5.6 СПОСОБЫ ВКЛЮЧЕНИЯ УСИЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Для того чтобы обеспечить необходимые технические показа­тели и характеристики усилительных устройств, следует выпол­нить ряд принципов или условий их построения.

Для конкретного типа усилительного элемента (УЭ) выбирается способ его включения по сигналу (или по переменному току). Его необходимо реализо­вать. Затем выбирается режим работы УЭ по постоянному току (по току питания и напряжению питания) и обеспечивается его ста­бильность при изменении температуры, влажности, напряжения питания и т. д.

Далее должна быть обеспечена связь УЭ с источником, сигна­ла, и с последующим УЭ или нагрузкой. Для этого следует выбрать вид цепи межкаскадной связи и реализовать его.

Необходимо также обеспечить требуемые сопротивления на­грузки УЭ по постоянному и переменному токам – реализовать расчетную нагрузочную (или динамическую) характеристику усилительного элемента.

При подаче сигнала на вход усилителя нужно убедиться, что обеспечивается выбранный режим работы УЭ по сигналу. В каскадах предварительного усиления слабого сигнала обычно вы­бирают режим А, а в оконечных каскадах – режим В (АВ).

Наконец, следует обеспечить требуемый вид и глубину обратной связи (ОС) в одном или нескольких каскадах, а также и в целом в усилителе. Начнем последовательно рассматривать, что собой представляют изложенные выше условия применительно к конкретным видам УЭ.

Способы включения по сигналу трехполюсных усилительных элементов

Наиболее широко в качестве усилительных элементов (УЭ) в РПрУ используются биполярные и полевые транзисторы (БТ) и (ПТ). Эти УЭ представляют собой трехполюсники – имеют три элек­трода: управляющий, управляемый и эмиттирующий. В зависимо­сти от того, какой электрод является общим для цепи источника сигнала и цепи нагрузки, различают три способа включения трех­полюсных УЭ: с общим эмиттирующим электродом, с общим уп­равляющим и общим управляемым электродами. Рассмотрим осо­бенности этих способов включения УЭ.

Для определения способа включения УЭ в сложной схеме ис­ключают все цепи внешних ОС, кроме тех, исключение которых нарушает режим работы УЭ по постоянному току. Затем входную цепь УЭ представляют в виде эквивалентного источника сигнала,. а выходную — в виде эквивалентного (результирующего) сопро­тивления нагрузки. Таким образом получают простейшую экви­валентную схему каскада по сигналу (рис.2.17 — 2.20). Электрод, подключенный к цепям источника сигнала и нагрузки, определяет способ включения УЭ.

На рис. 2.17 приведены схемы, соответст­вующие включению с общим эмиттирующим электродом: рис.2.17, а) – с общим эмиттером (ОЭ); рис. 2.17, б) – с общим исто­ком (ОИ). Это единственный способ включения УЭ, при котором нет внешних по отношению к не­му цепей обратной связи.

Рис.2.17. Схемы включения УЭ с общим эмиттирующим электродом

На рис.2.18 приведены схемы, соответствующие включению УЭ с общим управляющим электродом: рис.2.18, а) — с общей ба­зой (ОБ); рис.2.18, б) – с общим затвором (03).

Рис.2.18 – Схемы включения УЭ с общим управляющим электродом

Схему с ОБ можно представить как схему с ОЭ (транзистора обведенный штриховой линией на рис.2.20, а), но с введенной внешней параллельной ООС по току. Эта ОС осуществляется че­рез резистор R_Нэк; ток I_CB является током цепи ОС. Все показате­ли УЭ, включенного по схеме с ОБ, определяются указанным вы­ше видом ОС. Качественное измене­ние показателей усилительного каскада при включении УЭ по схе­ме ОБ иллюстрирует таблица 2.3.

Таблица 2.3.

На рис.2.19 приведены схемы, соответствующие включению УЭ с общим управляемым электродом:

Рис.2.19

Рис.2.19, а) – общий кол­лектор (ОК); рис.2.19, б) – общий сток (ОС). Схему ОК можно представить как схему ОЭ, но с внешней последовательной ООС по напряжению – рис.2.20, б). Напряжение Uвых, действующее на эквивалентном сопротивлении нагрузки R_H, одновременно является и напряжением Uoc, действующим между базой и эмиттером. Все показате­ли УЭ, влюченного по схеме ОК, определяются видом этой внеш­ней обратной связи.

Рис.2.20.

Качественное изменение показателей усилительного кас­када при включении усилительного элемента по схеме с ОК иллюстрируется табл. 2.3. В связи с тем, что К1 и фаза сигнала на выходе не инвертиру­ется, схемы с общим управляемым электродом получили общее название — повторители.

Аналогично тому, как изменяются показатели усилителя при переходе от схемы с ОЭ к схемам с ОБ или ОК, меняются показатели усилителя и на ПТ, и на ЭЛ при соответствующем способе их включения по сигналу.

Способы включения по сигналу усилительных приборов

Современная схемотехника, в том числе микросхемотехника, предъявляет столь высокие требования к параметрам УЭ, что обеспечить их с помощью одного элемента не удается. Поэтому во входных и выходных каскадах апериодических уси­лителей, а также в резонансных каскадах усилителей находят применение усилительные приборы (УП), представляющие собой составные транзисторы. Обычно это два, реже три транзистора, непосредственно соеди­ненные между собой и имеющие три эквивалентных вывода. Для анализа их удобно представлять в виде единого УЭ, имеющего базу, эмиттер и коллектор. Наиболее распространенными состав­ными транзисторами являются составной эмиттерный повторитель, разновидность схемы Дарлингтона, каскодная схема ОЭ—ОБ и каскодная схема ОК—ОБ.

Рис.2.21.Схема Дарлингтона

На рис. 2.21, а) приведена принципиальная схема составного эмиттерного по­вторителя. Транзисторы VT₁ и VT₂ включены каждый по схеме с ОК. Обычно, таким образом, транзисторы включают для увеличения коэффициента усиления по току всего усилителя, но при этом во входных каскадах стремятся к увели­чению входного сопротивления УЭ, а в выходных каскадах – к уменьшению вы­ходного сопротивления.

Из рис. 2.21, а) видно, что входная цепь VT₂ включена в эмиттерную цепь VT₁ – в цепь ООС. Эквивалентный коэффициент усиления по току составно­го транзистора равен h_21э. В отсутствие резистора R во входной цепи VT₂ транзисторы VT₁ и VT₂ ра­ботают с сильно различающимися постоянными токами. Если VT₂ имеет номинальный ток эмиттера, то VT₁ может иметь столь малый ток эмиттера, что это приведет к уменьшению h_21э составного транзистора. Включение рези­стора R, благодаря которому увеличивается начальный ток эмиттера, приводит к уве­личению h_21э, выравниванию режимов работы VT₁ и VT₂ по постоянному току, но несколько уменьшает коэффициент усиления по току составного транзистора.

В составном транзисторе, схема которого приведена на рис. 2.21, б), исполь­зуются VT₁ и VT₂ различного типа проводимости. Схема на рис. 2.21, б) удобна в двухтактных оконечных каскадах, когда выходные транзисторы имеют одина­ковый тип проводимости (нет подходящей по мощности комплементарной пары). В целом по своим свойствам схема на рис. 2.21, б) аналогична схеме, приведенной на рис. 2.21, а), однако коллектором эквивалентного транзистора в первом случае является эмиттер VT₂, а тип проводимости эквивалентного транзистора совпа­дает с типом проводимости VT₁. Без резистора R эквивалентный коэффициент усиления по току h_21э.

Резистор R предназначен для тех же целей, что и в схеме на рис. 2.21, а). При наличии резистора R в схеме на рис. 2.21, б).

Схема, представленная на рис. 2.51, б), требует меньшего входного напряжения, чем схема на рис. 2.21, а).

Особое место среди составных транзисторов занимают каскодные схемы – рис. 2.22.

Рис.2.22 – Каскодные схемы

На рис. 2.22, а) транзистор VT₁ включен по схеме с ОЭ, a VT₂ – по схеме ОБ. Нагрузкой VT₁ является очень малое входное сопротивление VT₂, поэтому коэффициент усиления по напряжению VT₁ близок к 1, однако коэффициент усиления по току равен h_21э. В результате сильно снижается влияние емкости коллекторного перехода С_К на входные показатели эквивалентного транзистора (за счет внутренней ОС). В свою очередь VT₂ имеет коэффициент усиления по току h_21б  1, но обеспечивает коэффи­циент усиления по напряжению такой же, как и обычная схема с ОЭ. Вместе с тем и емкость С_К2 очень слабо влияет на входное напряжение VT₂ в силу особенностей его включения — база соеди­нена с общим проводом. Таким образом, каскодная схема обес­печивает коэффициенты усиления по напряжению, току и мощно­сти такие же, как и схема с ОЭ, но входная и выходная цепи уси­лителя связаны намного слабее, чем в схеме с ОЭ. Это значи­тельно повышает устойчивость работы резонансных усилителей. Улучшаются и частотные свойства апериодического усилительного каскада, так как входная емкость каскодной схемы практически становится равной статической входной емкости транзистора в схеме с ОЭ.