ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ НА ТРАНЗИСТОРАХ

§ 4.1. Каскад с общим эмиттером

Простейшая приннципиальная схема усилительного каскада с общим эмиттером (ОЭ) приведена на рис. 4.1, а. Режим по постоянному току класса А создается в схеме с помощью базового резистора , подключенного к шине источника питания.

Тогда ток базы в отсутствие входного сигнала, обеспечивающий заданное положение рабочей точки покоя О на нагрузочной прямой выходной характеристики транзистора, определяется из формулы

Ток покоя коллектора

Разделительные конденсаторы осуществляют развязку каскада по постоянному току от генератора входного сигнала и нагрузки, так как не пропускают постоянную составляющую любого сигнала.

Таким образом, в отсутствие входного сигнала напряжение на базе не зависит от величины постоянной составляющей генератора Его, а напряжение на нагрузке равно нулю, хотя напряжение на коллекторе .

Емкости разделительных конденсаторов выбирают такими, чтобы в рабочем диапазоне частот (в области полосы пропускания) конденсаторы не оказывали заметного влияния на прохождение переменной составляющей сигнала. Для этого положим, что емкостные сопротивления конденсаторов

на самой низкой частоте полосы пропускания близки к нулю. Тогда принципиальной схеме рис. 4.1, а для переменного сигнала соответствует эквивалентная схема, представленная на рис. 4.1, б, где транзистор заменен Т-образной эквивалентной схемой; генератор тока в коллекторной цепи транзистора; коэффициент усиления тока транзистора в схеме каскада с общим эмиттером, который в области средних частот является действительной величиной, т. е. не зависит от частоты; — омическое сопротивление базы, — дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода, — дифференциальные сопротивления коллекторных переходов в схеме с общим эмиттером и с общей базой, определяемые из справочника.

Рис. 4.1.

Величина является основным параметром, определяющим Усилительные свойства биполярного транзистора, и обычно приводится в справочниках.

Обозначение соответствует представлению транзистора в виде четырехполюсника с произвольной внутренней структурой (рис. 4.2). Такое представление удобно при измерении параметров транзистора со стороны внешних зажимов, так как внутренняя базовая точка в Т-образной эквивалентной схеме недоступна для подключения измерительных приборов.

Рис. 4.2.

Для определения параметров четырехполюсника обычно используется система -параметров, в которой измерение параметров по переменному току производится при разомкнутом входе (режим холостого хода) и при замкнутом выходе.

В этом случае система уравнений четырехполюсника имеет вид

где — входное сопротивление транзистора при коротком замыкании на выходе; коэффициент обратной передачи напряжения при холостом ходе на входе; — коэффициент прямой передачи (усиления) тока при коротком замыкании на выходе; — выходная проводимость при холостом ходе на входе.

Очевидно, для транзистора, включенного по схеме каскада ОЭ, в системе уравнений (4.1) можно записать

Для расчета параметров каскада ОЭ воспользуемся Т-образной эквивалентной схемой с учетом обозначений в системе -параметров.

Если выполняется условие , сопротивлением можно пренебречь, в остальных случаях пользуются эквивалентным коэффициентом усиления по току транзистора в схеме каскада ОЭ

Входное сопротивление каскада ОЭ

Переменный входной ток состоит из двух составляющих: базового тока транзистора и тока , протекающего через резистор .

Обычно сопротивление резистора R таково, что выполняется соотношение .

Пренебрегая током , можно записать

Входное напряжение (рис. 4.1, б) складывается из падений напряжения на сопротивлениях и определяется выражением

так как через сопротивление протекает ток , а через — сумма токов .

Рис. 4.3.

Рис. 4.4.

Следовательно,

Параметры маломощных транзисторов, входящие в формулу (4.4), составляют , поэтому входное сопротивление каскада с общим эмиттером — Ом.

Если учитывать ток через резистор R, то входное сопротивление каскада снижается:

Выходное сопротивление каскада ОЭ определим, подав на выходные зажимы переменное напряжение при разомкнутом нагрузочном резисторе и нулевом входном сигнале (рис. 4.3). Если считать, что доля тока коллектора, ответвляющаяся в цепь базы, ничтожно мала, т. е.

то выходной ток распределяется по двум параллельным цепям, одна из которых содержит резистор , а другая (рис. 4.3). Таким образом, учитывая, что , получим

Если условие (4.6) не выполняется, то

Коэффициент усиления каскада ОЭ по току без учета влияния резистора R определяется из выражения

Так как

то

Для входных каскадов ОЭ многокаскадного усилителя

Заменив генератор напряжения с внутренним на генератор тока (рис. 4.4), получим

Подставир выражение для в формулу (4.11), будем Иметь

Если учесть сопротивление резистора R, то в формуле (4.12) вместо следует пользоваться эквивалентным сопротивлением

Определим коэффициент усиления каскада ОЭ по напряжению. Записав

получим

или с учетом нагрузки

где - параллельное соединение резисторов и .

Для входных каскадов многокаскадных усилителей без учета влияния сопротивления резистора

— входное сопротивление следующего (второго) каскада усиления.

Если учитывать сопротивление резистора R, то

или

Подставив полученное выражение для в формулу (4.15), получим

Знак в формулах для показывает, что фаза входного сигнала на выходе усилителя изменяется на противоположную, т. е. на 180°.

Коэффициент усиления по мощности однокаскадного усилителя ОЭ без учета влияния резистора

При согласованных входе и выходе усилителя, т. е. , происходит максимальное усиление мощности

Приведенная на рис. 4.1, а схема каскада с общим эмиттером очень чувствительна к изменениям температуры, так как положение точки покоя на нагрузочной прямой определяется параметрами транзистора, которые зависят от температуры. К таким параметрам биполярного транзистора относятся: обратный ток коллекторного перехода ; коэффициент усиления по току напряжение на переходе эмиттер — база .

Изменение указанных параметров транзистора в диапазоне температуры вызывает смещение рабочей точки покоя на нагрузочной прямой, что может привести к линейным искажениям или даже отсечке выходного сигнала усилителя. Поэтому при работе транзисторных усилителей в широком диапазоне температур необходимо принять меры по обеспечению стабильности точки покоя. Наиболее Широко используется отрицательная обратная связь по постоянному току или напряжению.

На рис. 4.5 приведена схема ОЭ, в которой стабильность рабочей точки обеспечивается с помощью резистора , создающего отрицательную обратную связь по току.

Для исключения обратной связи по переменному току резистор шунтируют конденсатором . Делитель обеспечивает заданный потенциал на базе транзистора при выборе положения рабочей точки покоя.

Если резистор подключить между базой и коллектором возникает параллельная обратная связь по напряжению. Однако такой способ стабилизации рабочей точки применяется редко, так как при этом уменьшаются коэффициенты усиления и входное сопротивление схемы.

Отрицательная обратная связь по постоянному току действует в схеме рис. 4.5 следующим образом. Пусть при увеличении температуры коллекторный ток под действием приведенных выше дестабилизирующих факторов возрос.

Рис. 4.5.

Тогда увеличится падение напряжения на резисторе . Так как напряжение на базе транзистора фиксировано делителем напряжения , то увеличение приведет к уменьшению напряжения на эмиттерном переходе транзистора , базового тока , и в конечном счете коллекторного

Таким образом, отрицательная обратная связь, созданная в схеме (рис. 4.5) с помощью резистора , препятствует изменению коллекторного тока транзистора. При действии отрицательной обратной связи в схеме рис. 4.5 полное приращение коллекторного тока [3]

где

— коэффициент нестабильности, характеризующий эффективность отрицательной обратной связи; — сопротивление в базовой цепи, равное в схеме рис. 4.5 сопротивлению резисторов , соединенных параллельно.

При , т. е. исключении обратной связи, . Если же , то получим схему с идеальной термостабилизацией рабочей точки

Из выражения (4.18) следует, что с помощью отрицательной обратной связи невозможно обеспечить нулевое приращение коллекторного тока, так как сам принцип действия обратной связи требует наличия некоего начального разбаланса в схеме.

При идеальной термостабилизации рабочей точки с помощью обратной связи приращение коллекторного тока определяется выражением

Для дальнейшего повышения стабильности рабочей точки, т. е. уменьшения , можно использовать схемы с термокомпенсацией, в которых путем применения термозависимых нелинейных элементов (диодов, терморезисторов) осуществляется непосредственное воздействие на .

Режим каскада (рис. 4.5) по постоянному току тесно связан с обеспечением заданного коэффициента нестабильности s. При заданном коэффициенте s соотношение между определяется формулой

Учитывая, что , будем иметь

Из этой формулы следует, что для обеспечения малых значений s требуется увеличивать отношение . С одной стороны, с увеличением сопротивления резистора возрастает падение напряжения на нем при протекании эмиттерного тока покоя, что требует повышения напряжения источника питания для обеспечения заданного выходного напряжения. С другой стороны, снижается экономичность каскада, так как на расходуется мощность, потребляемая от источника питания.

При уменьшении сопротивлений резисторов или также возрастает потребляемая мощность, снижающая экономичность схемы, и, кроме того, уменьшается входное сопротивление усилителя.

Исходя из изложенного, значения коэффициента нестабильности выбирают в пределах 3—5 для каскадов на германиевых и 4—6 для каскадов на кремниевых транзисторах. Определим сопротивления резисторов , при которых обеспечивается заданный режим по постоянному току и коэффициент .

Записав напряжение , после преобразований получим

Определив из формулы (4.19) сопротивление параллельно соединенных резисторов , найдем

Емкость конденсатора выбирается из условия

где — сопротивление каскада переменному току со стороны эмиттера.

Условие (4.22) означает, что на самой низкой частоте полосы пропускания емкостное сопротивление конденсатора полностью шунтирует сопротивление .

При этом исключается отрицательная обратная связь по переменному току и коэффициент усиления по напряжению в схеме рис. 4.5 определяется из выражения (4.14).

Если необходимо обеспечить независимость коэффициента усиления от параметров транзистора, т. е. повысить его стабильность, то отрицательную обратную связь по переменному току рекомендуется не исключать, т. е. не шунтировать резистор конденсатором. В этом случае коэффициент усиления по напряжению уменьшается и становится равным (при )

где — входное сопротивление каскада с незашунтированным резистором .

При достаточно больших значениях , когда выполняются неравенства , получим

Тогда выражение (4.23) будет иметь вид

или с учетом нагрузки

Из выражений (4.25) и (4.26) следует, что коэффициент усиления в схеме с незашунтированным резистором зависит только от соотношения сопротивлений резисторов в коллекторной и эмиттерной цепях и от нагрузки.

Так как в реальных схемах предварительных каскадов усиления напряжения используются маломощные транзисторы с параметрами , то можно считать, что формулы (4.28) и (4.26) верны уже при .