Каскад с последовательной отрицательной обратной связью по току нагрузки

Типовая схема транзисторного каскада с общим эмиттером, охваченного последовательной отрицательной обратной связью (ООС) по току нагрузки, приведена на рис. 2.3.5.

Рис. 2.3.5. Транзисторный каскад с цепью последовательной ООС по току нагрузки.

Эта связь образуется за счет введения в эмиттерную цепь транзистора VТ резистора . Ток эмиттера, протекая по резистору , создает на нем напряжения . Эго напряжение алгебраически складывается с входным напряжением и_вх, присутствующем на резисторе делителя . Сумма напряжений прикладывается к эмиттерному переходу транзистора и, по сути, является входным напряжением каскада. Входное напряжение и напряжение обратной связи направлены встречно, поэтому обратная связь отрицательна.

Введение резистора снижает общий коэффициент усиления каскада, повышает его входное и выходное сопротивления, расширяет полосу усиливаемых частот и снижает линейные и нелинейные искажения. Следует отметить, что в реальных усилительных каскадах повышение входного сопротивления несколько компенсирует снижение его общего коэффициента усиления за счет увеличения коэффициента передачи входного делителя.

Коэффициент усиления каскада (рис. 2.3.5), охваченного цепью ООС, равен:

. (2.3.12)

Для рассматриваемой схемы может быть определен следующим образом:

. (2.3.13)

Обычно из-за большого значения можно с достаточной точностью полагать, что . Тогда выражение для коэффициента передачи цепи ООС примет вид

. (2.3.14)

Подставляя в выражение для коэффициента передачи усилителя с ООС, непосредственно для транзисторного каскада получим: . (2.3.15)

Входное сопротивление каскада:

(2.3.16)

Из (2.3.16) следует, что выражение (2.3.15) аналогично исходному выражению коэффициента усиления каскада. Тогда можно записать выражения для коэффициента усиления всего каскада

, (2.3.17)

где - эквивалентное сопротивление делителя на резисторах , приведенного к схеме на рис. 2.3.1. Выходное сопротивление каскада равно:

(2.3.18)

Ранее было показано, что основными причинами нестабильности тока коллектора является изменение температуры окружающей среды, вызывающей изменения напряжения эмиттерного перехода , начального тока коллектора и коэффициента передачи тока . Для современных кремниевых транзисторов можно полагать, что из-за малости абсолютного значения влиянием этого параметра можно пренебречь. Поэтому ограничимся рассмотрением влияния на ток только температурных изменений и .

Как уже известно, ток покоя транзистора связан с током базы соотношением . Переходя в приведенном выражении к приращениям, получим:

,

или, полагая ,

. (2.3.19)

Используя теорему об эквивалентном генераторе, схему на рис. 2.3.5 всегда можно привести к схеме на рис. 2.3.1,а. Тогда для исследуемой схемы можно записать:

, (2.3.20)

или переходя к приращениям:

. (2.3.21)

Подставив (2.3.21) в (2.3.20):

. (2.3.22)

Величину называют коэффициентом нестабильности.

Допустимый диапазон изменения , при изменении сопротивления эмиттерного резистора можно определить, воспользовавшись правилом Лопиталя:

;

.

Полученные выражения показывают, что минимальный и максимальный ток покоя транзистора определяются выражениями:

, при ; (2.3.23)

, при .

Из проведенного анализа можно сделать два практических вывода:

введением цепи ООС нестабильность значения не может быть уменьшена ниже величины ;

зная исходную и требуемую нестабильности тока покоя транзистора и используя выражение (2.3.22), всегда можно найти требуемую глубину ООС (величину ), необходимую для обеспечения заданных параметров усилительного каскада.

В реальных схемах обычно лежит в диапазоне 2...5. Тогда, полагая в (2.3.22) и - можно получить простое расчетное соотношение:

. (2.3.24)

Зная требуемые и от расчетной схемы на рис. 2.3.1, можно легко вернуться к исходной схеме.