Підсилювачі на біполярних транзисторах

3.1. Основні параметри підсилювальних каскадів

на біполярних транзисторах

Для розрахунку основних параметрів підсилювального каскаду на біполярному транзисторі - коефіцієнтів підсилення змінних складових струму і напруги, вхідного та вихідного опорів - зручно представити біполярний транзистор у вигляді чотириполюсника, описаного в системі - параметрів (рис.3.1).

До входу транзистора підключений генератор вхідного сигналу: джерело напруги з внутрішнім опором , а на виході транзистор навантажений опором , через який тече струм . Вхідна напруга та вихідний струм транзистора виражаються через та

відомими формулами - рівняннями транзистора у - параметрах:

(3.1а)

(3.1б)

Очевидно, що , а напруга на опорі навантаження дорівнює

(3.2)

Коефіцієнт підсилення за струмом є відношення струму, який тече через навантажувальний опір, до вхідного струму:

Вводячи в (3.1б) вираз (3.2), одержимо:

; (3.3)

Вхідним опором підсилювача називають відношення вхідної напруги ло вхідного струму . Підставивши сюди значення з формули (3.1а) і виразивши через струм

одержимо

(3.4)

Отже, вхідний опір підсилювального каскаду виявляється залежним не лише від - параметрів транзистора, але й від величини опору навантаження, Причина цьому - наявність внутрішнього зворотного зв’язку через параметр , який пов’язує вхідну напругу з вихідною напругою . Слід зауважити, що оскільки у більшості транзисторів параметр дуже малий, то другий доданок у формулі (3.4) буває звичайно набагато меншим від першого і ним можна нехтувати, так що величину вхідного опору можна приблизно вважати рівною .

Коефіцієнтом підсилення за напругою є відношення напруги на виході підсилювача до напруги на його вході:

(3.5)

Підставивши в (3.5) раніш знайдені та , котре у першому наближенні можна вважати рівним , одержимо вираз для коефіцієнта підсилення за напругою:

. (3.6)

Для розрахунку вихідного опорупідсилювального каскаду треба дещо модифікувати схему, зображену на рис.3.1. Замість навантажувального опору треба увімкнути пробну е.р.с. , що створює на виході чотириполюсника напругу , а е.р.с. , що була на його вході, видалити зі схеми, зберігши, однак, її внутрішній опір (рис.3.2).

Вихідним опором вважається відношення напруги до струму , що нею створюється у вихідному колі чотириполюсника

Підставивши сюди значення з рівняння (3.1б), дістанемо

(3.7)

Щоб знайти тепер взаємозв’язок між струмом та напругою , повернемося знову до рівняння (3.1а). Як видно з рис.3.2, напруга тут створюється струмом , що протікає через опір . Отже, і

Підставивши цей вираз в (3.7). одержимо

. (3.8)

Тут так само, як і раніш, з причини мализни параметра другим доданком в (3.8) можна нехтувати і у першому наближенні вважати, що .

Одержані вирази (3.1) - (3.8) справедливі як для увімкнення транзистора за схемою СБ, так і за схемою СЕ. Слід лише конкретизувати значення - параметрів транзистора, додаючи нижній індекс «Е» для увімкнення за схемою зі спільним емітером, або «Б» для увімкнення за схемою зі спільною базою.

Для оцінки можливих значень всіх цих величин візьмемо як приклад деякі типові значення - параметрів біполярного транзистора середньої чи малої потужності, увімкненого за схемою зі спільним емітером: та Нехай опір навантаження становить кОм, а внутрішній опір генератора Ом. Підставивши ці значення в наведені вище формули, одержимо

Ом

кОм

Для порівняння аналогічні оцінки можна зробити і для підсилювача. у якому той же біполярний транзистор увімкнений за схемою зі спільною базою, перерахувавши наведені вище - параметри у -параметри. Тоді Ом, , , Сим і параметри підсилювального каскаду СБ становитимуть:

Ом

кОм

Порівнюючи одержані результати, можна дійти таких висновків:

а) коефіцієнти підсилення за струмом та напругою в підсилювачі зі спільним емітером виявляються від’ємними. Цей факт вказує на те, що такий підсилювач інвертує фазу підсилювального сигналу. А позитивні значення та для СБ - підсилювача означають, що тут фаза підсилювального сигналу інверсії не зазнає;

б) модуль коефіцієнта підсилення за струмом досить великий і близький до , тоді як у СБ - підсилювачі підсилення за струмом просто немає. Що ж до коефіцієнта підсилення за напругою, то їх модулі в обох випадках майже однакові;

в) упадає в очі значна різниця у величинах вхідного та вихідного опорів: для СЕ - підсилювача більше в 27 разів, а для СБ - підсилювача аж в 7000 разів.

Малий вхідний опір є істотним недоліком підсилювачів на біполярних транзисторах. Вхідний опір каскаду разом з внутрішнім опором генератора утворюють подільник напруги, так що до входу каскаду доходить лише частина тієї напруги , яку створює джерело вхідного сигналу:

За цією ознакою (тобто за величиною напруги, що доходить до входу каскаду) СБ - підсилювачі значно гірші за СЕ - підсилювачі. Дійсно, якщо за ефективний коефіцієнт підсилення вважати відношення , то для розглянутого вище прикладу воно буде рівним -138 для підсилювача СЕ і лише 18.3 для СБ - підсилювача.

Великий вихідний опір підсилювального каскаду також є його істотним недоліком, оскільки більша частина його вихідного сигналу буде спадати на внутрішньому вихідному опорі каскаду, не доходячи до входу наступного пристрою, яким цей каскад навантажений. За цими ознаками СБ - підсилювач також програє у порівнянні з СЕ - підсилювачем. Ось чому увімкнення транзистора зі спільним емітером застосовується в підсилювальних схемах значно частіше, ніж увімкнення зі спільною базою. З цієї причини в подальшому ми будемо в основному розглядати підсилювальні каскади, в яких транзистор увімкнений за схемою зі спільним емітером.

Втім, слід відзначити, що підсилювачі зі спільною базою мають і деякі позитивні якості, про як йтиме мова далі: їм притаманна більш висока порівняно з СЕ - підсилювачами температурна стабільність та спроможність успішно працювати до більш високих частот. Їх великий вихідний опір виявляється інколи не недоліком, а перевагою, наприклад, у схемах резонансних підсилювачів.

3.2. Багатокаскадний підсилювач

Щоб одержати коефіцієнт підсилення більший, ніж спроможний дати окремий поодинокий каскад, каскади сполучають послідовно, так що сигнал з виходу попереднього каскаду подається на вхід наступного (рис.3.3).

Загальний коефіцієнт підсилення такого багатокаскадного підсилювача є добутком коефіцієнтів підсилення складових каскадів:[1])

(3.9)

Тут за коефіцієнти підсилення взяті їх комплексні значення. Модуль коефіцієнта підсилення багатокаскадного підсилювача буде добутком модулів окремих каскадів

(3.10)

тоді як загальний зсув фази дорівнюватиме сумі зсувів фаз в цих каскадах

(3.11)

Основна проблема, яка виникає при послідовному сполученні каскадів це є узгодження їх вхідних і вихідних опорів. При застосуванні польових транзисторів така проблема не виникає, оскільки їх вхідний опір дуже великий і отже вхід наступного каскаду не навантажує вихід попереднього.

Інша справа у підсилювачах на біполярних транзисторах, у яких вхідний опір звичайно набагато менший від вихідного. Тут під величиною слід вважати не коефіцієнт підсилення одного окремо взятого каскаду, а його ж таки коефіцієнт підсилення, коли цей каскад навантажений вхідним опором наступного каскаду. Для цього в формули (3.3) - (3.6) замість слід підставляти .[2])

Зменшення ефективного опору навантаження призводить до істотного зниження підсилення каскаду. Так, наприклад, для конкретного випадку, розглянутому у попередньому параграфі, модуль коефіцієнту підсилення за напругою для каскаду зі спільним емітером знижується (при врахування вхідного опору наступного каскаду) з 167 до 31.

Якщо ж виконується умова , то навантаженням каскаду можна просто вважати вхідний опір наступного каскаду . У випадку ідентичних каскадів в формулі (3.5) та скорочуються і коефіцієнт підсилення каскаду за напругою виявляється рівним коефіцієнту підсилення за струмом.

Для підсилювача зі спільною базою (СБ), у якого , це призводить до того, що коефіцієнт підсилення за напругою багатокаскадного підсилювача взагалі стає меншим від одиниці. Звідси висновується, що побудова багатокаскадного підсилювача з безпосередньо сполучених між собою каскадів, з у яких транзистори увімкнені за схемою зі спільною базою, не має сенсу.

3.3. Режим транзистора у підсилювальному каскаді

Найпростіша (базова) схема підсилювального каскаду на біполярному транзисторі із спільним емітером (СЕ) подана на рис.3.4. Основними елементами тут є сам транзистор і опір , увімкнений у колекторне коло транзистора.

На відміну від роботи у статичному режимі, коли колекторна напруга фіксована і визначається безпосередньо підключеним до колектора джерелом живлення , тут постійна складова колекторної напруги визначається як

(3.12) Тобто частина напруги джерела живлення спадає на опорі , не доходячи до транзистора. Такий режим роботи транзистора називають динамічним.

Щоб визначити положення робочої точки транзистора, який працює у динамічному режимі, треба рівняння (3.12) розв’язати сумісно з рівнянням , що описує сім’ю вихідних характеристик транзистора. Цю задачу можна розв’язати графічно, накресливши на графіку сім’ї вихідних характеристик пряму, яка відповідає рівнянню (3.12), як це зроблено на рис.3.5. Пряма відсікає на вісі абсцис відрізок рівний (відповідний режиму , коли транзистор повністю закритий), а на вісі ординат відрізок (який відповідає короткому замиканню транзистора).

Робоча точка визначається тепер як перетин цієї прямої з однією з характеристик, яка відповідає заданому значенню базового струму . Положення робочої точки О рекомендується обирати приблизно на рівних відстанях як від режиму запирання транзистора (точка А), так і від режиму його насичення (точка В). Таким чином положення робочої точки визначає відповідне значення базового струму (на рис.3.5 воно відповідає ), а також величину постійних складових колекторного струму та напруги . Спад напруги на опорі становить .

Знаючи величину базового струму, можна визначити потрібне значення опору з очевидного рівняння

(3.13)

Тут , і величину можна знайти побудовою на сім’ї вхідних характеристик прямої, яка б відповідала рівнянню (3.13), подібно до того, як це було зроблено вище при розрахунку режиму колекторного кола. Однак. оскільки величина становить звичайна десяті частки вольта, тоді як принаймі на порядок більше, то з достатньою точністю можна в (3.13) знехтувати і визначати просто як

(3.14)

Розділові ємності та призначені для того, щоб пристрої, які можуть бути підключені до входу та виходу каскаду, не могли порушити встановлений режим транзистора. Разом з тим, ці ємності повинні не перешкоджати проходженню вхідних та вихідних змінних сигналів. Для цього потрібно забезпечити виконання співвідношень та , де - найнижча частота, яку має підсилювати каскад, - його вхідний опір, а - опір навантаження каскаду . Тобто реактивні опори ємностей та повинні бути набагато меншими від активних опорів та .

При підрахунках коефіцієнту підсилення каскаду у формули (3.1) - (3.12) як величину опору навантаження слід підставляти , оскільки що до змінних компонент струму і напруги ці два опори увімкнені паралельно.

[1] Якщо модуль коефіцієнта підсилення виражений у децибелах, то ці значення підсумовуються

[2] За винятком останнього каскаду