Родюков М.С., Коновалов Н.Н. Электроника. Расчёт усилительного каскада с общим эмиттером, страница 3

Усилители медленно изменяющихся сигналов (или усилители постоянного тока, УПТ) – у них нижняя частота АЧХ малаи приближается к 0 (fН → 0) а верхняя частота может достигать103 . . . 108 Гц.161. Теоретическое введение2. Усилители низкой частоты (УНЧ) – нижняя частота равнадесяткам герц, верхняя достигает сотен килогерц (для усилителей звуковой частоты (УЗЧ) — fВ = 15 . . . 20 000Гц).3. Усилители высокой частоты (УВЧ) – диапазон частот начинается от сотен килогерц и простирается до десятков и сотенмегагерц.4. Широкополосные усилители (ШПУ) – усиливают частоты отдесятков герц до сотен мегагерц (в основном применяются вимпульсной технике).5. Узкополосные или избирательные усилители – применяютсядля усиления сигналов в узком диапазоне частот (в идеале усиливается одна частота).Амплитудная характеристика усилителя (рис. 1.13) характеризует зависимость выходного напряжения от входного на средних частотах.При отсутствии входного сигнала (UВХ = 0) на выходе имеетсянапряжение UШ , обусловленное внутренними шумами усилителя.

Минимальное входное напряжение должно быть не менее чем в 2. . . 3 раза больше уровня внутренних шумов(UВЫХ (UВХmin ) > (2 . . . 3)UШ ). ПрямоРис. 1.13. Амплитуднаялинейный участок AB является рабохарактеристика усилителячим. Участок BC обусловлен нелинейностью усилительных элементов при высоком уровне сигнала.Таким образом, при уровне входного сигнала меньше UВХmin мы несможем отличить полезный сигнал от помех, а в случае UВХ > UВХmaxвыходной сигнал будет иметь нелинейные искажения.1.2.2. Усилительный каскад с ОЭУсилительный каскад с общим эмиттером (рис.

1.14) являетсяодним из самых распостранённых и применяется в каскадах предварительного усиления многокаскадных усилителях.Название схемы «с общим эммитером» означает, что вывод эмиттера является общим для входной и выходной цепи. В этом случае1.2. Усилительной каскад с общим эмиттером (ОЭ)17вывод эмиттера называется общим (обозначается знаком «⊥», такжеиспользуется термин «земля»), а все потенциалы измеряются относительно него.Усилительный каскад с общим эмиттером работает следующимобразом:1. При увеличении входного напряжения (UВХ ↑) ширина p − n перехода между коллектором и базой уменьшается, в результатевозрастает ток в цепи эмиттера (IЭ ↑, см. рис.

1.3), а выходноесопротивление транзистора (между коллектором и эмиттером)уменьшается (RВыхТр ↓), а следовательно уменьшается и падениенапряжения на выходе транзистора (IЭ RВыхТр = UВых ↓).2. При уменьшении входного напряжения (UВХ ↓) ширина p − n перехода между коллектором и базой увеличивается, в результатечего ток в цепи эмиттера уменьшается (IЭ ↓, см. рис. 1.3), а выходное сопротивление транзистора (между коллектором и эмиттером) увеличивается (RВыхТр ↑), следовательно увеличивается ипадение напряжения на выходе транзистора (IЭ RВыхТр = UВых ↑).Таким образом, усилительный каскад собщим эмиттером сдвигает фазу выходногосигнала, относительно входного, на 180о .Характер изменения выходного напряжения, при изменении входного от минимального до максимального, определяется статической нагрузочной характеристикой:EК = UКЭ + RК IКилиUКЭ = EК − RК IКРис.

1.14. Усилительнойкаскад с общимэмиттеромЭто выражение получено на основе II закона Кирхгофа (рис. 1.14) и из него хорошо видна роль резистораRК –– фактически он определяет характер изменения выходного сигнала, а при его отсутствие (RК = 0), напряжение на выходе усилителябудет определятся исключительно источником питания:EК = UКЭ .При (RК 6= 0), падение напряжения на RК будет зависеть от величины тока коллектора IК , связанного с величиной тока базы коэф-181.

Теоретическое введениефициентом β: IК = βIБ . Отсюда следует, что напряжение на выходекаскада будет по форме повторять напряжение на входе.Статическая нагрузочная характеристика определяет закон изменения выходного сигнала и строится на выходной характеристикетранзистора. Эта характеристика является прямой линией, для построения которой достаточно двух точек, например точек её пересечения с осями. Выходная характеристика транзистора показываетзависимость IК от UКЭ , поэтому рассмотрим значения нагрузочной характеристике при IК = 0 (точка c) и UK = 0 (точка <d») (рис.

1.15):UКЭ = EК |IК =0EК IК =RК UКЭ =0Величина ЭДС источника питания EК выбирается несколько меньше максимально допустимого напряжения на коллекторе, задаваемогов характеристиках транзистора, в пределах EК = (0,7 . . . 0,9)UКЭmaxВеличина RК выбирается из условия передачи максимальной мощности (согласованного режима): RК ≈ RВыхТр = 1/h22 , что для биполярного транзистора составит 0,5 . . . 10 кОм.Характер нагрузочной характеристики и коэффициент усиления,при заданной ЭДС источника питания EК , определяется величинойнагрузочного резистора RК , обеспечивающего необходимый уровеньпадения напряжения на выходе каскада и ограничивает ток коллектора.Рис. 1.15.

НагрузочнаяхарактеристикаРис. 1.16. Нагрузочная характеристика сограничениями (штриховкой выделенаобласть с недопустимыми значениямивыходного сигнала)1.2. Усилительной каскад с общим эмиттером (ОЭ)19Положение точек с и d ограничено максимально допустимымизначениями тока (IКmax ), напряжения (UКЭmax ) и мощности (PКmax ),которые приведены в справочных данных транзистора (рис. 1.16).Нагрузочная характеристика является основой графоаналитического метода расчёта усилительного каскада.1.2.3. Режим работы по постоянному токуРежим работы по постоянному току является важнейшей характеристикой усилительного каскада и характеризует его работу приотсутствии в напряжение на входе усилительного каскада переменнойсоставляющей, которая и является усиливаемой величиной.Режим работы по постоянному току характеризуется положениемрабочей точки –– точки на нагрузочной характеристике, соответствующей нулевому уровню переменной составляющей входного напряжения.На рисунке 1.15 мы видим, что нагрузочная линия, как и выходные характеристики транзистора, находятся с одной стороны от осиUКЭ , следовательно на выходе усилительного каскада будет сигнал одной полярности, а составляющие противоположной полярности будутутеряны.Положение рабочей точки определяется величиной и знаком постоянной составляющей входного напряжения напряжения UБЭ0 .

Есливходное напряжение меняется по закону синуса, то получим следующее выражение:u = UБЭ0 + UБЭm sin ωtВ зависимости от положения рабочей точки на нагрузочной характеристике различают три класса усилителей:Класс «А» (рис. 1.17, б) –– режим, при котором напряжение в выходной цепи изменяется в течении всего периода входного сигнала. Вэтом случае рабочая точка находится посредине участка нагрузочнойхарактеристики, соответствующего линейному участку характеристиктранзистора а входной и выходной сигналы являются пульсирующими4 . Отсюда следует, что при нулевом сигнале на входе (напомним,что входным сигналом для нас является переменная составляющая),напряжение на выходе будет равно UКЭ0 . Отсюда следует, что принулевом сигнале на входе, напряжение на выходе будет равно UКЭ0 .4 Пульсирующийсигнал меняется только по величине, знак остаётся постоянным, т.е.это сигнал одной полярности.201.

Теоретическое введениеСледует обратить внимание нато, что в связи с нелинейностьюхарактеристик транзистора в области низких значений тока коллектора, максимальное амплитудное значение выходного сигнала (UКЭm ) будет несколько меньше UКЭ0 .Достоинством класса А являются малые нелинейные искажения, однако КПД каскада η == P∼ /P0 (P∼ –– выходная мощность,P0 –– мощность, потребляемая от источника питания) мал –– 0,5.В основном класс А используется в каскадах предварительногоусиления.Класс B – режим, при которомнапряжение в выходной цепи изРис.

1.17. Режимы работы усилителяменяется в течении приблизительноа –– входной сигнал;половины периода входного сигналаб –– класс А;(рис. 1.17, в), т. е. входной сигналв –– класс B;г –– класс C;является переменным5 и происходит потеря половины его периода.При анализе режимов работы усилителей удобно использоватьугол отсечки θ – половина угла, соответствующего участку периода,на котором не происходит изменение выходного сигнала. Для каскада, работающего в идеальном режиме В, величина угла отсечки равнаπ/2.

В этом случае величина постоянной составляющей равна нулю,а КПД может достигать величины η = 0,8. Нелинейные искаженияимеют сравнительно небольшую величину и в основном сконцентрированы в области нулевого значения входного и выходного сигналов.Это связано с нелинейном характером начальных участков входных ивыходных характеристик транзистора.Класс B получил широкое распространение в двухтактных усилительных каскадах6 , однако идеальный класс В (θ = π/2) приме5 Переменныйсигнал меняется как по величине, так и по знаку.двухтактном усилительном каскаде имеется два усилительных элемента, каждый изкоторых усиливает напряжение одной из полярностей, они позволяют обеспечить изменение6В1.2. Усилительной каскад с общим эмиттером (ОЭ)21няется редко, наибольшее распространение получил промежуточныйКласс АВ7 , при котором угол отсечки несколько больше π/2, то есть квходному напряжению прибавляется постоянная составляющая, величина которой составляет 5 .