В.В. Филинов, А. В. Филинова - Электроника и основы измерений, страница 8

2.1.4. Усилители напряжения с общим эмиттером

(Усилительный каскад с коллекторной нагрузкой)

Одним из наиболее распространенных усилительных каскадов на биполярных транзисторах является каскад с коллекторной нагрузкой. Транзистор в этом усилительном каскаде соединен по схеме с общим эмиттером, поэтому этот каскад часто называют усилительным каскадом с общим эмиттером (УОЭ), нагрузочный резистор R_К включен в коллекторную цепь транзистора. Полярность источника питания с ЭДС Е_К по отношению к коллекторной цепи зависит от типа транзистора. На рис.2.6 полярность источника питания соответствует транзистору типа n-p-n.

Усилитель (рис.2.6) включает в себя все элементы структурной схемы (рис.2.1): основными элементами усилителя являются источник питания Е_К, усилительный элемент в виде n-p-n транзистора Т и коллекторное сопротивление R_К; входную цепь с источником сигнала Е_Г и выходную – с нагрузочным устройством R_H. Резисторы R_б ( ) и R_К задают режим работы усилительного элемента Т по постоянному току. Разделительные конденсаторы С₁ и С₂ исключают протекание постоянного тока от Е_Г и R_H к транзистору, тем самым обеспечивают независимый режим работы по постоянному току усилительного элемента и защищают транзистор от перегрузок в случаях аварийной работы Е_Г и R_H.

Принцип работы УОЭ (рис.2.6).

Пусть входной сигнал отсутствует u_вх=0. Через элементы усилителя протекает постоянный ток: I_бо - ток покоя базовой цепи транзистора, I_ко- ток покоя коллекторной цепи транзистора, вызывающий между электродами транзистора падение напряжения покоя U_бэо и U_кэо. Важно правильно

обеспечить режим работы усилителя по постоянному току, т.е. Р.Т. (I_бо, I_ко, U_кэо, U_бэо), так чтоб усилитель функционировал на линейном участке амплитудной характеристики. Это обеспечивается выбором R_к и R_б. На практике R_к выбирают равным (1÷10) кОм. R_б согласно закона Кирхгофа можно определить .

Номинальные значения I_бо, I_ко, U_кэо, U_бэо выбирают по входным и выходным характеристикам транзисторов, которые приводятся в справочниках, или по переходным характеристикам (рис.2.5).

В соответствии с зависимостью U_кэ=f(U_бэ) на рис.2.5 напряжение U_кэ начинает уменьшаться(точка B^/) при увеличении напряжения U_бэ, с того значения, когда начинает расти ток I_б (I_б=f(U_бэ)). Объясняется это тем, что увеличение I_б вызывает рост тока I_к через транзистор. Следовательно, увеличивается напряжение на резисторе R_к по закону Ома и в соответствии со 2-м законом Кирхгофа уменьшается напряжение на коллекторе транзистора U_кэ:

U_кэ = E_к - I_к R_к

(участок BA характеристики рис. 2.5). Этот линейный участок является рабочим и определяет интервал колебаний переменных напряжений на входе и выходе усилителя относительно постоянных значений U_кэо и U_бэо. Таким образом, эти значения U_бэ0 и U_кэ0 лежат в середине линейного участка, они обозначены Р.Т., т.е. это рабочая точка усилителя. По статической характеристике I_б=f(U_бэ) определяется ток покоя базы I_бо, ему соответствует ток покоя коллектора I_к0=I_бо. Совокупность значений I_бо, I_ко, U_кэо, U_бэо транзистора задаёт режим покоя. Накладывая на указанные постоянные составляющие переменные составляющие от входного сигнала в пределах участка AB, получим колебания напряжений на электродах транзистора, соответствующие линейному режиму.

Работа усилительного каскада может быть пояснена с помощью рис.2.7. Пусть напряжение на входе усилителя возрастает на величину U_вх, это приведет к увеличению напряжения U_бэ, входного базового тока I_б и тока коллектора транзистора . Сопротивление коллектор-эмиттерного перехода транзистора падает и, согласно закона Ома, уменьшается напряжение U_кэ=U_вых. Сказанное можно записать с помощью условной диаграммы: (где знак - величина возрастает, - величина уменьшается). Если входное напряжение будет изменяться по синусоидальному закону , то выходное напряжение также имеет синусоидальную форму (это хорошо иллюстрирует временная диаграмма работы усилителя (рис.2.7)). Следует заметить, что усилитель меняет фазу сигнала на 180⁰ (см. рис. 2.7), это означает, что УОЭ является инвертирующим.

Благодаря тому, что ток коллектора во много раз превышает ток базы (=20÷200), а сопротивление R_к больше R_вх, выходное напряжение усилительного каскада с коллекторной нагрузкой получается во много раз больше входного напряжения, а коэффициент усиления по напряжению УОЭ составляет Кu = 10  100.

Для температурной стабилизации усилительного каскада, т.е. фиксации положения рабочей точки на линейном участке характеристики, в цепь эмиттера включают резистор R_э, шунтированный конденсатором С_э (рис.2.6). Повышение температуры окружающей среды приводит к увеличению токов транзистора I_бо и I_ко ( ) и изменению положения РТ (рис.2.5). Режим работы по постоянному току входной цепи УОЭ (рис.2.6) определяется по 2-му закону Кирхгофа , поэтому увеличение I_э0, согласно этому уравнению, приводит к уменьшению U_бэо, т.к. первое слагаемое уравнения постоянно и не зависит от Т ^оС. Уменьшение U_бэо закрывает транзистор Т и уменьшает I_бо до прежней величины. Сказанное отражается с помощью условной диаграммы:

ΔT^oC↑→ I_бо ↑→ I_ко ≈ I_эо ↑→ U_бэо ↓→ U_бо ↓

Однако включение резистора R_э уменьшает К_u усилителя, т. к. часть полезного (усиливаемого сигнала) u_вх выделяется на нем и не усиливается транзистором (уравнение для входной цепи усилителя по переменному току запишется u_бэ=u_вх-R_эi_э). Чтобы этого избежать резистор R_Э шунтируется конденсатором С_Э, емкость которого выбирается таким образом, чтобы для всех частот усиливаемого переменного сигнала его сопротивление было много меньше R_Э, тогда переменная составляющего тока эмиттера проходит через конденсатор С_Э, почти не вызывая падения напряжения на резисторе R_Э. В результате падение напряжения на резисторе R_Э от постоянной составляющей тока практически не меняется, а, следовательно, переменное напряжение на входе каскада оказывается равным переменному напряжению между базой и эмиттером u_вхu_бэ, т.е. усиливаемое напряжение не меняется за счет цепочки R_эС_э (стабильно при изменении температуры).

Приведенная схема усилительного каскада хорошо стабилизирована в диапазоне температур от –60C до +60C, при этом значение сопротивления R_Э выбирают наименьшим по величине (обычно R_э(10100) Ом), чтобы обеспечить минимальные энергетические потери.

Характеристики УОЭ:

Входное сопротивление R_вх=h₁₁=n·100Ом (n=1,2…); выходное сопротивление R_вых ≃R_к = (1-10) кОм: коэффициент усиления по напряжению К_u ≃  R_к/ R_вх  10-200; .

Анализ работы усилительного каскада проводится по статическим входным и выходным характеристикам транзистора графоаналитическим методом. Для коллекторной цепи усилительного каскада (рис.2.6) в соответствии со вторым законом Кирхгофа можно записать следующее уравнение электрического состояния:

Е_к = U_к + R_кI_к .

На выходных статических характеристиках биполярного транзистора строится линия нагрузки, т.е. вольтамперная характеристика коллекторного резистора Rк, получаемая из предыдущего выражения (рис. 2.8а).

U_к = Е_к – R_кI_к.

Эту прямую строят по двум точкам, в которых она пересекает оси:

ось абсцисс в точке U_к = Е_к при I_к = 0,

ось ординат в точке I_к = Е_к/R_к при U_к = 0.

Наклон линии нагрузки определяется резистором R_к, а именно:

tg = m_i / R_к*m_u,

где  - угол наклона линии нагрузки к оси абсцисс, m_i и m_u – масштабные коэффициенты для тока и напряжения. Значения токов i_к, i_б, напряжений на коллекторе u_к и на резисторе u_Rк определяются точкой пересечения линии нагрузки с соответствующей выходной характеристикой, причем эта точка при пульсациях входного напряжения перемещается вдоль линии нагрузки.

В режиме покоя (U_вх = 0) положение рабочей точки выбирается в середине рабочей области характеристик, ограниченной гиперболой PQ допустимой мощности, рассеиваемой транзистором, а также максимально допустимыми током I_{к МАХ} и напряжением транзистора U_{кэ max} (рис. 2.8а).

Такое положение рабочей точки В на линии нагрузки, когда отрезки АВ и ВС равны, обусловлено стремлением получить высокую степень линейности режима усиления при минимальном потреблении мощности каскадом в режиме покоя. Снизу участок линейного усиления на линии нагрузки ограничен минимально допустимым током коллектора (точка С), соответствующий ему минимальный ток базы (точка С^/ на рис. 2.8б) определяется началом линейного участка входной характеристики. Все входные характеристики транзистора располагаются достаточно близко, поэтому в качестве динамической входной характеристики используется положение средней при U_кэ  0 (например, при U_кэ = 5 В). Точка А на линии нагрузки соответствует уменьшению коэффициента передачи по току  транзистора при больших величинах тока I_к (т.е. нарушению линейности).

Точке А на выходных характеристиках соответствует точка А^/ на входных характеристиках транзистора, определяющая максимальный ток базы. Точка B^/ (рабочая точка РТ) соответствует значению тока покоя базы I_бо.

По положению рабочей точки определяются параметры режима покоя (I_бо, I_ко, U_кэо, U_бэо), а рабочий участок характеристик (АС и А^/С^/) позволяет определить амплитуды переменных составляющих токов базы i_б, коллектора i_к, напряжений u_бэ=u_вх и u_кэ=u_вых, и вычислить коэффициенты усиления каскада.

Описанный режим работы усилителя соответствует классу А. В зависимости от положения рабочей точки покоя на динамической характеристике различают режимы работы транзистора в схеме – классы А, В, АВ и С.

При работе в режиме класса А рабочая точка покоя выбирается посередине. Этот режим обеспечивает минимальные нелинейные искажения, но к.п.д. каскада мал (не превышает 50%).

С целью повышения к.п.д. усилителя используются классы усиления В, АВ и С, однако в этих классах велики нелинейные искажения сигнала.