Особенности их анализа и расчета

1. Назначение каскадов предварительного усиления (КПУ) и предъявляемые к ним требования.

КПУ предназначены для увеличения сравнительно небольшого входного сигнала до такого уровня, при котором осуществляется нормальное возбуждение мощного оконечного каскада.

Работают КПУ в режиме А.

Основным требованием, предъявляемым к КПУ, является обеспечение максимального коэффициента усиления.

Т.к. уровни сигналов, подаваемых на вход низкие, то можно считать, что их УЭ работают в линейном режиме. Нелинейные искажения в КПУ малы.

2. Особенности анализа и расчета КПУ.

Поскольку КПУ работают при небольших входных и выходных сигналах, их УЭ работают в линейном режиме, для анализа и расчета КПУ можно использовать линейные модели: уравнение четырехполюсника, уравнение с малосигнальными параметрами, матрицы и т.д.

Задачами анализа усилительного каскада являются:

- ввод уравнений, определяющих входные и выходные сопротивления, коэффициент усиления, его зависимость от частоты;

- получение расчетных соотношений для выбора номиналов всех элементов схемы по заданному коэффициенту усиления, допустимым частотным и фазовым искажениям и др.

Анализ КПУ может проводится с использованием теории четырехполюсника.

Представим усилитель активным четырехполюсником (в схеме есть активные элементы).

; (1)

За положительные направления токов и полярности напряжений приняты показанные на рис.1.

Известно, что свойства четырехполюсника полностью описываются связью между входными и выходными токами и напряжениями. Переменные можно связать между собой по-разному, приняв одну пару за аргумент, вторую – за функцию.

Если принять за аргумент , за функцию - , получим систему уравнений в H - параметрах.

(2)

Если аргументы - , функции - . Получим систему уравнений в Y – параметрах.

(3)

Если аргументы - , функции - . Получим систему уравнений в Z – параметрах.

Для транзисторных схем чаще используют H - параметры. Это связано с их наглядностью и удобством определения.

Рассмотрим физический смысл H - параметров.

при (4)

( - входное сопротивление при коротком замыкании на выходе)

при (5)

( - коэффициент обратной передачи напряжения при холостом ходе на входе)

при (6)

( - коэффициент прямой передачи тока при коротком замыкании на выходе)

при (7)

( - выходная проводимость при холостом ходе на входе)

Для низкочастотных H - параметров используют букву h (не учитывается реактивные составляющие p-n переходов).

Эквивалентная схема транзистора, соответствующая системе уравнений (2) имеет вид:

Схема содержит два зависимых источника – источник напряжения, управляемый напряжением и источник тока, управляемый током. Но т.к. мал и им можно пренебречь, то получается схема с одним источником.

Следует отметить, что значения h параметров для различных способов включения различны. Особенно для схем с общей базой и общим эмиттером, т.к. входные токи сильно различаются. Существуют формулы пересчета.

Чтобы провести анализ усилительного каскада на транзисторе, строят эквивалентную схему каскада. Ее основой является эквивалентная схема транзистора (рис.2), добавляются еще элементы (резисторы, конденсаторы и др.)

3. Полные физические эквивалентные схемы усилительных элементов.

Эквивалентная схема на рис.2 получена на основе уравнений, связывающих входные и выходные токи и напряжения.

Исходя из физических принципов работы транзисторов, получают их полные физические эквивалентные схемы. В настоящее время существуют различные схемы, с большей или меньшей точностью отражающие реальные свойства транзисторов.

Одной из часто используемых является гибридная П-образная схема (схема Джиаколетто)

- крутизна характеристики, - динамическое сопротивление эмиттерного перехода.

Базовая точка б соответствует внешнему выводу базы, воображаемая точка б1 находится внутри объемной области базы.

- сопротивление базовой области базовому току;

и - сопротивление базо-эмиттерного перехода и базо-коллекторного;

и - емкости базо-коллекторного и базо-эмиттерного переходов (барьерная и диффузионная);

- сопротивление внешней утечки между коллектором и эмиттером.

Схема Джиколетто может использоваться для широкой области частот.

Величины всех элементов гибридной П-образной схемы транзистора можно определить из геометрических размеров и конструкции транзистора.

Кроме того, эти величины связаны с h параметрами.

Ток коллектора

, (8)

причем

, (9)

где - постоянная составляющая тока эмиттера,

а крутизна

. (10)

Сопротивление превышает во столько же раз, во сколько эмиттерный или коллекторный ток больше базового, поэтому

. (11)

На низких частотах влиянием емкостей можно пренебречь и считать, что

, (12)

откуда

. (13)

Сопротивление можно измерить на достаточно высокой частоте, где благодаря шунтирующему действию емкости можно считать, что .

Лекция

Маломощные усилительные каскады.

Любой усилительный каскад в общем виде может рассматриваться как четырехполюсник, основным элементом которого является транзистор. Один вывод транзистора является общим для входа и выхода. Это может быть любой вывод: для биполярного транзистора – коллектор, эмиттер, база; для полевого транзистора – исток, затвор, сток. Существуют шесть способов включения каждого типа транзистора, но только три из них с усилительным эффектом. В связи с этим, в усилительных каскадах встречаются следующие схемы включения.

Для биполярного транзистора:

1. схема с общим эмиттером (ОЭ) – входной сигнал подается между базой и эмиттером, а выходной снимается между коллектором и эмиттером;

2. схема с общей базой (ОБ) – входной сигнал подается между эмиттером и базой, а выходной снимается между коллектором и базой;

3. схема с общим коллектором (ОК) – входной сигнал подается между базой и коллектором, а выходной снимается между коллектором и эмиттером.

Для полевого транзистора:

1. схема с общим истоком (ОИ) – входной сигнал подается между затвором и истоком, а выходной снимается между стоком и истоком;

2. схема с общим затвором (ОЗ) – входной сигнал подается между истоком и затвором, а выходной снимается между стоком и затвором;

3. схема с общим стоком (ОС) – входной сигнал подается между затвором и стоком, а выходной снимается между истоком и стоком.

Сравнение свойств усилительных каскадов при разных включениях транзисторов проводят, сопоставляя их коэффициенты усиления тока, напряжения и мощности (), входные () и выходные () сопротивления.

Каскады на биполярном транзисторе. Наибольшее распространение получил каскад с общим эмиттером (ОЭ). Этот каскад имеет достаточно большие коэффициенты усиления ( и порядка сотен, порядка тысяч единиц), входное и выходное сопротивление средней величины по сравнению со схемами с ОБ и ОК (у маломощных каскадов с ОЭ составляет сотни Ом, а - десятки кОм).

В простейшем усилительном каскаде, собранном на биполярном n-p-n транзисторе по схеме с ОЭ, входной сигнал подается между базой и эмиттером, а выходной снимается между коллектором и эмиттером. Постоянные напряжения между выводами транзистора подбираются таким образом, чтобы он находился в активном режиме, т.е. на эмиттерном переходе было прямое напряжение, а на коллекторном – обратное.

Рис.1.

При отсутствии входного сигнала во всех цепях каскада проходят только постоянные токи , а на коллекторе и базе наблюдаются только постоянные напряжения . Их значения определяются типом используемого транзистора, напряжениями на базе и коллекторе и сопротивлением резистора .

Рис.2.

Этот режим работы каскада называют статическим (режимом по постоянному току или режимом покоя).

Появление входного сигнала (переменного напряжения) меняет напряжение на эмиттерном переходе, вызывая изменения инжекции электронов из эмиттера в базу, что создает переменную составляющую тока базы, а это, в свою очередь, приводит к появлению переменных составляющих тока коллектора и выходного напряжения каскада. Возникающие колебания токов и напряжений происходят около тех постоянных значений, которые определяются статическим режимом каскада. Изменения коллекторного тока происходят в такт с изменениями базового тока, а в связи с тем, что в транзисторе ток коллектора в раз превышает ток базы, в рассматриваемом каскаде происходит усиление тока.

Если же сопротивление резистора достаточно велико, одновременно с усилением тока происходит и усиление напряжения: изменение выходного напряжения окажется больше изменения входного напряжения . При этом переменное выходное напряжение в усилительном каскаде с ОЭ оказывается противоположным по фазе входному напряжению.

Выбор режима по постоянному току. Для нормальной работы усилительного каскада необходимо выбрать рациональное значение постоянного тока и напряжения - обеспечить требуемый режим каскада по постоянному току. Для этого воспользуемся эквивалентной схемой коллекторной цепи усилительного каскада по постоянному току (рис.3а), где транзистор представлен в виде нелинейного сопротивления , и семейством вольтамперных характеристик (ВАХ) транзистора (рис.3б).

Рис.3.

Составим систему уравнений:

(1)

Решим систему уравнений графическим методом. Первое уравнение системы – прямая линия. Построим ее на семействе ВАХ по двум точкам. При значение ; при значение . Эта прямая называется нагрузочной прямой по постоянному току. Ее наклон к оси абсцисс определяется сопротивлением нагрузки каскада постоянному току:

, где - коэффициент пропорциональности. Точка пересечения нагрузочной прямой со статической характеристикой при определяет ток коллектора и напряжение на коллекторе (положение рабочей точки А на семействе ВАХ).

Нагрузочная прямая фиксирует все возможные соотношения между напряжением на коллекторе транзистора и его токами, которые могут быть в схеме при заданных значениях , , и . С ее помощью можно выбрать такое положение рабочей точки А на ВАХ транзистора, когда формы переменных токов базы и коллектора практически совпадают, т.е. транзистор работает в линейном режиме и не вносит заметных искажений в усиливаемый сигнал. Для этого необходимо, чтобы эмиттерный переход не смещался в обратном, а коллекторный переход – в прямом направлении (в транзисторе не наблюдалось бы ни отсечка, ни насыщение) даже при экстремальных значениях выходного напряжения, когда рабочая точка достигает верхнего (точка А₁) и нижнего (точка А₂) положения. Кроме того, выходная мощность транзистора, его выходной ток и напряжение на нем не должны превышать допустимых значений. Все эти требования выполнены, если рабочая точка на семействе выходных ВАХ транзистора не выходит за пределы области, границами которой являются: линия отсечки; кривая насыщения; горизонтальная прямая, соответствующая максимально допустимому току коллектора ; парабола, соответствующая максимально допустимой мощности рассеяния на коллекторе транзистора; вертикальная прямая, соответствующая максимально допустимому напряжению на коллекторе .

В зависимости от характера усиливаемого сигнала рабочая точка А выбирается либо около середины нагрузочной прямой, либо на одном из ее концов. Посередине – при симметричных сигналах, на концах – при сигналах одной полярности.

В приведенной на рис.1 схеме усилительного каскада используются два источника постоянного напряжения, это неудобно с конструктивной точки зрения. Более практичны схемы с одним источником питания.

Простейшая схема усилителя с ОЭ, называемая схемой с фиксированным током базы (рис.4а), содержит всего три пассивных элемента: , , .

Рис.4.

С резистора снимается усиленное выходное напряжение, резистор служит для создания смещения на базе транзистора (для создания необходимого напряжения между базой и эмиттером), а конденсатор (разделительный) вводят в схему для предотвращения падения постоянного напряжения из внешних цепей на базу транзистора. В отсутствии сигнала:

. (2)

Обычно напряжение точно неизвестно, так как оно для каждого экземпляра транзистора оказывается разным. Но в связи с тем, что ток базы очень резко возрастает, при увеличении напряжения в любом транзисторе (рис.4б), можно принять, что для германиевых транзисторов , для кремниевых , а для арсенидгаллиевых .

На практике вместо выражения (2) часто пользуются более простым соотношением:

, (3)

которое позволяет рассчитать ток базы с ошибкой 5-10%.

Ток вызывает в раз больший ток коллектора , который создает на резисторе падение напряжения

. (4)

Это приводит к тому, что выходное напряжение каскада равно напряжению между коллектором и эмиттером:

. (5)

Работа реальной схемы с фиксированным током базы оказывается неудовлетворительной из-за нестабильного положения рабочей точки транзистора. Главными причинами, влияющими на положение рабочей точки, являются изменения температуры окружающей среды, вызывающее изменения напряжения , теплового тока коллекторного перехода и коэффициента передачи базового тока транзистора . При изменении температуры от -40 до +40⁰С напряжение коллектора и коллекторный ток изменяются примерно в 1,4…1,5 раза. Это свидетельствует о необходимости использования других, более совершенных схем.

Для стабилизации положения рабочей точки транзистора по постоянному току используют два принципиально разных подхода: в схему усилителя вводят цепи ООС или терморезисторы (часто п/п диоды), сопротивление которых изменяется с температурой окружающей среды.

Лекция