Усилительный каскад с ОЭ

Электрическая схема резистивного усилителя приведена на рисунке 4.21[3]. На входе каскада действуют уси­ливаемые переменные ток i_вх и напряжение u_вх, поступающие от источника сигнала, а на выходе – усиленные переменные ток i_н и напряжение u_вых (здесь и далее аргумент t у функций токов и напряжений для упрощения опущен).

Рисунок 4.21 – Схема усилительного каскада с ОЭ

В этой схеме усилительного каскада конденсаторы С₁ и С₂ – разделительные. Конденсатор С₁ препятствует протеканию постоянного тока от ис­точника питания Е_к в цепь источника входного сигнала, что не позволяет шунтировать входную цепь усилительного каскада цепью источника сигнала по постоянному току. Конденсатор С₂ обеспечивает выделение из коллекторного тока переменной составляющей, поступающей на резистор нагрузки R_н (в качестве сопротивления нагрузки, как правило, выступает входное сопротивление следующего каскада) и не пропускает постоянную составляющую тока источника питания Е_к на базу транзистора следующего каскада. Резисторы базового делителя напряжения R₁, R₂ задают режим покоя транзистора, при котором в нем протекают только постоянные токи покоя базы I_бп, коллектора I_кп и эмиттера I_эп, а на его базе, коллекторе и эмиттере соответственно действуют постоян­ные напряжения (потенциалы) покоя U_бп, и U_эп.

Резистор R_э составляет цепь последовательной отрицательной обрат­ной связи (ООС) по току, предназначенной для стабилизации режима покоя транзи­стора при изменении его температуры (для термостабилизации).

Действие обратной связи объясняется следующим образом. При увеличении, например, из-за роста температуры тока коллектора покоя I_кп возрас­тают ток эмиттера покоя I_эп и падение напряжения на резисторе R_э, посколь­ку U_эп = I_эпR_э. Так как напряжение между базой и общей точкой (потенциал базы) U_бп фиксировано базовым делителем R₁, R₂, и U_бп = U_бэп + U_эп, то с увеличением напряжения U_эп уменьшается напряжение U_бэп. Это приводит к призакрыванию транзистора и сниже­нию тока коллектора покоя I_кп. Тем самым производится компенсация пер­воначального увеличения тока коллектора покоя.

Включение резистора R_э, в цепь эмиттера изменяет работу каскада и при усилении переменного сигнала. Переменный ток эмиттера создает на рези­сторе R_э падение напряжения u_э = i_эR_э, которое уменьшает усиливаемое на­пряжение, подводимое к базе транзистора, ведь u_бэ = u_вх – u_э. При этом сни­жается и коэффициент усиления каскада, поскольку действует ООС по переменному току. Для ее исключения резистор R_э шунтируют конденсатором С_э достаточно большой емкости. Поскольку сопротивление конденсатора мало, то переменный ток протекает по нему и не создает падения напряжения на резисторе R_э.

Резистор R_к является нагрузкой транзистора (нагрузка каскада в режиме холостого хода, когда R_н→∞) и обеспечивает необходимый ток коллектора.

Конденсатор большой ёмкости С_бл шунтирует источник питания Е_к по переменному току, исключая падение полезного переменного напряжения на внутреннем сопротивлении источника питания.

Принцип действия усилительного каскада с ОЭ состоит в следующем. При включении источника питания Е_к и отсутствии переменного напряжения сигнала на входе каскада в выходной коллекторной цепи его протекает только постоянный коллекторный ток I_кп≈I_эп по цепи: +Е_к, резистор R_к, коллектор-эмиттер транзистора, резистор R_э,– Е_к. Этот ток называется током покоя. Во входной цепи протекает ток делителя I_д и ток базы покоя I_бп. Ток делителя протекает по цепи: +Е_к, R₁, R₂, -Е_к, а ток I_бп – по цепи: +Е_к, R₁, база-эмиттер транзистора, R_э, -Е_к.

При подаче на вход каскада переменного напряжения сигнала в цепи базы появляется переменная составляющая тока базы транзистора, вызывающая появление в цепи коллектора переменной составляющей коллекторного тока i_к.

Переменная составляющая входного тока протекает от верхнего зажима источник входного сигнала через С₁ и далее разветвляется на три составляющие: одна протекает через резистор R₂ к нижнему зажиму источника входного сигнала, вторая – через резистор R₁, C_бл к нижнему зажиму источника входного сигнала, третья – через участок база-эмиттер, С_э также к нижнему зажиму источника входного сигнала. Таким образом, по переменному току резисторы R₁ и R₂ включены параллельно.

Источником переменного тока в выходной цепи является транзистор. Переменный коллекторный ток транзистора разветвляется на две цепи: одна – резистор R_к, С_бл, общий провод (общая точка), С_э, эмиттер транзистора, а другая – конденсатор С₂, R_н, общий провод, С_э, эмиттер транзистора. Таким образом, резисторы R_к и R_н по переменному току включены параллельно.

Протекая через резистор R_н, переменная составляющая коллекторного тока i_к создает на нем переменное (выходное) напряжение.

Выходное напряжение оказывается больше входного, т.е. каскад усиливает входной переменный сигнал.

Процесс усиления напряжения основан на преобразовании энергии источника постоянного напряжения Е_к в энергию переменного напряжения в выходной цепи в результате изменения сопротивления усилительного элемента по закону изменения входного сигнала. Изменение напряжения на входе вызывает изменение постоянного тока в выходной цепи, а следовательно, и изменение падения напряжения на резисторе нагрузки. Это изменяющееся напряжение (или ток) в выходной цепи и есть переменная составляющая выходного напряжения (или тока) выходной цепи. Она является составной частью напряжения (или тока) источника питания.

Работу усилительного каскада можно изобразить графически, как показано на рисунке 4.22[3]. Удобство графического метода заключается в наглядности, простоте нахождения связи параметров в режиме покоя каскада (U_кэп, I_кп) с амплитудными значениями его переменных составляющих (U_mвых, I_mвых).

Физические процессы, протекающие во входной цепи транзистора, графически представлены на рисунке 4.22,б. Здесь приведена входная характеристика I_б=f(U_бэ). Как видно на рисунке, она линейна. Чтобы не было линейных искажений входного сигнала, исходную рабочую точку (точку покоя) нужно выбирать на линейном участке характеристики (точка П на рисунке 4.22,б).

Для установления рабочей точки в выбранном участке характеристики необходимо на базу транзистора подать некоторое постоянное напряжение смещения U_бэп.

Появление на входе транзистора переменного напряжения сигнала U_вх вызывает изменение тока базы, т.е. появление переменной составляющей тока базы за счёт перемещения рабочей точки на входной характеристике.

Рисунок 4.22 – Графический анализ работы каскада ОЭ с помощью характеристик транзистора: а – выходных; б – входной

Физические процессы, протекающие в выходной цепи каскада, представлены графиками, приведенными на рисунке 4.22,а. При действии во входной цепи только напряжения смещения в выходной цепи протекает только постоянный ток коллектора I_кп.

С появлением в цепи базы переменного тока в цепи коллектора возникает переменная составляющая коллекторного тока, создающая на резисторе нагрузки R_н переменное падение напряжения U_вых.

Например, если U_вх возрастает, то возрастает напряжение U_бэ, а значит и прямое напряжение на эмиттерном переходе транзистора (транзистор n-p-n-типа). Тогда усиливается инжекция электронов из эмиттера в базу и их экстракция из базы в коллектор. Увеличивается ток базы. Коллекторный переход, смещенный в обратном направлении (активный режим работы транзистора), обогащается носителями заряда и его сопротивление уменьшается. Значит увеличивается коллекторный ток транзистора I_к (получает положительное приращение Δi_к, т.е. I_к=I_кп+Δi_к), создающий большее падение напряжения на параллельно включенных резисторах R_к и R_н (R_кн). При этом потенциал коллектора Uк, а значит и напряжение U_кэ уменьшается, т. е.

U_к= Е_к – I_кпR_к – Δi_кR_кн = U_кп – Δi_кR_кн . (4.31)

Выражение (4.31) показывает, что через резистор R_к протекают и постоянная и переменная составляющие коллекторного тока, а через резистор R_н – только переменная составляющая.

При максимальном приращении коллекторного тока, равном его амплитуде I_кm ,потенциал коллектора

U_к=U_кп-I_кmR_кн=U_кп-U_выхm . (4. 32)

Знак «-» в выражении (4.32 ) означает, что входное и выходное напряжения являются противофазными (сдвинуты по фазе на 180⁰).

Понятно, что в режиме холостого хода, когда сопротивление нагрузки каскада определяется лишь сопротивлением R_к>R_кн (при параллельном соединении резисторов R_к и R_н общее сопротивление R_кн меньше наименьшего из сопротивлений R_к и R_н), амплитуда выходного напряжения U_{вых m} возрастает. Значит в режиме холостого хода усиление каскада возрастает.

При расчетах каскада с ОЭ на выходных характеристиках транзистора (транзистор работает в активном режиме) проводят линию нагрузки по постоянному току (линия 1-2 на рисунке 4.22, а), положение которой определяется вторым законом Кирхгофа для коллектор­ной цепи каскада:

Е_к = U_кэп + I_кп (R_к + R_э) . (4. 33)

Данную линию можно провести из точки Е_к под углом g = arcctg 1/(R_к + R_э) (рисунок 4.22, а). На практике же ее строят по двум точкам, характеризующим режимы холостого хода (точка 1) и короткого замыкания (точка 2) в коллекторной цепи транзистора. Для точки 1 ток и напряжение холостого хода: I_кх = 0, U_кэх = Е_к; для точки 2 напряжение и ток короткого замыкания: U_кэз = 0; I_кз = Е_к/(R_к + R_э).

При расчетах любые значения тока I_кп и напряжения U_кэп определяются точками пересечений (рабочими точками) выходных характеристик с лини­ей нагрузки по постоянному току. Одна из этих точек, полученная для за­данного тока базы покоя I_бп, называется точкой покоя и обозначается бук­вой П (рисунок 4.22, а). Используя координаты точки покоя П, можно опреде­лить ток коллектора покоя I_кп напряжение коллектора покоя U_кэп и падение напряжения на резисторе R_к, равное U_Rк = I_кпR_к.

Для определения параметров выходного сигнала в динамическом режи­ме усиления (с подключенными входным сигналом и нагрузкой) используют линию нагрузки по переменному току (динамическую линию нагрузки). Если учесть, что сопротивления источника питания Е_к и конденсатора С₂ по переменному току малы, то сопротивление нагрузки по переменному току будет определяться параллельно включенными резисторами R_к и R_н:

R_кн = R_кR_н/( R_к + R_н) . (4. 34 )

Поскольку в режиме усиления входного сигнала токи в напряжения транзистора состоят из суммы постоянных и переменных составляющих, то штриховая линия 3–4 на рисунке 4.22, а -линия нагрузки по переменному току тоже пройдет через точку покоя П. И поскольку R_кн < R_к, то линия будет находиться под углом g_н = arcctg 1/R_кн, большим, чем угол g. Для ее построения на оси абсцисс отмечают точку 3, где формально напряжение равно сумме U_кн + I_кпR_кн, и через нее и точку Ппроводят прямую .

При использовании каскада с ОЭ для усиления мощности необходимо учитывать параметры предельно допустимых режимов работы транзисто­ра. Таких параметров три и они строятся на выходных характеристиках (рисунок 4.22, а). Кривая допустимой мощности рассеяния строится по формуле Р_кдоп = U_кэI_к и представляет собой гиперболу, а линии допустимых коллек­торного тока I_кдоп и напряжения коллектор-эмиттер U_кэдоп — прямые, парал­лельные осям координат. Параметры Р_кдоп, I_кдоп, U_кэдоп находятся из справочной литературы.

В целях исключения иска­жений формы выходного сигнала необходимо обеспечить такой режим работы транзистора, что­бы рабочая точка, перемещаясь по линии нагрузки, не выходила за пределы напряжения насыщения ∆U_нас (0,3...0,7 В) и отсечки(U_кэотс≈E).

Основные показатели уси­лительного каскада ОЭ обычно рассчитывают с помощью h-naраметров транзистора, исполь­зуя эквивалентную схему каскада с ОЭ (рисунок 4.23)[4], основой которой является схема замещения транзистора (обведена штриховой линией). В упрощенной схеме замещения транзистор формально представляется активным линей­ным четырехполюсником, на входе которого действуют напряжение U_вх и ток I_вх, а на выходе – напряжение U_вых и ток I_н.

Рисунок 4.23 – Эквивалентная схема каскада ОЭ

Указанные величины представлены действующими значениями, связанными с известными амплитудными формулами: ,

В схеме резистор h₁₁ отражает входное сопротивление, эквивалентный гене­ратор тока h₁₁I_б – усилительные свойства, а сопротивление 1/ h₂₂ – величину, обратную выходной проводимости транзистора. Отметим, что в эквива­лентной схеме не показаны конденсаторы и источник питания, так как их сопротивления по переменному току близки к нулю. Поэтому резисторы R_ки R_н включены непосредственно между эмиттером и коллектором. Сопротивление R_б=R₁R₂/(R₁+R₂) показывает наличие базового делителя, резисторы R₁, R₂ которого по переменному току соединены параллельно. Формулы для расче­та сопротивлений R₁ и R₂ нетрудно получить из схемы на рисунке 4.21:

; (4. 35)

Входное сопротивление каскада при R_б >>h₁₁:

R_вх = U_вх/I_вх = R_бh₁₁/(R_б + h₁₁) » h₁₁. (4.36)

Выходное сопротивление с учетом неравенства R_к, R_н<< 1/ h₂₂

. (4. 37)

Коэффициент усиления по напряжению:

. (4.38)

Коэффициент усиления по току:

K_i = I_н/I_вх » I_к/I_б » h₂₁ . (4. 39)