цепи коллектора (иначе никакого полезного сигнала на коллекторе не будет), т.е. усилитель неизбежно перестает быть эмиттерным повторителем. Строго говоря, усилительный каскад, в котором в качестве выходных выступают сигналы, снимаемые и с коллектора, и с эмиттера транзистора, вообще нельзя однозначно идентифицировать как каскад с ОК или с ОЭ — для его анализа потребуются соотношения, выведенные нами для обоих видов усилительных каскадов. На самом деле на практике такие "двойственные" схемы встречаются довольно часто. Это обусловлено тем, что очень удобно иметь в своем распоряжении два противофазных источника сигнала (с эмиттера и коллектора транзистора), выбирая и комбинируя их для оптимального построения последующих схем усиления, коррекции или любой другой обработки.

Обратимся теперь к главе 3, в которой мы описывали возможные схемы задания исходной рабочей точки по постоянному току. В схеме на рис. 5.32 мы представили случай; эмиттерно-базовой стабилизации с ООС по току. Однако на практике возможны и другие решения. Например, схема эмиттерно-базовой стабилизации с ООС по току и ООС по напряжению, в которой резистор подключается к выводу коллектора транзистора, а величина резистора оказывает непосредственное влияние на глубину ООС по напряжению и должна выбираться по крайней мере сравнимой с величиной Впрочем, такие схемы встречаются достаточно редко, и подробный анализ мы здесь проводить не будем. Отметим лишь еще раз, что все многообразие усилительных каскадов с ОК не ограничивается только эмиттерным повторителем, как это можно понять из некоторых книг.

Подведя итог, представим краткое изложение основный! свойств каскада с ОК.

Не обладая усилением по напряжению, каскад с ОК обеспечивает значительное усиление по току, следствием этого является значительное усиление по мощности.

Каскад с ОК имеет достаточно высокое входное сопротивление, аналогичное входному сопротивлению каскада о ОЭ. При этом его выходное сопротивление очень мало, т.е», он особенно удобен для согласования высокоомных источников сигнала с низкоомной нагрузкой. На практике мы можем значительно повысить входное сопротивление (обычно гораздо больше, чем в каскаде с ОЭ), используя принцип следящей связи, описанный при рассмотрении усилителей с ОЭ. Малое выходное сопротивление делает каскад с ОК идеальным при согласовании с емкостной нагрузкой.

Частотные свойства каскада с ОК (как и каскадов с ОЭ и ОБ) полностью определяются частотными свойствами применяемого транзистора, однако на практике из-за обычно имеющей место глубокой ООС каскад с ОК является более высокочастотным, чем каскад с ОЭ.

Глава 6. Практические примеры разработки усилительных каскадов на биполярных транзисторах