Усилительные свойства одиночных каскадов

Содержание

 

Введение

1. Включение транзистора по схеме с общим эмиттером

2. Включение транзистора по схеме с общей базой

3. Включение транзистора по схеме с общим коллектором

4. Работа усилительных каскадов в области низких частот

5. Работа усилительных каскадов в области высоких частот

6. Дифференциальный каскад

Библиографический список

 

Введение

Усилительные каскады РЭА любой степени сложности могут быть представлены в виде различных комбинаций трёх основных схем включения транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК) и с общей базой (ОБ). (Для полевых транзисторов – соответственно: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ).) Такое название схемы включения получили в зависимости от того, какой электрод транзистора является общим как для входной цепи (источника сигнала), так и для выходной цепи (нагрузки).

Для упрощения рассмотрения характеристик усилительных каскадов будем применять n-p-n транзисторы, хотя все рассуждения останутся справедливыми и для транзисторов p-n-p, необходимо только будет изменить полярность питающих напряжений и полярность включения электролитических конденсаторов, если они есть в схеме.

1. Включение транзистора по схеме с общим эмиттером

Принцип работы схемы с ОЭ рассмотрим на примере рисунка 1. Предположим, что с помощью делителя напряжения R1 и R2 задан такой режим, что в коллекторе протекает ток 1 мА, а напряжение на коллекторе составляет 5 В; то есть транзистор находится в активном режиме. Рассмотрение будем проводить для области средних частот, когда влиянием разделительных конденсаторов (С_Р.ВХ, С_Р.Н) можно пренебречь, блокировочный конденсатор С_БЛ можно рассматривать как короткое замыкание соответствующего вывода схемы на общую шину, а влияние паразитных ёмкостей и инерционность транзистора ещё не сказывается.

Рис. 1. Усилительный каскад с включением транзистора по схеме с ОЭ

Если входное напряжение Е_С повысить на небольшую величину, то коллекторный ток также увеличится. Поскольку выходные характеристики транзистора проходят почти горизонтально, можно сделать допущение, что ток коллектора I_К зависит только от  и не зависит от напряжения коллектор-эмиттер . Тогда приращение тока коллектора составит:

,

где S – крутизна прямой передачи (параметр Y₂₁ в схеме с ОЭ).

Приращение тока коллектора протекает через параллельно соединённые резисторы R₃ и R_Н, то есть через некоторое эквивалентное сопротивление R_Н.Э, следовательно, выходное напряжение получает приращение:

.

Таким образом, схема обеспечивает коэффициент усиления по напряжению:

. (1)

(Знак "минус" означает, что фаза выходного напряжения инвертирована по отношению ко входному.)

Более точный анализ, учитывающий конечное выходное сопротивление транзистора r_КЭ, даёт следующий результат:

|| r_КЭ).

При сопротивлении R_Н.Э = 1¸5 кОм и сопротивлении r_КЭ » 100 кОм читателю предлагается самостоятельно убедиться в допустимости применения приближённого выражения (1) для определения коэффициента усиления по напряжению.

Приближённо можно считать, что:

,

где r_Э = j_Т /I_Э » j_Т /I_К.

Тогда выражение (1) можно представить в виде:

 (2)

Если R_Н отсутствует, выражение можно представить следующим образом:

то есть коэффициент усиления пропорционален падению напряжения на коллекторном сопротивлении R

Если предположить, что в коллекторной цепи установлено некоторое сопротивление, стремящееся к бесконечности (по крайней мере, выполнить условие R₃ >> r_КЭ), предельно возможный коэффициент усиления одиночного каскада можно определить как:

Для современных n-p-n транзисторов  может составить 4000¸7000, для транзисторов типа p-n-p – 1500¸5500.

Входное сопротивление схемы с ОЭ без учёта влияния делителя напряжения в цепи базы определяется через h-параметры эквивалентной схемы:

, (3)

где r_Б = 30¸50 Ом – объёмное сопротивление базы транзистора.

Влияние входного сопротивления существенно сказывается на усилительных свойствах схемы, если сопротивление источника сигнала R_C ¹ 0.

Действительно, между входным сопротивлением усилителя и выходным сопротивлением источника сигнала R_C образуется делитель напряжения, в результате коэффициент усиления напряжения источника сигнала Е_С уменьшается:

.

Без строгих доказательств выходное сопротивление схемы с ОЭ можно принять равным:

, (4)

то есть выходное сопротивление, по сути, параллельно включённые коллекторное сопротивление и собственно выходное сопротивление транзистора.

В большинстве случаев можно считать, что выходное сопротивление схемы с ОЭ определяется коллекторным сопротивлением, которое обычно составляет несколько килоом. Поэтому нагрузка усилительного каскада в схеме с ОЭ должна быть высокоомной.

Коэффициент усиления по мощности в схеме с ОЭ самый большой из всех схем включения транзистора:

где K_I = b – коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ (в случае, если влиянием делителя напряжения в цепи базы можно пренебречь).

Через резистор R4 осуществляется отрицательная обратная связь, которая отсутствует на переменном токе, так как этот резистор зашунтирован конденсатором С_БЛ.

Если конденсатор С_БЛ отсутствует, то коэффициент усиления схемы по напряжению можно определить как:

, (5)

то есть К_U определяется параметрами резисторов и практически не зависит от свойств транзистора, по крайней мере, в области средних частот. Но плата за это – существенно меньший коэффициент усиления, так как типовое значение r_Э составляет 25 Ом при токе 1 мА, а сопротивление резистора R4, как правило, много больше этого значения.

Входное сопротивление каскада также изменяется: оно возрастает:

. (6)

Обратите внимание, что входное сопротивление за счёт действия отрицательной обратной связи по току возрастает во столько раз, во сколько раз снижается коэффициент усиления по напряжению.

Если на переменном токе отрицательная обратная связь не желательна, ёмкость конденсатора С_БЛ выбирается из следующих соображений.

Заменим в выражении (5) R₄ на комплексное сопротивление параллельно соединённых резистора R4 и конденсатора С_БЛ:

.

Тогда для модуля коэффициента усиления можно построить асимптотическую частотную характеристику, приведённую на рисунке 2.

Частоты f₁ и f₂ определяются как

Частота f₂, по сути, представляет собой частоту среза частотной характеристики усиления в низкочастотной области. При заданном токе эмиттера транзистора и частоте f₂ легко определить требуемую ёмкость конденсатора С_БЛ.

Рис. 2. Влияние конденсатора C_БЛ на частотную характеристикуc усилителя в схеме с ОЭ

Если всё же требуется осуществить неглубокую отрицательную обратную связь по переменному току, можно включить резистор  последовательно с конденсатором С_БЛ.

Выходное сопротивление каскада за счёт действия отрицательной обратной связи по току растёт незначительно, и в пределе стремится к R₃, если R_Н отсутствует.