Родюков М.С., Коновалов Н.Н. Электроника. Расчёт усилительного каскада с общим эмиттером, страница 4

. . 15% от максимального входного напряжения. Наличие постоянной составляющей такой величины позволятвыйти из нелинейного участка в начале входных и выходных характеристик транзистора.Класс С – режим, при котором напряжение в выходной цепи изменяется в течении времени значительно меньшего половины периодавходного сигнала (рис. 1.17, г), т.

е. 0 < θ < π/2. Этот класс характеризуется высоким КПД и сильными нелинейными искажениями. Своеприменение он нашел в избирательных усилителях и автогенераторах,для работы которых достаточно наличия нулевой гармоники.Помимо аналоговых классов усилителей, имеется импульсныйКласс D, который характеризуется наличием только двух уровнейвыходного напряжения (максимальное и нулевое), то есть транзисторработает в ключевом режиме –– либо полностью открыт, либо полностью закрыт. Подобные усилители широко применяются в импульсной технике, отличаются высоким КПД и малыми нелинейными искажениям. Сигналы, которые усиливаются ими, используют широтноимпульсную модуляцию (ШИМ), при которой информация кодируетсядлительностью импульса.В нашей работе мы рассматриваем усилительный каскад работающий в классе A.

Рабочая точка такого каскада выбирается междуточками с и d нагрузочной характеристики так, чтобы входной и выходной сигнал всегда находились на линейных участках характеристик транзистора. На рис. 1.18 показано положение рабочей точки навыходной характеристике транзистора.

Здесь точка A соответствуетрабочей точке, точка a –– минимальному, а точка b –– максимальному уровню выходного сигнала. Точки a и b выбираются на линейныхучастках входных и выходных характеристик транзистора.Рабочая точка выбирается на середине отрезка ab.Положение рабочей точки, а следовательно и класс усилителя,выходного напряжения в течении всего периода входного. Недостатком подобных каскадовявляется невозможность найти два абсолютно одинаковых транзистора, что приводит кискажениям в местах соединения разнополярных полупериодов на выходе усилителя.7 На практике часто режим АВ обозначается как режим В, что не всегда особо оговаривается.221.

Теоретическое введениеопределяется величиной и знаком постоянного напряжения UБЭ0 , длясоздания которого используется делитель напряжения R1 R2 (рис. 1.19).Значения сопротивлений резисторовR1 и R2 определяются следующими выражениями:R1 =EК − UБЭ0IД + IБ0R2 =UБЭ0IД + IБ0Здесь UБЭ0 и IБ0 соответствуют положению рабочей точки на входной характеристики и определяются с помощьюграфических построений на входных характеристиках транзистора, IД –– ток делителя, протекающий через резисторы R1 R2 . Для повышения стабильности напряжения смещения желательно чтобы величина IД была достаточно высокой, однако высокое значение IД ведёт к росту потребляемой мощности от источника питания и, как следствие, снижениюКПД потому значение IД выбирается в пределах:Рис.

1.18. Рабочая точка навыходных характеристикахтранзистораIД = (2 . . . 5)IБ0 .При расчёте резисторов R1 и R2 мы предполагаем, что постоянная составляющая входного сигнала равна нулю, однако, в реальныхсхемах это предположение зачастую не верно, и для её удаления вовходном сигнале перед делителем ставится разделительный конденсатор CР1 , а для удаления постоянной составляющей, созданной делителем R1 R2 –– конденсатор CР2 на выходе.Помимо подавления постоянной составляющей, разделительныеконденсаторы оказывают воздействие и на переменную: подавляютпеременную составляющую (несущую полезный сигнал) на нижнихчастотах и смещают фазы выходного сигнала. Подавление переменного сигнала на нижних частотах связано с характером емкостногосопротивления XC = 1/ωC, где ω = 2πf –– круговая частота, в результате коэффициент усиления на частотах от 0 до fН оказывается мал ипри f → 0 также стремится к нулю.

Этим объясняется провал АЧХ на1.2. Усилительной каскад с общим эмиттером (ОЭ)23нижних частотах у усилителей, в которых используются конденсаторы. В рассматриваемой схеме воздействие конденсаторов на разностьфаз между напряжением и током, в связи с малыми значениями емкостей конденсаторов, незначительно и мы им можем пренебречь.Ёмкость конденсатора Cр1 рассчитывается исходя из того, что его емкостноесопротивление на нижней частоте должнобыть много меньше входного сопротивления каскада:1 RВхК2πfНCР1В обычных расчётах достаточно чтобы XCР1 не превышало 10% от входногосопротивления:1≤ 0,1RВхК2πfНCР1ОтсюдаCР1 ≥Рис. 1.19. Усилительнойкаскад с ОЭ и делителемнапряжения R1 R210, Ф,2πfН RВхКили, для Cр1 , выраженного в микрофарадах:CР1 ≥10106 , мкФ.2πfН RВхКВходное сопротивление каскада RВхК , равно сумме сопротивленийбазы и входного сопротивления транзистора:RВхК =RБ RВхТ,RБ + RВхТа сопротивление базы — сумме сопротивлений R1 R2 делителя, такжевключённых параллельно:RБ =R1 R2.R1 + R2Величина RБ , во избежании шунтирующего действия по отношениюк входному сопротивлению транзистора, должна быть в пределах241.

Теоретическое введениеRБ = R1 k R2 = (2 . . . 5)RВхТ .Аналогично рассчитывается ёмкость разделительного конденсатора на выходе каскада, только расчёт ведётся с учётом не входногосопротивления каскада, а сопротивления нагрузки:CР2 ≥10106 , мкФ.2πfН RН1.2.4.

Термостабилизация усилительного каскадаВажной особенностью полупроводников является сильная зависимость коэффициента усиления от температуры, например напряжениеUБЭ изменяется на 2 . . . 2,5 мВ на 1 градус, а IКБ удваивается при изменении температуры на 5 . . . 7 ◦ С для кремниевых и 8 . . . 10 ◦ С длягерманиевых транзисторов [4].

Подобные изменения приводят к смещению рабочей точки и появлению нелинейных искажений.Для компенсации воздействия температуры в схему усилительныхкаскадов вводят цепи термостабилизации, принцип действия которыхоснован на механизме обратных связей.Обратная связь (ОС) –– воздействие выходной цепи на входную,когда часть выходного сигнала подаётся на вход.Различают положительную обратную связь (ПОС), когда выходной сигнал складывается с входным (фазы сигналов совпадают)и отрицательную обратную связь (ООС), когда выходной сигналвычитается из входного (сигналы находятся в противофазе).В усилителях широко применяются ООС с целью увеличения стабильности работы усилителя и уменьшения нелинейных искажений,однако следует учитывать, что ООС снижает коэффициент усилениякаскада.

ПОС применяются, в основном, в генераторах, в усилителяхони приводят к самовозбуждению –– неконтролируемому росту коэффициента усиления. В усилительных каскадах ПОС обычно являются паразитными –– самопроизвольно возникающие ОС, являющиесяошибками проектирования.В усилительных каскадах с общим эмиттером, обычно, термостабилизация осуществляется путем создания ООС на базе резистора RЭ(рис. 1.20).Рассмотрим термостабилизацию усилительного каскада с ОЭ более подробно.1.2. Усилительной каскад с общим эмиттером (ОЭ)25При отсутствии входного сигнала, напряжение между базой иэмиттером определяется по II законуКирхгофа:UБЭ0 = U20 − UЭ0где U20 = I20 R2 , UЭ0 = IЭ0 RЭ падение напряжения на резисторах R2 иRЭ соответственно.При повышении температуры,Рис. 1.20.

Термостабилизациявозрастает концентрация основныхусилительного каскада с ОЭносителей заряда и увеличиваютсятоки базы и коллектора, что приводит к увеличению UБЭ и, как следствие, смещению 22рабочей точки. Врезультате увеличения IЭ возрастаетвеличина падения напряжения UЭ0 == IЭ0 RЭ , а разность UБЭ0 = U20 − UЭ0уменьшается (рис. 1.21), в результатеРис.

1.21. Принципчего рабочая точка смещается в истермостабилизацииходное положение.усилительного каскада с ОЭПри снижении температуры происходит обратный процесс –– концентрация носителей заряда (в результате рекомбинации), токи базы и коллектора уменьшаются, чтоприводит к уменьшению UБЭ . В результате уменьшения IЭ уменьшается и UЭ0 = IЭ0 RЭ , а разность UБЭ0 = U20 − UЭ0 увеличивается, врезультате чего рабочая точка смещается в исходное положение.Помимо стабилизации рабочей точки, RЭ оказывают серьёзноевоздействие на работу усилительного каскада.Во первых, резистор RЭ находится в цепи коллектор–эммитер, иучаствует в формировании нагрузочной характеристики:EК = UКЭ0 + IR0 (RК + RЭ ).При выборе величины сопротивления RЭ , необходимо учитыватьдва взаимоисключающих фактора:1.

Термостабилизация осуществляется тем лучше, чем выше глубина обратной связи (т. е., чем выше ток делителя IД и вышесопротивление RЭ ).261. Теоретическое введение2. Чем выше величина сопротивления RЭ , тем больше на нём происходит падение напряжения и тем ниже КПД каскада.Для уменьшения воздействия на нагрузочную характеристику RЭвыбирается равным 1 . . . 2 В, что для биполярных транзисторов соответствует 10 . . .

30 % от EК :RЭ IЭ = (0,1 . . . 0,3)EК ,что равносильно выборуRЭ = (0,05 . . . 0,15)RКв согласованном режиме работы транзистора.В связи с тем, что RЭ участвует в формировании нагрузочной характеристики, её, после определения RЭ , необходимо скорректировать.Во вторых, на RЭ происходит падение переменной составляющейвыходного напряжения (которая и является полезным выходным сигналом) что приводит к уменьшению коэффициента усиления.Для нейтрализации воздействия RЭ на выходной сигнал параллельно ему ставится шунтирующий8 конденсатор CЭ , что приводит ктому, что переменная составляющая сигнала практически без потерьпроходит через конденсатор (т. к.