А.В. Журавлёв, Ю.И. Кузнецов, А.Г. Ржанов - Усилитель низкой частоты на биполярном транзисторе, страница 2

Однокаскадный усилитель низкой частоты.Усиление напряжения, тока и мощности на низкой частоте наиболее целесообразно осуществлять в схеме с общим эмиттером (ОЭ). Еесхемотехническая реализация представлена на рис. 3, в ней эмиттернаяцепь транзистора (вместе с дополнительным последовательно соединенным сопротивлением Rэ ) является общей для входа и выхода. Эта схемаобладает большим значением модуля коэффициента усиления по напряe U |, где:жению |KeвыхUeKU =,eвхU(3)eвх , Ueвых – комплексные амплитуды напряжений и токов на входе игде Uвыходе усилителя. Схема с ОЭ также имеет также большой коэффициент8Рис.

3. Cхема однокаскадного УНЧ на биполярном транзисторе.усиления по току, который определяется аналогично (3), но в настоящейработе исследоваться не будет.Наличие больших коэффициентов усиления как по току, так и понапряжению, обуславливает выбор схемы с ОЭ для усилителя низкойчастоты. Есть еще две схемы включения транзистора, которые не совсем подходят для этой цели.

Схема с общей базой (ОБ) используетсяв основном в СВЧ технике, она позволяет усиливать напряжение, нопрактически не усиливает ток и мощность. Схема с общим коллектором(ОК) вообще для усиления использовать нецелесообразно, т.к. у нее коэффициент усиления по напряжению немного меньше единицы. Она восновном используется для согласования источника сигнала и нагрузкии называется эмиттерным повторителем [1].Рассмотрим назначение элементов схемы с ОЭ, представленной рисунке 3.

От источника питания подается постоянное напряжение Eп (положительное для n-р-n-транзистора). С помощью резистора в цепи базыRб задается активный режим работы транзистора (см. раздел "Выборрежима работы транзистора"). Резистор в коллекторной цепи Rк является нагрузкой транзистора. Разделительный конденсатор C1 отсекает9постоянную составляющую входного сигнала, это необходимо для исключения влияния выходных цепей источника сигнала на режим работытранзистора по постоянному току.

Конденсатор C1 также задает нижнюю частоту полосы усиления. Резистор в цепи эмиттера Rэ необходимдля задания коэффициента усиления, увеличения входного сопротивления и для температурной стабилизации работы усилителя. Отметим, чтоесли не использовать Rэ , коэффициент усиления будет максимальнымдля данного транзистора, но будет наблюдаться высокая температурнаянестабильность. Так, в последнем случае, после задания активного режима работы путем выбора Rб и повышения температуры транзисторавсего на 8 градусов, он перейдет в режим насыщения ([2], упр. 2.9 стр.91).

Выходной сигнал снимается между коллекторным выводом транзистора и землей. Необходимо отметить, что он имеет зависящую от выборарабочей точки постоянную составляющую (иногда ее отсекают с помощью дополнительного конденсатора). Конденсатор C2 на рис. 3 определяет верхнюю частоту полосы усиления прибора (см. раздел "Частотныйдиапазон усилителя").5. Выбор режима работы транзистораДля выбора активного режима работы транзистора (рабочей точки)следует воспользоваться его вольт-амперными характеристиками (рис.4), которые представляют собой зависимости тока коллектора Iк от напряжения между коллекторным и эмиттерным выводами транзистораUк-э при различных фиксированных значениях тока базы Iб .Средняя, незаштрихованная часть рисунка соответствует активномурежиму работы транзистора, а заштрихованные – областям насыщенияи отсечки.

В режиме насыщения выводы можно считать короткозамкнутыми, а сам этот радиоэлемент представлять в виде точки соединенияпроводников. В режиме отсечки полагают, что радиоэлемент представ10Рис. 4. Выходные вольт-амперные характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ.11ляет собой разрыв цепи. Кривой с отметкой Pmax рас отмечена границамаксимально допустимых мощностей рассеяния транзистора, за пределами которой возможен перегрев транзистора и пробой.Рассмотрим режим работы транзистора по постоянному току. Напряжение между коллектором и эмиттером можно записать в виде:Uк-э = Eп − Iк (Rк + Rэ ).(4)Данное соотношение является уравнением нагрузочной прямой (обозначена AC на рис.

4). Эта прямая пересекает оси координат в точках Eп(ось Uк-э ) и Eп /(Rк + Rэ ) (ось Iк ).При изменении тока базы Iб происходит переход с одной кривой ВАХтранзистора на другую, но мгновенные значения величин Iк и Uк-э определяются движением по графику строго (согласно ур. (4)) вдоль нагрузочной прямой.Предположим, что постоянная составляющая тока коллектора установлена в точку B. Это можно сделать, задав постоянную составляющуютока базы, т.к.

данные токи связаны соотношением (2). Далее предположим, что задана гармоническая переменная составляющая в токе базы.Согласно (2) подобная составляющая будет и в токе коллектора. Приэтом сигнал в виде колебаний напряжения Uк-э будет повторять по форме сигнал Iк только при условии, что точки А и С не будут выходитьв заштрихованные нелинейные области. Если это условие будет соблюдаться, транзистор будет работать в активном режиме.

Отметим, чтов нелинейных областях не справедлива формула (2), так как она выводилась только для активного режима работы. При попадании в этиобласти сигнал будет обрезаться сверху или снизу (или с обоих сторон),что можно увидеть на графике зависимости Uвых (t).Чтобы нелинейные искажения сигнала были наименьшими, нужноустановить постоянные составляющие Uк-э 0 и Iк0 (точку В) в центр на12грузочной прямой. Тогда будет обеспечен линейный режим работы транзистора для наибольших амплитуд входного сигнала. Это соблюдаетсяпри выполнении условий:Uк-э 0 =EпEпи Iк0 =.22(Rк + Rэ )(5)C учетом соотношений (4) и (2) значение сопротивления Rб выбираетсяравным:EпβEп== 2β(Rк + Rэ ),(6)Iб0Iк0где величина Rк может быть задана или рассчитана, исходя из необхоRб =димого выходного сопротивления усилителя, а Rэ – из входного сопротивления и из коэффициента усиления.6.

Эквивалентная схема транзистораАнализ работы схемы УНЧудобно производить, используя эквивалентную схему биполярноготранзистора (рис. 5), хорошо описывающую его свойства на низкихчастотах [3, 4, 5]. Будем считать,что задана рабочая точка по постоянному току, вместе с тем присутствуют переменные составляющиетоков эмиттера Ieэ , базы Ieб и коллектора Ieк .

Сопротивление эмит- Рис. 5. Эквивалентная схема бипотерного перехода r по переменной лярного транзистора.эсоставляющей называется отношение:eэUrэ = ,Ieэ13(7)eэ – комплексная амплитуда переменной составляющей напряжениягде Uна эмиттерном переходе. Аналогично (7) определяются и другие внутренние сопротивления, представленные на рис.

5: тонкого слоя базы rби коллекторного перехода (по переменной составляющей) включенногов обратном направлении rк .Для эмиттерного перехода, смещенного в прямом направлении, величина rэ определяется выражением [3, 4, 5]:rэ =kT,eIeэ(8)где k – постоянная Больцмана, e – заряд электрона, T – абсолютнаятемпература.В маломощных транзисторах емкости переходов можно считать малыми и все внутренние сопротивления действительными. Типичные значения следующие: rэ ∼ 10 Ом (при токах эмиттера Iэ порядка единицмилиампер), rб ∼ 102 Ом, rк ∼ 104 ÷ 105 Ом. При этом всегда выполняется соотношение rэ rб rк [3, 4, 5].7. Коэффициент усиления, входное и выходное сопротивленияусилительного каскадаПроведем анализ работы схемы усилителя низкой частоты.

Будемсчитать, что внутреннее сопротивление источника питания мало, следовательно зависимости потенциалов проводников "Eп " и "земля" от частоты будут различаться только на нулевой частоте, на всех других онибудут одинаковы и равны нулю. В связи с тем, что анализ будет проe и токаводиться только для переменных составляющих напряжения Ue упростим исходную схему УНЧ путем соединения эквипотенциальныхI,по переменной составляющей проводников "Eп " и "земля" (см. рис. 6.а).Далее, с учетом эквивалентной схемы биполярного транзистора (рис. 5)схема УНЧ преобразуется к виду рис. 6.б.14Рис.

6. Эквивалентная схема УНЧ на транзисторе. а) Модифицирование схемы УНЧ при учете только переменных составляющих сигнала. б)Результирующая эквивалентная схема с отображением внутренних сопротивлений транзистора.15Будем рассматривать усилительный каскад схемы с УНЧ – все элементы, представленные на эквивалентной схеме (рис. 6.б) кроме конденсаторов C1 и C2 , их влияние будет изучено в следующем разделе. Внутренние сопротивления транзистора rб , rэ , rк и переменные составляющиеe (в данном разделе) будем считать действительтоков Ie и напряжений Uными.Для упрощения расчетов будем считать, что всегда выполняютсянеравенства rк Rк , β 1, rэ Rэ rк , rб (β + 1)(rэ + Rэ ),а также пренебрежем шунтирующим действием Rб на входе схемы.

Указанные предположения не являются чрезмерными, они выполняются вподавляющем большинстве случаев в реальных схемах с ОЭ [5].Пользуясь эквивалентной схемой и упрощающими предположениямиможно получить выражения для основных параметров усилительногокаскада с ОЭ:входное сопротивлениеRвх =eвхUIeб rб + Ieэ (rэ + Rэ ) Ieб rб + (β + 1)Ieб (rэ + Rэ )===IeбIeбIeб(9)= rб + (β + 1)(rэ + Rэ ) ' βRэ ;выходное сопротивлениеRвых =eвыхU' Rк ;Ieк(10)коэффициент передачи по напряжениюeeee U = Uвых = Iк Rк = β Iб Rк ' Rк .KeвхRэUIeб RвхIeб (βRэ )(11)Как видно из выражений (9) – (11) включение в цепь эмиттера дополниeU .тельного сопротивления Rэ существенно влияет на величину Rвх и KeUБолее того, формула (11) свидетельствует о том, что в этом случае Kпрактически не зависит от таких параметров транзистора, как β, rб , rэ ,16а определяется в рассмотренном приближении отношением сопротивлений Rк и Rэ .

Если при этом Rэ Rк , то введение Rэ в цепь эмиттера невлияет заметным образом на режим работы транзистора.Абсолютное большинство усилителей, использующихся в радиоэлектронике, охвачено кольцом отрицательной обратной связи (ООС). В случае УНЧ на рис. 3 обратная связь осуществляется через сопротивлениеRэ [2]: изменение входного сигнала Uб на базе приводит к тому, что напряжение Uэ-б изменяется в обратном направлении, уменьшая входнойсигнал. Наличие ООС в усилителях приводит к стабилизации его параметров и увеличению входного сопротивления.

В ряде случаев ООСупрощает замену транзистора, так как снижаются требования к одинаковости его характеристик. Более подробно изучение действия отрицательной обратной связи на свойства усилителей будет в лабораторнойработе "Операционный усилитель".8. Частотный диапазон усилителяЧастотные свойства усилителя, собранного по схеме с ОЭ, показаннойна рис. 3, определяются емкостью "внешних" конденсаторов, обозначенных на схемах, приведенных выше, как C1 и C2 . Также могут оказыватьвлияние (в случае малости C1 и C2 ) такие параметры транзистора, каквремя преодоления неосновными носителями слоя базы и величина емкости коллекторного перехода (включенного в обратном направлении).Влияние последних факторов в настоящей работе будет мало и рассматриваться не будет.Конденсатор C1 образует вместе с сопротивлением Rвх дифференцирующую RC-цепочку, ограничивающую частотный диапазон усилителяснизу.