Раздел 3 усилительные каскады

Простейший усилительный каскад строится на одном усилительном элементе, входная цепь которого содержит источник смещения и источник сигнала, а выходная – источник питания и нагрузку. Если усилительный элемент – транзистор, то его свойства определяются схемой включения транзисторов, и они были рассмотрены в курсе предмета «Электроника и импульсная техника». Однако, работа транзистора рассматривалась в режиме покоя (вспомнить схемы ОЭ, ОБ,ОК).

Сегодня мы рассмотрим работу разных схем включения в динамическом режиме.

Тема 3.1. Работа транзистора в разных схемах включения

1. Схема с общим эмиттером (ОЭ) (рис 15)

- Режим покоя (исходный режим): в этом режиме в цепях транзистора протекают постоянные токи базы (I_бо)и коллектора (I_ко) и действуют постоянные напряжения на базе (U_бо) и на коллекторе (U_ко). Направления токов показаны от (+)к (-) источника Е_к На нагрузке создаётся падение напряжения ( I_ко·R_к ).

Напряжение источника питания распределяется между транзистором и нагрузкой, поэтому напряжение коллектора в режиме покоя определяется: U_кo = E_к - I_кo·R_к

Рис.15 Усилительный каскад на транзисторе n - p - n по схеме ОЭ

Рис.16 Графики зависимости токов и напряжений транзистора n - p - n от времени в схеме ОЭ

- Режим усиления (динамический), имеет место при подаче входного сигнала. В этом режиме напряжения и токи в цепях транзистора пульсируют с частотой сигнала, и эти величины можно рассматривать как сумму постоянной и переменной составляющих.

В режиме усиления в любой момент сохраняется зависимость: U_к = E_к - i_к·R_к

Пульсирующие токи протекают в том же направлении, что и постоянные (указывает стрелка Э). Графики зависимости токов и напряжений на рис 16.

Направление переменных составляющих изменяется дважды за период: в положительный полупериод сигнала прямое напряжение на эмиттерном переходе транзистора n-p-n увеличивается, ток базы возрастает, следовательно возрастает и ток коллектора и напряжение (i_к·R_к), а напряжение (U_к) коллектора уменьшается т.е. на коллекторе отрицательная полуволна усиленного сигнала. Из сказанного видно, что каскад по схеме ОЭ в процессе усиления переворачивает фазу сигнала на 180º.

Свойства каскада:

- Коэффициент усиления тока определяется:

K_i = β = α /1-α, составляет десятки раз.

- Коэффициент усиления напряжения определяется:

K_u = U_вых/U_вх = U_mк / U_mб = Ki · R_к / R_вх = β · R_к / R_вх, составляет сотни раз.

- Коэффициент усиления мощности:

K_p= P_вых/P_вх=K_i K_u = β^² · R_к / R_вх, составляет тысячи раз.

Коэффициенты усиления зависят от сопротивления нагрузки.

Входное сопротивление определяется: R_вх = U _вх / I_вх, велико, составляет сотни,

тысячи Ом, оно соизмеримо с выходным сопротивлением (тысячи, десятки тысяч Ом), поэтому каскады с ОЭ можно соединить без согласующих элементов.

2. Схема с общим коллектором (ОК) (рисунок 17)

Рис. 17 Схемы с общим коллектором на транзисторах p-n-p (а)

и n-p-n (б) и эквивалентные им схемы для переменного тока (в,г)

Рис.18 Графики зависимости токов и напряжений транзистора n - p - n от времени в схеме ОК

Сопротивление эмиттерной нагрузки (Rэ) включено между эммитером и общим проводом, коллектор подключается непосредственно к источнику питания, а т.к. источник питания имеет очень малое сопротивление для переменной составляющей тока, то можно считать коллектор подключенным к общему проводу, поэтому входной сигнал подаётся на базу относительно коллектора.

- В режиме покоя постоянный ток коллектора протекает через транзистор и нагрузку Rэ от (+ E_к ) к (– E_к)

- В режиме усиления, в положительный полупериод входного сигнала, за счёт увеличения тока коллектора и напряжения на нагрузке потенциал эмиттера повышается, и на нём будет положительная полуволна выходного сигнала, т.о. в схеме с ОК фаза сигнала не переворачивается, переменная составляющая тока коллектора идёт от эмиттера (Э) к коллектору (К), а напряжение на резисторе (R_э) и есть выходной сигнал.

Процесс усиления иллюстрируется на рис 18.

Это схему можно рассматривать как схему с OЭ со 100- процентной ООС по напряжению с последовательной подачей его на вход. Результирующий сигнал на эммитерном переходе определяется: U_бэ~ U_вх – U_вых, поскольку все выходное напряжение является напряжением обратной связи, т.е. U_oc = U_вых, то коэффициент обратной связи β = 1, при этом выходное напряжение меньше входного, и каскад называется эмиттерным повторителем.

Свойства каскада:

- K_u = U_вых / U_вх = U_вых/U_вых – Uбэ < 1;

- K_i = I_вых / I_вх = I_mэ / I_mб = γ = 1 /1-α = β +1, составляет десятки раз;

- K_p= K_i K_u, составляет десятки раз;

- R_вх – велико, составляет тысячи десятки тысяч Ом;

- R_вых – мало, составляет десятки, сотни Ом;

- нелинейные, фазовые и частотные искажения очень малы;

- выходное напряжение и коэффициент усиления напряжения (K_u) стабилизируются и практически не зависят от сопротивления нагрузки;

- частотная характеристика практически не имеет спада в области ВЧ даже при работе на нагрузку с емкостным характером.

Применяется каскад перед длинными линиями ВРГ, в оконечных каскадах, а также между двумя каскадами для согласования сопротивления выхода предыдущего с входом следующего.

3. Схема с общей базой (ОБ) (рис. 19)

- Входная цепь – эмиттер – база (Э-Б), в неё включены источник сигнала и источник эмиттерного напряжения (Eэ);

Р ис.19 Усилительный каскад на транзисторе n-p-n по схеме ОБ

Рис.20 Временные диаграммы токов и напряжений для транзистора p-n-p в схеме ОБ

- В выходную цепь включены сопротивление нагрузки R_к и источник питания E_к.

- В режиме усиления, в положительный полупериод сигнала, повышается потенциал эмиттера и уменьшается прямое напряжение на эмиттерном переходе транзистора. Это вызывает уменьшение токов эмиттера и коллектора, а также и напряжения на нагрузке R_к. Т.к. U_к = E_к - i_к·R_к, то напряжение на коллекторе при этом увеличится, что соответствует положительной полуволне выходного сигнала, т.е. схема с ОБ фазу сигнала не переворачивает, в этот момент переменная составляющая тока (i_к ~) идет от коллектора (К) через R_к и E_к к базе (Б).

Свойства схемы:

- K_i = I_вых / I_вх = I_mк / I_mэ < 1,т.к. I_э = I_к + I_б

Т.к. R_к много меньше сопротивления коллекторного перехода, то можно считать режим, близким к к.з., следовательно Ki = α, составляет (0,95-0,99);

- K_u = U_вых / U_вх = U_mк / U_mэ = I _вых·R_к / I _вх·R_вх = d·R_к / R_вх, составляет десятки раз;

- K_p = K_i · K_u= d² ·R_к / R_вх, составляет десятки раз;

- R _вх – мало, составляет десятки Ом;

- R _вых – велико, составляет сотни Ком.

Большая разность сопротивлений входа и выхода требует между каскадами с ОБ согласующих элементов (трансформатора или каскада ОК), поэтому данная схема находит применение не как усилительный каскад, а как вспомогательный элемент в сложных каскадах.

Сделать общий обзор трех схем включения:

ПОЧЕМУ?

1. схема с ОЭ дает наибольшее усиление мощности;

2. схема с ОБ не усиливает ток, а только напряжение;

3. схема с ОК не усиливает напряжение, а только ток;

4. К_iэ ≈ K_iк => β ≈ γ = β + 1;

5. Фазу выходного сигнала переворачивает только схема с ОЭ;

6. Схема с ОБ имеет наименьшее R _вх, а схема с ОК наименьшее R_вых;

7. R _вых наибольшее в схеме с ОБ и наименьшее в схеме с ОК.