Усилительный каскад на биполярном транзисторе в схеме ОЭ, принцип его работы

Классификация электронных усилителей, их характеристики. Коэффициенты усиления по току, напряжению, мощности, связь между ними. Принцип построения усилительных каскадов, связь между ними. Типы усилительных каскадов.

Схема включения транзистора с общим эмиттером

Между базой и эмиттером транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером, подсоединяют источник сигнала, а к коллектору – нагрузку. К эмиттеру транзистора подключают полюсы одинаковых знаков источников питания. Входным током каскада выступает ток базы транзистора, а выходным током – ток коллектора. Это показано на рис. 4.3, на примере включения в электрическую цепь биполярного p-n-p транзистора.

На практике обходятся одним источником питания, а не двумя. Направление протекания тока по выводам транзистора дано на рисунке. Включение n-p-n транзистора совершенно аналогично включению p-n-p транзистора, однако в данном случае придётся поменять полярность обоих источников питания.

Коэффициент усиления каскада равен отношению тока коллектора к току базы и обычно может достигать от десятков до нескольких сотен. Транзистор, включённый по схеме с общим эмиттером, теоретически может дать максимальное усиление сигнала по мощности, относительно других вариантов включения транзистора. Входное сопротивление рассматриваемого каскада, равное отношению напряжения база-эмиттер к току базы, лежит в пределах от сотен до тысяч ом. Это меньше, чем у каскада с транзистором, подсоединённым по схеме с общим коллектором. Выходной сигнал каскада с общим эмиттером обладает фазовым сдвигом в 180° относительно входного сигнала. Флюктуации температуры оказывают значительное влияние на режим работы транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером, и поэтому следует применять специальные цепи температурной стабилизации. В связи с тем, что сопротивление коллекторного перехода транзистора в рассмотренном каскаде выше, чем в каскаде с общей базой, то необходимо больше времени на рекомбинацию носителей заряда, а, следовательно, каскад с общим эмиттером обладает худшим частотным свойством.

2. Схема включения транзистора с общим коллектором

К эмиттеру транзистора, включённого по схеме с общим коллектором, подсоединяют нагрузку, на базу подают входной сигнал. Входным током каскада является ток базы транзистора, а выходным током – ток эмиттера. Это отражено на рис. 4.5, на котором изображена схема включения биполярного p-n-p транзистора.

С нагрузочного резистора, включённого последовательно с выводом эмиттера, снимают выходной сигнал. Вход каскада обладает высоким сопротивлением, обычно от десятых долей мегаома до нескольких мегаом из-за того, что коллекторный переход транзистора заперт. А выходное сопротивление каскада – напротив, мало, что позволяет использовать такие каскады для согласования предшествующего каскада с нагрузкой. Каскад с транзистором, включённым по схеме с общим коллектором, не усиливает напряжение, но усиливает ток (обычно в 10 … 100 раз). Фаза входного напряжения сигнала, подаваемого на каскад, совпадает с фазой выходного напряжения, т.е. отсутствует его инверсия. Именно из-за сохранения фазы входного и выходного сигнала каскад с общим коллектором носит другое название – эмиттерного повторителя. Температурные и частотные свойства эмиттерного повторителя хуже, чем у каскада, в котором транзистор подключён по схеме с общей базой.

3. Схема включения транзистора с общей базой

В каскаде, собранном по схеме с общей базой, напряжение входного сигнала подают между эмиттером и базой транзистора, а выходное напряжение снимают с выводов коллектор-база. Включение транзистора p-n-p структуры по схеме с общей базой приведено на рис. 4.6.

В данном случае эмиттерный переход компонента открыт и велика его проводимость. Входное сопротивление каскада невелико и обычно лежит в пределах от единиц до сотни ом, что относят к недостатку описываемого включения транзистора. Кроме того, для функционирования каскада с транзистором, включённым по схеме с общей базой, необходимо два отдельных источника питания, а коэффициент усиления каскада по току меньше единицы. Коэффициент усиления каскада по напряжению часто достигает от десятков до нескольких сотен раз.

К достоинствам нужно отнести возможность функционирования каскада на существенно более высокой частоте по сравнению с двумя другими вариантами включения транзистора, и слабое влияние на работу каскада флюктуаций температуры. Именно поэтому каскады с транзисторами, включёнными по схеме с общей базой, часто используют для усиления высокочастотных сигналов.

Усилители электрических сигналов - это электронные устройства, предназначенные для усиления или повышения мощности входных сигналов за счет энергии источника питания.

Если рассматривать источник сигнала, который управляет передачей энергии источника питания в нагрузку Rн, как идеальный генератор напряжения Е с внутренним сопротивлением Rвн, а усилитель как эквивалентный четырехполюсник с параметрами, указанными на рис. 3.1

Рис. 3.1.

то в зависимости от соотношения входного сопротивления усилителя Rвх и Rвн различают:

· усилитель напряжения, если Rвх>>Rвн;

· усилитель тока, если Rвх<<Rвн;

· усилитель мощности, если Rвх» Rвн.

В зависимости от соотношения выходного сопротивления усилителя Rвых и Rн:

· усилитель напряжения, если Rвых<<Rн;

· усилитель тока, если Rвых>>Rн;

· усилитель мощности, если Rвых» Rн.

Нагрузкой усилителя может быть другой усилитель, в этом случае он рассматривается как каскад, обеспечивающий одну ступень усиления, а все усилительное устройство - как многокаскадный усилитель.

В многокаскадные усилители входят: входной или предусилительный, промежуточный, предвыходной или предоконечный и выходной или оконечный каскады.

Характер связи между каскадами, в свою очередь, определяет вид усилителей с емкостной (или RC) трансформаторной, резонансно-трансформаторной, непосредственной или гальванической связями.

По характеру изменения сигнала во времени усилители бывают постоянного и переменного тока. Усилители постоянного тока усиливают сигналы в полосе частот, начиная с нулевой частоты. Усилители переменного тока подразделяются на усилители низкой и высокой частоты.

По ширине полосы пропускания усиливаемых частот различают:

· избирательные усилители, усиливающие сигналы фиксированной частоты или электрические сигналы в узком спектре частот, у которых отношение верхней граничной частоты пропускания к нижней fв / fн < 1;

· широкополосные усилители с большим диапазоном частот усиливаемого сигнала, для которых отношение fв / fн >>1.

Усилители постоянного тока и импульсные усилители - широкополосные. Под условной полосой пропускания понимают частотный диапазон, в пределах которого уровень выходного сигнала не ниже 0,707 максимальной амплитуды сигнала, частоты fн и fв называются граничными частотами полосы пропускания Df = fв - fн.

К основным параметрам, которые характеризуют качественные и количественные характеристики усилителя, относятся коэффициент усиления, точность воспроизведения формы усиливаемого сигнала, коэффициент полезного действия.

Коэффициент усиления.

Коэффициент усиления показывает во сколько раз приращение выходной величины напряжения, тока или мощности больше соответствующего изменения на входе.

Коэффициент усиления по напряжению Ku = , по току Ki = , по мощности Kp = . Для многокаскадного усилителя суммарный коэффициент усиления КS = K1K2K3... Kn, где n - число каскадов.

Коэффициент усиления можно выразить в логарифмических единицах (дБ) в связи с тем, что слуховой аппарат человека воспринимает изменение громкости звука по логарифмическому закону:

Кu[дБ] = 20lg Ku; Ki=20lg Ki; Kp=10lg Kp; КS = K1+K2+K3+... +Kn.

Точность воспроизведения формы усиливаемого сигнала

В реальном усилителе сигнал на выходе, кроме временной задержки, которая не вносит изменений в форму входного сигнала Uвых(t) = KUвх(t - Dt) содержит нелинейные и линейные искажения.

Основными факторами, обусловливающими нелинейные искажения является нелинейность вольт-амперных характеристик элементов усилителей.

Рассмотрим нелинейную входную характеристику iБ = f(UБЭ) усилителя на транзисторе в схеме с общим эмиттером (рис. 3.2). При подаче на базу напряжение синусоидальной формы Uвх(t) = Uбmaxsinwt входной ток iБ(t), а следовательно, и выходной отличны от синусоиды, так как в нем появляется ряд высших гармоник. Уровень нелинейных искажений характеризуется коэффициентом нелинейных искажений

n == = =

.

Рис. 3.2

Для многокаскадного усилителя общий коэффициент нелинейных искажений принимается равным сумме коэффициентов нелинейных искажений отдельных каскадов

nS = n1+n2+n3+... +nn, где n - число каскадов.

Из рис. 3.2 видно, что нелинейные искажения зависят от амплитуды входного сигнала Uвх(t) и не связаны с его частотой, т.е. для уменьшения искажения формы выходного сигнала входной сигнал должен быть низкоуровневым. Поэтому в многокаскадных усилителях нелинейные искажения в основном появляются в предоконечных каскадах, на вход которых поступают сигналы с большой амплитудой. Амплитудная характеристика усилителя Uвых = f(Uвх) приобретает нелинейность с некоторой величины Uвх max (рис. 3.3, б).

Величина D = характеризует динамический диапазон усилителя.

Линейные искажения в усилителях в основном объясняются зависимостью коэффициента передачи по току a и реактивных сопротивлений элементов схемы от частоты. Принято оценивать характер линейных искажений по АЧХ и ФЧХ. АЧХ показывает зависимость модуля коэффициента усиления от частоты входного сигнала (рис. 3.3, в).

Идеальная АЧХ параллельна оси частот. Реально гармоники входного усиливаются усилителем не одинаково, так как реактивные сопротивления элементов схемы по-разному зависят от частоты и в сумме дают искажение формы и амплитуды входного сигнала.

Рис. 3.3

Частотные искажения характеризуются коэффициентом частотных искажений

М = К0/Kf,

где К0- модуль коэффициента усиления на средней частоте; a Кf - модуль коэффициента усиления на задней частоте. В многокаскадных усилителях суммарный коэффициент частотных искажений усиления равен произведению коэффициентов частотных искажений каскадов.

Принцип построения усилительных каскадов. Типы усилительных каскадов.

VT-усилительный элемент (транзистор),Rб-резистор для установки режима покоя (он создает постоянную составляющую тока базы транзистора), Rк- предназначен для ограничения тока коллектора сверх допустимых значений и для выделения в нем переменной составляющей усиленного напряжения, C1,C2 –для отделения переменной составляющей напряжения и токов от постоянной, Uип-напряжение источника питания.

Uип=IкRк+Uкэ (*). При подаче входного сигнала на усилительный каскад переменная составляющая этого сигнала проходит через конденсатор С1 и вызывает изменение напряжения Uбэ транзистором. При этом ток базы по отношению к току Iбэп (для режима покоя) изменяется по закону изменения входного сигнала. При изменении тока базы

пропорционально изменяется ток коллектора, причем ток базы покоя соответствует свой ток коллектора покоя. (Iкп/Iбп)»b. Поскольку ур-е (*), то росту тока коллектора соответствует уменьшение потенциала коллектора (Uкэ). Т.о. усилительный каскад в схеме ОЭ явл-ся инвертирующим. Или фаза выходного сигнала противоположна фазе входного. Обычно режим покоя транзистора выбирают след образом: с пом-ю резистора Rб (или входного делителя) добиваются, чтобы напряжение Uкэ в режиме покоя было равно приблизительно половине напряжения источника питания Uип. Такому состоянию соответствует определенный ток коллектора покоя и в b раз меньший ток покоя базы. ВАХ резистора Rк линейная, но ВАХ транзистора существенно нелинейна. Расчет и анализ такой цепи можно производить и графически и аналитически

Рис.

На фоне семейства выходных характеристик строят нагрузочную линию по постоянному току. Эта прямая, представляющая собой ВАХ резистора Rк. Строится она по 2-м точкам: 1-я – если принять что Iк=0, то Uкэ=Uип-IкRк; Uкэ=Uип. 2-я – строится в предположении, что транзистор полностью открыт, тогда напряжение Uкэ=0, а Iк=(Uип/Rк). Точку покоя П и границы изменения входного напряжения a и b сносят на передаточную характеристику, а затем на линию нагрузки. Получаем П”a”b”. т.о. можно графически зная амплитуду входного сигнала определить амплитуду выходного. При определении переменной составляющей выходного напряжения каскада и коллекторного тока используют линию нагрузки по переменному току. Она строится при условии, что сопротивление источника питания принимается =0, сопротивление каскада определяется по схеме замещения. Наклон линии по переменному току больше чем наклон по постоянному. При Rн=¥ эти линии совпадают. В любом случае линия нагрузки должна проходить левее и ниже допустимых значений параметров транзистора, т.е. лежать в зоне ОБР. если режим по постоянному току выбран неправильно или амплитуда входного сигнала больше расчетного значения, то появляются искажение формы выходного сигнала, вызванная нелинейностью ВАХ. Такие искажения наз-ют нелинейными. Величину этих искажений оценивают коэффициентом нелинейных искажений.kни =Ö[(P2+ P3+…+ Pn)/P1]= Ö[(U22+ U32+…+ Un2)/ U12]. P1,U1 – мощность и напряжение для основной гармоники, Pn, Un – для высших гармоник. Для получения Uмах на выходе усилителя (мах коэфф усиления по напряжению) необх-мо выполнить след условия: Rг<<Rвх (сопротивление генератора и входное сопротивление усилительного каскада). 2-е условие: Rн>>Rвх. Это соотв-ет режиму хол хода для усилителя. Для получения максимального коэфф усиления по току условие следующее: Rвых>>Rн; Rг>>Rвх. Это режим короткого змыкания для устройства. Для получения мах мощности используют согласованный режим (Rг=Rвх, Rн=Rвых).

Три возможные схемы усилительного каскада на биполярном транзисторе: с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК), с общей базой (ОБ).

Схема с ОЭ.

Входные величины: сила тока базы и напряжение база — эмиттер, выходные – сила тока коллектора и напряжение коллектор – эмиттер.

Резисторы Rк, RЭ, Rб1, Rб2 обеспечивают режим работы схемы по постоянному току, конденсаторы С1, С2 разделяют переменную и постоянную составляющие напряжения, Сэ устраняет отрицательную обратную связь по переменному току, Rн — сопротивление нагрузки или входное сопротивление следующего усилительного каскада, Ек — источник питания постоянного тока (для транзисторов p-n-p полярность источника изменится).

Усилительный каскад с общим эмиттером работает следующим

образом:

1. При увеличении входного напряжения (UВХ ↑) ширина p − n перехода между коллектором и базой уменьшается, в результате возрастает ток в цепи эмиттера (IЭ ↑), а выходное сопротивление транзистора (между коллектором и эмиттером) уменьшается (RВыхТр ↓), а следовательно уменьшается и падение напряжения на выходе транзистора (IЭRВыхТр = UВых ↓).

2. При уменьшении входного напряжения (UВХ ↓) ширина p−n перехода между коллектором и базой увеличивается, в результате чего ток в цепи эмиттера уменьшается (IЭ ↓), а выходное сопротивление транзистора (между коллектором и эмиттером) увеличивается (RВыхТр ↑), следовательно, увеличивается и падение напряжения на выходе транзистора (IЭRВыхТр = UВых ↑).

Таким образом, усилительный каскад с общим эмиттером сдвигает фазу выходного сигнала, относительно входного, на 180.

Расчет каскада по постоянному току.

Температурная стабилизация режима работы транзистора.

Важной особенностью полупроводников является сильная зависимость коэффициента усиления от температуры. Подобные изменения приводят к смещению рабочей точки и появлению нелинейных искажений.

Для компенсации воздействия температурыв схему усилительных каскадов вводят цепи термостабилизации, принцип действия которых основан на механизме обратных связей. В усилителях широко применяются ООС с целью увеличения стабильности работы усилителя и уменьшения нелинейных искажений, однако следует учитывать, что ООС снижает коэффициент усиления каскада.

В усилительных каскадах с общим эмиттером, обычно, термостабилизация осуществляется путем создания ООС на базе резистора Rэ.

При отсутствии входного сигнала, напряжение между базой и эмиттером определяется по II закону Кирхгофа:

UБЭ0 = U20 −UЭ0,где U20 = I20R2, UЭ0 = IЭ0RЭ падение напряжения на резисторах R2 и RЭ соответственно. При повышении температуры, возрастает концентрация основных носителей заряда и увеличиваются токи базы и коллектора, что приводит к увеличению UБЭ и, как следствие, смещению 22 рабочей точки. В результате увеличения IЭ возрастает величина падения напряжения UЭ0 = IЭ0RЭ, а разность UБЭ0 = U20 − UЭ0 уменьшается, в результате чего рабочая точка смещается в исходное положение.

При снижении температуры происходит обратный процесс – концентрация носителей заряда (в результате рекомбинации), токи базы и коллектора уменьшаются, что приводит к уменьшению UБЭ. В результате уменьшения IЭ уменьшается и UЭ0 = IЭ0RЭ, а разность UБЭ0 = U20 − UЭ0 увеличивается, в результате чего рабочая точка смещается в исходное положение.

Дата добавления: 2015-05-06