УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ Принцип построения усилительных каскадов

Многие усилители состоят из нескольких ступеней, осуществляю­щих последовательное усиление сигнала и обычно называемых каскадами. Число каскадов в таких многокаскадных усилителях зависит от требуемых значений коэффициентов усиления К_I, К_U ,K_P. В зависимости от выполняемых функций усилительные каскады подразделяют на каскады предварительно­го усиления и выходные каскады. Каскады пред­варительного усиления предназначены для повышения уровня сигна­ла по напряжению, а выходные каскады — для получения требуемых тока или мощности сигнала в нагрузке.

Схемы усилительных каскадов характеризуются большим разно­образием. Они могут отличаться числом и режимом работы исполь­зуемых транзисторов при усилении переменного сигнала. Вместе с тем принцип построения главных цепей усилительных каскадов один и тот же. Принцип построения и работы различных каскадов удобно показать на примере структурной схемы рис. 2.3, а, действитель­ной для усилительных каскадов на одном транзисторе.

Основными элементами каскада являются управляемый элемент УЭ, функцию которого выполняет биполярный или полевой тран­зистор, и резистор R. Совместно с напряжением питания Е эти элемен­ты образуют выходную цепь каскада. Усиливаемый сигнал u_вх, принятый на рис. 2.3, а для простоты синусоидальным, подается на вход УЭ. Выходной сигнал u_ных снимается с выхода УЭ или с резистора R. Он создается в результате изменения сопротив­ления УЭ и, следовательно, тока i в выходной цепи под воздействием входного напряжения. Процесс усиления основывается на преобразо­вании энергии источника постоянного напряжения Е в энергию

переменного напряжения в выходной цепи за счет изменения сопротивле­ния УЭ по закону, задаваемому входным сигналом.

Для усилительных каскадов, питающихся постоянным напряже­нием, важно выявить сущность получения переменного выходного напряжения (или приращений напряжения обоих знаков на выходе) при переменном напряжении на входе.

Ввиду использования для питания источника постоянного напря­жения Е ток I в выходной цепи каскада является однонаправленным (рис. 2.3,а). При этом переменный ток и напряжение выходной цепи (пропорциональные току и напряжению входного сигнала) следует рассматривать как переменные составляющие сум­марных тока и напряжения, накладывающиеся на их постоянные составляющие I_п и U_п (рис. 2.3, б). Связь между постоянными и пере­менными составляющими должна быть такой, чтобы амплитудные значения переменных составляющих не превышали постоянных сос­тавляющих, т. е. I_п ≥ I_т и U_п ≥ U_т. Если эти условия не будут выполняться, ток i в выходной цепи на отдельных интервалах будет равен нулю, что приведет к искажению формы выходного сигнала. Таким образом, для обеспечения работы усилительного каскада при переменном входном сигнале в его выходной цепи должны быть созданы постоянные составляющие тока I_п и напряжения U_П. Задачу решают путем подачи во входную цепь каскада помимо усиливаемого сигнала соответствующего постоянного напряжения U_ВХ._П (или задания соот­ветствующего постоянного входного тока I_{вх п}).

Постоянные составляющие тока и напряжения определяют так называемый режим покоя усилительного каскада. Параметры

режима покоя по входной цепи (I_вх._п, U_вх._п) и по выходной цепи (I_п, U_п) характеризуют электрическое состояние схемы в отсутствие вход­ного сигнала.

Таким образом, усилительные свойства каскадов усиления основываются на следующем.

При подаче на управляемый элемент напряжения входного сигнала в токе выходной цепи создается переменная составляющая, вслед­ствие чего на управляемом элементе образуется аналогичная состав­ляющая напряжения, превышающая переменную составляющую нап­ряжения на входе. Усилительные свойства проявляются тем сильнее, чем больше сказывается влияние входного сигнала на выходной ток управляемого элемента и чем сильнее проявляется воздействие из­менения тока в выходной цепи на изменение напряжения на управ­ляемом элементе (т. е. чем выше сопротивление R).

Показатели усилительных каскадов зависят от способа включения транзистора, выполняющего роль управляемого элемента. В связи с этим анализ усилительных каскадов на биполярных транзисторах проводится ниже для трех способов включения: с общим эмит­тером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). Каскады рассматриваются в предположении сину­соидальной формы кривой усиливаемого сигнала в области средних частот, для которых реактивное сопротивление дополнительно вво­димых в схемы конденсаторов можно считать равным нулю, а влияни­ем паразитных емкостей схемы и транзистора, а также зависимостью коэффициента а транзистора от частоты — пренебречь (частотные свойства каскадов рассматриваются в § 2.4). Анализ проводится на примере каскадов на транзисторах типа р-п-р.

Усилительный каскад ОЭ

Существует множество вариантов выполнения .схемы усилитель­ного каскада на транзисторе ОЭ. Это обусловлено главным образом особенностями задания режима покоя каскада. Особенности усили-

тельных каскадов ОЭ рассмотрим на примере схемы рис. 2.4, полу­чившей наибольшее применение при. реализации каскада на диск­ретных компонентах.

Основными элементами схемы являются источник питания Е_k,

гч '

управляемый элемент — транзис­тор Т и резистор R_к. Эти эле­менты образуют главную цепь усилительного каскада, в которой за счет протекания уп­равляемого по цепи базы коллек­торного тока создается усиленное переменное напряжение на выхо­де схемы. Остальные элементы каскада выполняют вспомогательную роль.

Конден­саторы С_р1, С_р2 являются разделительными. Конденсатор С_р1 исключает шунтирование входной цепи каскада цепью источ­ника входного сигнала по постоянному току, что позволяет, во-первых, исключить протекание постоянного тока через источник входного сигнала по цепи Е_к— R₁ — К_p и, во-вторых, обеспечить независимость от внутреннего сопротивления этого источника R_г напряжения на базе U_бп в режиме покоя. Функция конденсатора С_р2 сводится к пропусканию в цепь нагрузки переменной составля­ющей напряжения и задержанию постоянной составляющей.

Резисторы R_э,R₂ используются для задания режима покоя кас­када. Поскольку биполярный транзистор управляется током, ток покоя управляемого элемента (в данном случае ток I_кп) создается заданием соответствующей величины тока базы покоя I_бп. Резистор R₁ предназначен для создания цепи протекания тока I_бп. Совместно с R₂ резистор R₁, обеспечивает исходное напряжение на базе U_бп от­носительно зажима «+» источника питания.

Резистор R_э является элементом отрицательной обратной связи, предназначенным для стабилизации режима покоя каскада, при изме­нении температуры. Конденсатор С_э шунтирует резистор R_э по пе­ременному току, исключая тем самым проявление отрицательной обратной связи в каскаде по переменным составляющим. Отсутствие конденсатора С_э привело бы к уменьшению коэффициентов усиления схемы.

Название схемы «с общим эмиттером» означает, что вывод эмит­тера транзистора по переменному току является общим для входной и выходной цепей каскада.

Температурная зависимость параметров режима покоя обуслов­ливается зависимостью коллекторного тока покоя I_кп от температуры. Основными причинами такой зависимости являются изменения от температуры начального тока коллектора I_к0(э) , напряжения U_бэ и коэффициента β. Температурная нестабильность указанных пара­метров приводит к прямой зависимости тока I_кп от температуры. При отсутствии мер по стабилизации тока I_кп его температурные изменения вызывают изменение режима покоя каскада, что может привести, как будет показано далее, к режиму работы каскада в нелинейной области характеристик транзистора и искажению формы кривой вы­ходного сигнала. Вероятность появления искажений повышается с увеличением амплитуды выходного сигнала.

Проявление отрицательной обратной связи и ее стабилизирую­щего действия на ток I_кп нетрудно показать непосредственно на схе­ме рис. 2.4. Предположим, что под влиянием температуры ток I_кп увеличился. Это отражается на увеличении тока I_эп, повышении напряжения U_эп = I_эп/R_э и соответственно снижении напряжения U_бэп — U_бп — U_эп. Ток базы I_бП уменьшается, вызывая уменьшение тока I_кп, чем создается препятствие наметившемуся увеличению тока I_кп. Иными словами, стабилизирующее действие отрицательной обратной связи, создаваемой резистором R_э, проявляется в том, что температурные изменения параметров режима покоя передаются

цепью обратной связи в противофазе на вход каскада, препятствуя тем самым изменению тока I_кэп.

Принцип действия каскада ОЭ заключается в следующем. При наличии постоянных составляющих токов и напряжений в схеме подача на вход каскада переменного напряжения приводит к появлению переменной составляющей тока базы транзистора,

Рис. 2.5. Графическое определение режима покоя каскада ОЭ на коллекторных (а) и базовой (б) характеристиках транзистора а следовательно, переменной составляющей тока в выходной цепи каскада (в коллекторном токе транзистора). За счет падения напряжения на резисторе R_к создается переменная составляющая напряжения на коллекторе, которая через конденсатор С_р2 передается на выход каскада – в цепь нагрузки.

Рассмотрим основные положения, на которых базируется расчет элементов схемы каскада, предназначенных для обеспечения требуемых параметров режима покоя (расчет по постоянному току).

Анализ каскада по постоянному току проводят графоаналитическим методом, основанным на использовании графических построений и расчетных соотношений. Графические построения проводятся с помощью выходных (коллекторных) характеристик транзистора (рис. 2.5 а). Удобство метода заключается в наглядности нахождения связи параметров режима покоя каскада (U_кэп и I_кп) с амплитудными значениями его амплитудных составляющих (выходного напряжения U_выхm и токаI_кm), являющимися исходными при расчете каскада.

На выходных характеристиках рис. 2.5, а проводят так называемую линию нагрузки каскада по постоянному току (а – б), представляющую собой геометрические места точек, координаты U_кэ и I_к которых соответствуют возможным значениям точки (режима) покоя каскада. Аналитически зависимость U_кэп= находят из уравнения, характеризующего баланс напряжений в выходной цепи каскада:

U_кэп=Е_к - I_кпR_к - I_эпR_э = Е_к - I_кпR_к - R_э (2.1)

Поскольку коэффициент a близок к единице, без особой погрешности можно записать:

U_кэп= Е_к - I_кп (R_к + R_э) (2.2)

Выражение (2.2) является графическим уравнением прямой. В связи с этим построение линии нагрузки каскада по постоянному току удобно провести по двум точкам, характеризующим режим холостого хода (точка а) и короткого замыкания (точка б) выходной цепи каскада (рис. 2.5, а). Для точки а I_кп=0, U_кэп= - Е_к и для точки б U_кэп=0, I_кп= Е_к/(R_к + R_э). Выбрав по входной (базовой) характеристике I_б=F(U_бэ) необходимое значение тока базы покоя I_пб, тем самым определим координаты точки П пересечения соответствующей выходной характеристики при I_б = I_бп с линией нагрузки каскада по постоянному току (рис. 2.5, а).

При определении переменных составляющих выходного напряжения каскада и коллекторного тока транзистора используют линию нагрузки каскада по переменному току.При этом необходимо учесть, что по переменному току сопротивление в цепи эмиттера транзистора равно нулю, так как резистор R_э шунтируется конденсатором С_э, а к коллекторной цепи подключается нагрузка, поскольку сопротивление конденсатора С_р2 по переменному току мало. Если к тому же учесть, что сопротивление источника питания Е_к по переменному току также близко к нулю, то окажется, что сопротивление каскада по переменному току определяется сопротивлениями резисторов R_к и R_н, включенных параллельно, т.е. R_н~ = R_к║R_н. Сопротивление нагрузки каскада по постоянному току R_н–= R_к + R_э больше, чем по переменному току R_н~ = R_к║R_н.

Поскольку при наличии входного сигнала напряжение и ток транзистора представляют собой суммы постоянных и переменных составляющих, линия нагрузки по переменному току проходит через точку покоя П (рис. 2.5, а). Наклон линии нагрузки по переменному току будет больше, чем по постоянному току. Линию нагрузки по переменному току строят по отношению приращений напряжения к току: ∆U_кэ/∆I_б = R_к║R_н.

При подаче на вход каскада (см. рис. 2.4) напряжения и_вх в базовой цепи транзистора создается переменная составляющая тока i_б~, связанная с напряжением и_вх входной характеристикой транзистора (рис. 2.5, б). Так как ток коллектора через коэффициент β пропорционально зависит от тока базы, в коллекторной цепи транзистора создаются переменная составляющая тока i_к~ (рис. 2.5, а) и переменное выходное напряжение u_вых, связанное с током i_к~ линией нагрузки по переменному току. При этом линия нагрузки по переменному току характеризует изменение мгновенных значений тока коллектора i_к и напряжения на транзисторе u_кэ или, как говорят, перемещение рабочей точки. Рабочая точка перемещается вниз от точки покоя П при положительной полуволне входного напряжения и вверх – при отрицательной полуволне. Очевидно, для исключения искажений выходного сигнала необходимо, чтобы рабочая точка при перемещении вверх по линии нагрузки не заходила в область нелинейных начальных участков выходных характеристик, а при перемещении вниз – в область начальных токов коллектора I_к0(э). Работа каскада без искажений выходного сигнала достигается за счет обеспечения соответствующей величины входного сигнала и правильного выбора режима (точки) покоя.

По выбранному току I_кп находят ток базы покоя:

I_бп = (2.6)

А по входным характеристикам транзистора (рис. 2.5, б) – напряжение U_бэп.

Ток эмиттера покоя связан с токами I_бписоотношением

I_эп = (1+β) I_бп+ I Рассмотрим факторы, которые следует учитывать при выборе точки покоя и расчете конкретного каскада. Исходными параметрами являются амплитудные значения переменных составляющих напряжения U_выхm и тока нагрузки I_нm, мощность в нагрузке Р_н и сопротивление нагрузки R_н. При существующих связях между указанными параметрами в принципе достаточно знать только два из них, например, U_вых и R_н, чтобы найти все остальные.

Для исключения возможных искажений усиливаемого сигнала параметры режима покоя должны удовлетворять следующим условиям (рис. 2.5, а):

U_кэп > U_выхm + ΔU_кэ, (2.3)

I_кп> I_кm + I_к0(э)max, (2.4)

Где ΔU_кэ – напряжение на коллекторе, соответствующее области нелинейных начальных участков выходных характеристик транзистора; I_к0(э)max – начальный ток коллектора, соответствующий максимальной температуре.

Ток I_кm связан с выходным напряжением каскада соотношением

I_кm = = . (2.5)

Чтобы увеличить коэффициенты усиления каскада, величину R_к выбирают в 3–5 раз больше R_н.

_к0(э) = (2.7)