Усилительный каскад на биполярном транзисторе с общим эмиттером

Классификация и общая характеристика усилителей

Усилители – устройства, обеспечивающие усиление электрических сигналов по току, напряжению и мощности.

По виду потребляемой энергии и типу применяемого элемента усилители делятся: электромашинные, магнитные, ламповые, транзисторные, тиристорные.

В современных устройствах промышленной электроники наиболее широко применяются транзисторные и тиристорные усилители.

В зависимости от диапазона частот входного сигнала усилители делятся на несколько видов:

1) Усилители медленно изменяющихся сигналов (усилители постоянного тока – УПТ).

2) Усилители низкой частоты УНЧ - для усиления сигналов в диапазоне частот f=10Гц…20кГц.

3) Усилители высокой частоты УВЧ - (частота от десятков кГц до сотен, тысяч МГц).

4) Импульсные (широкополосные) усилители ШПУ - для усиления импульсных сигналов, имеющих широкий спектр частот.

В промышленной электронике наиболее часто применяются УПТ и ШПУ типы усилителей.

При необходимости усиления сигналов в узком диапазоне частот применяются узкополосные или избирательные усилители.

Основные параметры усилителя:

1) Коэффициенты усиления:

- коэффициент усиления по току К_I = ∆I_вых/∆I_вх

- коэффициент усиления по напряжению К_U = ∆U_вых/∆U_вх

- коэффициент усиления по мощности К_р =∆Р_вых/∆Р_вх = К_I*K_U

Для большинства усилителей К_I>1; К_U>1; К_р>1. Однако в некоторых К_I <1 или К_U<1, но К_р>1.

2) Чувствительность – определяется I_{вх min},U_{вх min},P_{вх min}.

3) Максимальные значения выходных параметров I_выхmax, U_выхmax, P_выхmax.

4) Входное и выходное сопротивления:

R_вх=∆U_вх/∆I_вх;

R_вых=∆U_вых/∆I_вых

5) Инерционность - τ - постоянная времени.

Если один усилительный каскад не обеспечивает требуемого коэффициента усиления, то применяют многокаскадные усилители.

К_общ = К₁ К₂ К₃ … К_н.

Применяется несколько способов соединения усилительных каскадов в зависимости от вида многокаскадного усилителя (рис. 3.1).

а) б)

в)

а - усилители с непосредственной или резистивной связью; б - усилители с емкостной связью; в - усилители с трансформаторной связью

Рисунок 3.1 - Способы соединения усилительных каскадов

В усилителях постоянного тока каскады соединяются непосредственно или с помощью резисторов (рис. 3.1, а). Возможно R_св=0. Такие усилители называются усилителями с непосредственной или резистивной связью.

В усилителях переменного тока (переменного напряжения) для соединения каскадов чаще всего применяют конденсаторы или конденсаторы и резисторы (рис. 3.1, б). Такие усилители называются усилителями с емкостной или резистивно – емкостной связью.

В избирательных усилителях и в усилителях мощности для связи каскадов иногда применяют трансформаторы (рис. 3.1, в). Это усилители с трансформаторной связью.

Конденсаторы и трансформаторы обеспечивают отделение переменной составляющей выходного сигнала от постоянной (рис. 3.2).

а) б)

а - диаграммы входных напряжений; б - диаграммы выходных напряжений

Рисунок 3.2 - Диаграммы входных и выходных напряжений в усилителях с емкостной и трансформаторной связью

Усилительный каскад на транзисторе может строиться с разным включением усилительного элемента (транзистора).

Разновидности усилительных каскадов определяются тем, какой элемент транзистора является общим. В связи с этим каскады классифицируют:

а) с общим эмиттером;

б) с общим коллектором;

в) с общей базой.

Для полевых транзисторов: с общим истоком; с общим стоком.

Такой каскад наиболее распространен, так как обеспечивает наибольший коэффициент усиления тока и напряжения (рис. 3.3).

Рисунок 3.3 - Схема усилительного каскада с общим эмиттером

Схема усилительного каскада с общим эмиттером приведенная на рис.3.3 применяется в цепях переменного тока. Если вместо емкостей поставить сопротивления, то получим каскад для постоянного тока.

I_кR_к = U_RK (3.1)

Уравнение электронного состояния коллекторной цепи имеет вид:

Е_к = U_к + I_кR_к (3.2)

ВАХ коллекторного резистора является линейной в соответствии с формулой (3.1).

ВАХ транзистора I_к = f(U_k) является нелинейной.

Решение такой нелинейной электрической цепи при различных значениях тока базы удобно проводить графически. Для этого строят семейства коллекторных характеристик транзистора (эти характеристики указываются в справочнике или в паспорте транзистора, или могут быть сняты экспериментально). На этом семействе коллекторных характеристик строят ВАХ коллекторного резистора R_k. Уравнение этой характеристики получают из уравнения (3.2).

U_к = Е_к - I_кR_к (3.3)

Для построения прямой достаточно двух точек: при I_к = 0 получаем U_к=Е_к; при U_к=0 получаем I_к = Е_к/R_к.

ВАХ транзистора и коллекторного резистора приведены на рис. 3.4.

Построенную указанным образом ВАХ коллекторного резистора – называют линией нагрузки.

Точки пересечения линии нагрузки с коллекторными характеристиками транзистора дают решение уравнения (3.2) для различных значений тока базы I_б. По этим точкам можно определить I_к, U_к, U_RК.

Рисунок 3.4 – Диаграммы работы усилительного каскада с общим эмиттером

Анализ работы удобно проводить по переходной характеристике, то есть по зависимости I_к =f(I_б).

Сопротивление резистора R_к выбирают таким образом, чтобы обеспечивалось требуемое усиление входного сигнала, но при этом необходимо, чтобы линия нагрузки проходила левее и ниже допустимых значений I_к.max, U_к.max, а также обеспечивался достаточно протяженный линейный участок переходной характеристики (на приведенных рисунках R_к =1 кОм).

Резистор цепи базы R_б обеспечивает требуемую работу транзистора в режиме покоя, то есть при нулевом входном переменном сигнале. Этот резистор выбирают таким образом, чтобы точка покоя находилась приблизительно посредине линейного участка входной характеристики.

Обычно R_б составляет десятки, а иногда сотни кОм.

При подаче на вход переменного напряжения U_вх входной ток изменяется в соответствии с входной характеристикой.

Перенося изменения I_б на переходную характеристику I_к =f(I_б) построим график изменения тока коллектора I_к.

Ток коллектора больше тока базы (I_к > I_б).

i_к.мах = i_б.мах*β

где i_к.мах - амплитуда колебаний I_к;

i_б.мах - амплитуда колебаний I_б;

β – коэффициент усиления транзистора по току, β = 20…1000.

Усилительный каскад с общим эмиттером обеспечивает многократное усиление входного сигнала по току.

U_вых усилительного каскада численно равно, но противоположно по знаку (по фазе для переменного напряжения) падению напряжения на коллекторном резисторе:

u_вых = - R_кi_к

Для выходного усилительного каскада вместо R_к включается нагрузка R_н.

В этом случае для выходного усилительного каскада:

u_вых = i_кR_н

Так как β для каскада с общим эмиттером намного больше 1 (β >>1), а сопротивление, включаемое в цепи коллектора намного больше входного сопротивления транзистора R_к>>R_вх, то усилительный каскад с общим эмиттером обеспечивает многократное усиление входного сигнала и по напряжению.

Для U_вх и I_вх справедливо соотношение u_вх = i_вхR_вх

где К_u – коэффициент усиления по напряжению;

К_I – коэффициент усиления по току.

Расчет усилительного каскада может быть выполнен с использованием так называемых h – параметров транзистора, которые приводятся в справочной литературе для каждого вида транзистора.

h₁₁ = ∂U_бэ/∂I_б - входное сопротивление.

h₁₂ = ∂U_бэ/∂U_кэ - коэффициент внутренней обратной связи по напряжению.

h₂₁ = ∂I_к/∂I_б = β - коэффициент усиления по току.

h₂₂ = ∂I_к/∂U_кэ - выходная проводимость транзистора.

Для схемы с общим эмиттером:

1) К_i = h₂₁ (20…1000)

2) К_u = h₂₁R_к/h₁₁ R_к ≥h₁₁ отсюда Кu ≥ К_i

3) R_вх = h₁₁ R_вых = R_к

Усилительный каскад с общим эмиттером обеспечивает усиление входного сигнала как по току, так и по напряжению, и оба коэффициента усиления (К_u и К_i) составляют от нескольких десятков до нескольких сотен, иногда К_u составляет несколько тысяч. R_вх и R_вых составляют от нескольких сотен до нескольких тысяч Ом.

Дата добавления: 2014-01-13