2.5. Усилительный каскад на биполярном транзисторе с оэ

                Среди многочисленных вариантов усилительных каскадов на БТ самое широкое применение находит каскад с ОЭ, имеющий максимальный коэффициент передачи по мощности , вариант схемы которого приведен на рисунке 2.9.

Если входного сигнала нет, то каскад работает в режиме покоя. С помощью резистора задается ток покоя базы . Ток покоя коллектора . Напряжение коллектор-эмиттер покоя . Отметим, что в режиме покоя напряжение составляет десятки и сотни мВ (обычно 0,5…0,8 В). При подаче на вход положительной полуволны синусоидального сигнала будет возрастать ток базы, а, следовательно, и ток коллектора. В результате напряжение на  возрастет, а напряжение на коллекторе уменьшится, т.е. произойдет формирование отрицательной полуволны выходного напряжения. Таким образом, каскад с ОЭ осуществляет инверсию фазы входного сигнала на .

                Графически проиллюстрировать работу каскада с ОЭ можно, используя входные и выходные статические характеристики БТ, путем построения его динамических характеристик (ДХ) [5,6]. Вследствие слабой зависимости входной проводимости транзистора g от величины нагрузки, входные статические и динамические характеристики практически совпадают. Выходные ДХ - это прямые линии, которые в координатах   соответствуют уравнениям, выражающим зависимости между постоянными и переменными значениями токов и напряжений на нагрузках каскада  по постоянному и переменному току.

Процесс построения выходных динамических характеристик (нагрузочных прямых по постоянному  - , переменному -  току) понятен из рисунка 2.10.

Следует отметить, что простое построение  ДХ возможно только при активной нагрузке, т.е. в области СЧ АЧХ (см. рис.2.2), в областях НЧ и ВЧ нагрузочные прямые трансформируются в сложные кривые.

Построение ДХ и их использование  для графического расчета усилительного каскада подробно описано в [5,6].

Рекомендуемые материалы

                Нагрузки рассматриваемого каскада по постоянному и переменному току определяются как:

                Координаты рабочей точки  для  малосигнальных усилительных каскадов выбирают на линейных участках входной и выходной ВАХ БТ, используя в малосигнальных усилительных каскадах так называемый режим (класс) усиления А. Другие режимы работы каскадов чаще используются в усилителях мощности, и будут рассмотрены в соответствующем разделе.

При отсутствии в справочных данных ВАХ БТ, координаты рабочей точки могут быть определены аналитическим путем (см. рисунок 2.10):

,

где  - напряжение нелинейного участка выходных статических ВАХ транзистора, ;

                Если для малосигнальных каскадов в результате расчета по вышеприведенным формулам значения  и  окажутся, соответственно, меньше 2 В и 1 мА, то, если не предъявляются  дополнительные требования к экономичности каскада, рекомендуется брать те значения координат рабочей точки, при которых приводятся справочные данные и гарантируются оптимальные частотные свойства транзистора.

                Для расчета параметров усилительного каскада по переменному току удобно использовать методику, описанную в разделе 2.3, а БТ представлять моделью, предложенной в разделе 2.4.1.

                Полная электрическая схема усилительного каскада с ОЭ приведена на рис.2.11.

                В отличие от ранее рассмотренного каскада (рис.2.9) здесь применена эмиттерная схема термостабилизации (), обеспечивающая лучшую стабильность режима покоя, принцип ее работы будет рассмотрен далее. Конденсатор необходим для шунтирования  с целью соединения эмиттера транзистора с общим проводом на частотах сигнала (устранения обратной связи на частотах сигнала, вид и характер этой связи будет рассмотрен в соответствующем разделе).

                Приведем эквивалентную схему каскада для частот сигнала (рис.2.12).

С целью упрощения анализа каскада выделяют на АЧХ области НЧ, СЧ и ВЧ (см. рис.2.2), и проводят анализ отдельно для каждой частотной области.

                Эквивалентная схема каскада в области СЧ приведена на рисунке 2.13.

                Как видно, эта  схема не содержит реактивных элементов, т.к. в области СЧ влиянием на АЧХ разделительных () и блокировочных () емкостей уже можно пренебречь, а влияние инерционности БТ и  еще незначительно.

                Проведя анализ схемы, найдем, что

,

где ;

,

где ;

.

        Эти соотношения получены в предположении, что низкочастотное значение внутренней проводимости транзистора  много меньше  и . Это условие (если не будет оговорено особо) будет действовать и при дальнейшем анализе усилительных каскадов на БТ. Такое допущение справедливо потому, что БТ является токовым прибором и особенно эффективен при работе на низкоомную нагрузку.

         Эквивалентная схема каскада в области ВЧ приведена на рисунке 2.14.

                Поведение АЧХ в этой области определяется влиянием инерционности транзистора и емкости .

                Проведя анализ согласно методике раздела 2.4, получим выражение для коэффициента передачи каскада в области ВЧ:

,

где - постоянная времени каскада в области ВЧ.

                Постоянную времени каскада для удобства анализа представим так:

,

где  - постоянная времени транзистора (),

;

     - постоянная времени выходной цепи транзистора,

;

     - постоянная времени нагрузки,

.

                Входную проводимость представим в виде:

,

где  - входная динамическая емкость каскада,

.

                Выходная проводимость определится как

,

где - выходная емкость каскада, .

                Выражения для относительного коэффициента передачи  и коэффициента частотных искажений  в комментариях не нуждаются:

,

,

,

,

                По приведенным выражениям строится АЧХ и ФЧХ каскада в области ВЧ.

                Связь коэффициента частотных искажений  и  выражается как

.

                В n-каскадном усилителе с одинаковыми каскадами наблюдается эффект сужения полосы рабочих частот, который можно скомпенсировать увеличением верхней граничной частоты каскадов  до

.

                Эквивалентная схема каскада в области НЧ приведена на рисунке 2.15.

                Поведение АЧХ в этой области определяется влиянием разделительных () и блокировочных () емкостей.

                Влияние этих емкостей на коэффициент частотных искажений в области НЧ  каскада можно определить отдельно, используя принцип суперпозиции. Общий коэффициент частотных искажений в области НЧ определится как

,

где N - число цепей формирующих АЧХ в области НЧ.

                Рассмотрим влияние  на АЧХ каскада. Проведя анализ согласно методике раздела 2.4, получим выражение для коэффициента передачи в области НЧ:

,

где - постоянная времени разделительной цепи в области НЧ.

                Постоянная времени разделительных цепей в общем случае может быть определена по формуле

,

где  - эквивалентное сопротивление, стоящее слева от  (обычно это выходное сопротивление предыдущего каскада или внутреннее сопротивление источника сигнала),  - эквивалентное сопротивление, стоящее справа от  (обычно это входное сопротивление следующего каскада или сопротивление нагрузки).

                Для рассматриваемой цепи постоянная времени равна:

.

                Выражения для относительного коэффициента передачи и коэффициента частотных искажений в области НЧ таковы:

,

,

,

,

Обратите внимание на лекцию "33 Сущность процесса напыления".

и в комментариях не нуждаются. По этим выражениям оценивается влияние конкретной цепи на АЧХ и ФЧХ каскада в области НЧ.

                Связь между коэффициентом частотных искажений и нижней граничной частотой выражается формулой

.

                Аналогичным образом учитывается влияние других разделительных и блокировочных цепей, только для блокировочной эмиттерной цепи постоянная времени приблизительно оценивается величиной   т.к. сопротивление БТ со стороны эмиттера приблизительно равно  (см. подраздел 2.4.1), а влиянием  в большинстве случаев можно пренебречь, т.к. обычно <<.

                Результирующую АЧХ и ФЧХ каскада в области НЧ можно построить, используя уже упоминавшийся принцип суперпозиции.

                В n-каскадном усилителе с одинаковыми каскадами наблюдается эффект сужения полосы рабочих частот, который в области НЧ можно скомпенсировать уменьшением нижней граничной частоты каскадов до .