Изучение схемы и работы однокаскадного усилителя напряжения переменного тока, построенного на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером, и измерение характеристик усилителя.
Объект исследования и основные теоретические положения
Усилительный каскад с емкостными связями на биполярном транзисторе в схеме с общим эмиттером (ОЭ) широко применяется для усиления сигналов переменного тока как в исполнении на дискретных компонентах, так и в составе интегральных микросхем. На рисунке 1 приведена схема каскада с ОЭ.
Рис. 1. Схема усилительного каскада с емкостной связью на биполярном транзисторе с общим эмиттером
Резистор Rбв цепи базы обеспечивает ток базы покоя Iб.о, который задает требуемую точку покоя (Iк.о;Uкэ.о) в статическом режиме.
Конденсатор С1 изолирует вход каскада по постоянному току и соединяет его с источником сигнала по переменному току. Конденсатор С2 выполняет такую же функцию по отношению к выходу каскада и нагрузке. Оба конденсатора должны иметь достаточно малое сопротивление на частоте сигнала.
В статическом состоянии (в покое) рабочая точка характеризуется током коллектора покоя Iк.о и напряжением коллектор-эмиттер Uкэ.о. Эти значения связаны уравнением статической линии нагрузки:
Uкэ.о = Eк – Iк.о·Rк. (1)
Для переменного тока (т. е. сигнала) реактивное сопротивление конденсатора С2 мало и поэтому сопротивления нагрузки и коллектора включены параллельно: Rк.н= Rк||Rн. Колебания тока коллектора и напряжения на коллекторе связаны динамической линией нагрузки, которая проходит через точку покоя О под большим углом к оси Uкэ, чем статическая:
Uкэ = Eк.экв – Iк ·Rк.н, (2)
где Eк.экв – напряжение эквивалентного источника:
. (3)
Статическая и динамическая линии нагрузки показаны на рисунке 2.
Рис. 2. Графики статической и динамической линий нагрузки
Для малых приращений тока коллектора и напряжения коллектор–эмиттер уравнение динамической линии нагрузки имеет вид
DUкэ = – DIк Rк.н .
При усилении гармонических колебаний амплитуды переменных составляющих напряжения на коллекторе и тока коллектора связаны соотношением
Uкэ.m = Iк.mRк.н .
Положение точки покоя (Iк.о;Uкэ.о) на статической линии нагрузки удобно определять графо-аналитическим методом, располагая графиками выходных характеристик. Для того, чтобы обеспечить симметричные условия для положительной и отрицательной полуволн колебаний выходного напряжения, точку покоя (Iк.о; Uкэ.о) следует выбирать в середине активного участка динамической линии нагрузки.
Напряжение Uкэ.о можно принять равным четверти напряжения питания:
Uкэ.о = 0,25 Eк. (4)
Из этого условия можно вычислить ток коллектора в статическом режиме Iк.о:
. (5)
и ток базы Iб.о:
, (6)
после чего рассчитать сопротивления Rб:
. (7)
Выходную проводимость h22э в (6) принять равной 0,02 мСм, напряжение на эмиттерном переходе Uбэ.о = 0,6 В.
Резистор Rос в цепи эмиттера, как правило, имеет небольшое сопротивление и не влияет на статический режим. Но он оказывает заметное влияние на переменном токе, так как является элементом отрицательной обратной связи.
Коэффициент усиления по напряжению усилительного каскада в области средних частот равен
, (8)
где Rвх.тр – входное сопротивление транзистора.
Без резистора Rос в цепи эмиттера Rвх.тр = h11э, и усиление максимально. Резистор Rос увеличивает входное сопротивление транзистора Rвх.тр:
Rвх.тр.ос = h11э + (h21э + 1)Rос. (9)
Величина называется «петлевым усилением» и характеризует глубину обратной связи. Отрицательная ОС снижает усиление в раз, т. е.
(10)
и во столько же раз увеличивает входное сопротивление:
.
Необходимо выбрать величину Rос, исходя из заданного коэффициента усиления Ku.
В области низких частот (НЧ) усиление каскада уменьшается из-за влияния разделительных конденсаторов C1 и C2:
,
где τн – постоянная времени усилителя в области НЧ.
Нижняя граничная частота, на которой усиление уменьшается в раз, равна
. (11)
Величина τн определяется постоянными времени двух цепей, в которые входят указанные выше конденсаторы:
. (12)
Здесь постоянная времени входной цепи равна
tн1 = Rвх.тр.ос·C1, (13)
где Rвх.тр.ос – входное сопротивление каскада с учетом влияния ООС,
постоянная времени выходной цепи равна
tн2 = (Rк + Rн)·C2. (14)
Исходя из заданной нижней частоты усилителя fн, с помощью (11) можно определить требуемую величину постоянной времени τн и найти значения tн1 и tн2. Целесообразно принять постоянные времени обеих цепей одинаковыми: tн1 = tн2 = 2 tн, после чего рассчитать емкости конденсаторов по формулам (13) и (14).
С повышением частоты также происходит уменьшение коэффициента усиления по сравнению с областью средних частот:
, (15)
где tв – постоянная времени усилителя в области высоких частот (ВЧ).
Снижение усиления на ВЧ обусловлено двумя факторами:
1) уменьшением модуля дифференциального коэффициента передачи тока базы βдиф по сравнению с h21э;
2) влиянием выходной емкости транзистора Свых и емкости нагрузки Сн, шунтирующих выходную цепь усилителя.
Поэтому tв определяется и частотными свойствами транзистора (с учетом ООС), и паразитными емкостями.
Верхняя частота усилителя fв, на которой усиление уменьшается в раз по сравнению с областью средних частот, равна
. (3)
. (5)
, (6)
. (7)
, (8)
называется «петлевым усилением» и характеризует глубину обратной связи. Отрицательная ОС снижает усиление в 
раз, т. е.
(10)
.
,
раз, равна
. (11)
. (12)
, (15)
. (16)