11. Схемотехника усилителей

11.1. Усилитель с резистивно-емкостными связями

Принципиальная схема усилителя с резистивно-емкостными связями показана на рис. 11.1. Это усилитель с резистивной коллекторной нагрузкой , связь которого с входной и выходной цепями осуществляется через разделительные емкости и .

Рис. 11.1

Основой усилительного каскада является биполярный транзистор типа n-p-n, включенный по схеме с общим эмиттером и питающийся от источника положительного напряжения с ЭДС E. Для обеспечения линейного усиления необходимо разместить рабочую точку (РТ) на середине линейного участка динамических ВАХ (повторите необходимый материал). Пример входных статических ВАХ и динамической характеристики с выбором рабочей точки показан на рис. 11.2. Необходимое напряжение смещения равно В.

185

Рис. 11.2

Делитель питания в цепи базы на резисторах при малом токе базы транзистора обеспечивает напряжение на базе относительно общей точки («земли») не зависящим от входного сигнала и равным

. (11.1)

186

Параметры резисторов выбираются так, чтобы постоянный ток делителя был много меньше тока базы

. (11.2)

Напряжение на эмиттере относительно «земли» равно

, (11.3)

где - постоянная составляющая тока эмиттера, тогда напряжение смещения можно записать в виде

. (11.4)

Цепочку называют цепью автосмещения. Она обеспечивает автоматическое поддержание режима работы транзистора по постоянному току коллектора (эмиттера). Допустим, что увеличился ток базы (например, за счет изменения температуры окружающей среды). Это приведет к росту тока коллектора, а значит и тока эмиттера . Тогда согласно (11.4) уменьшится напряжение смещения и за счет этого упадет ток базы. Аналогично можно проанализировать и другие изменения режима работы транзистора (проделайте это самостоятельно).

Основная причина изменения тока коллектора - температурное изменение обратного тока закрытого перехода коллектор-база. Его влияние принято характеризовать коэффициентом нестабильности

. (11.5)

187

Согласно [4], для схемы усилителя на рис. 11.1 можно записать

. (11.6)

Конденсатор блокирует (замыкает) резистор по переменному току, предотвращая появление отрицательной обратной связи. Величина выбирается так, чтобы емкостное сопротивление на минимальной (нижней) рабочей частоте было много меньше ,

. (11.7)

Для расчета параметров элементов усилителя необходимо выбрать тип транзистора и положение рабочей точки. Например, для усилителя на базе транзистора КТ3102А при напряжении питания В и сопротивлении нагрузки Ом выберем постоянную составляющую тока коллектора мА. Коэффициент нестабильности выбирают в интервале 5-10, а постоянное напряжение на базе транзистора - из условия . Примем и В.

Вольтамперные характеристики транзистора в выбранных интервалах токов и напряжений показаны на рис. 11.3. При этом по входным характеристикам напряжение между базой и эмиттером примерно равно 0,5 В, тогда напряжение на эмиттере В. Ток коллектора примерно равен току эмиттера, то мА, тогда по закону Ома

кОм.

188

Рис. 11.3

При из (11.6) получим

кОм.

Из (11.1) при В получим

кОм.

Достаточно часто постоянные напряжения между коллектором и эмиттером и на сопротивлении принимаются одинаковыми, тогда

В,

кОм,

189

при этом должно выполняться условие

.

По ВАХ на рис. 11.3 нетрудно определить -параметры транзистора, описанные в пункте 9.7.4. В результате получим кОм, , и См. Необходимо учитывать значительный (до нескольких раз) технологический разброс параметров транзисторов, поэтому для расчетов целесообразно выбирать их средние значения.

В [4] приведены соотношения для основных характеристик усилителя:

- коэффициента усиления по току

; (11.8)

- входного сопротивления

; (11.9)

- коэффициента усиления по напряжению

; (11.10)

- выходной проводимости

, (11.11)

190

где сопротивление источника сигнала.

В рассматриваемом случае получим:

- коэффициент усиления по току

;

- входное сопротивление

кОм;

- коэффициент усиления по напряжению

;

- выходная проводимость

См,

тогда выходное сопротивление усилителя равно

кОм.

Следует иметь в виду, что имеет место технологический разброс параметров транзистора и пассивных элементов усилителя. Кроме того, при экспериментальных исследованиях усилителя параметры физических элементов (резисторов, конденсаторов) могут выбираться только из выпускаемых промышленностью стандартных значений.

191

На рис. 11.4 приведена модель усилителя в пакете программ MicroCAP, а на рис. 11.5 – его частотные характеристики (АЧХ в децибелах на верхнем рисунке, а ФЧХ в градусах – на нижнем).

Рис. 11.4

Рис. 11.5

На рис. 11.5 «завал» АЧХ в области нижних частот (в модели меньше 10 кГц) обусловлен влиянием разделитель-

192

ных емкостей и на рис. 11.1 (емкости и по 1 мкФ в модели на рис. 11.4). С ростом разделительных емкостей нижняя «частота среза» АЧХ усилителя уменьшается.

В области верхних частот (в модели больше 1 МГц) «завал» АЧХ обусловлен паразитными емкостями транзистора.

В таблице приведены результаты моделирования. Как видно, результаты моделирования хорошо согласуются с расчетными значениями с учетом того, что параметры транзистора в модели отличаются от принятых при расчете (проведите сравнительный анализ полученных результатов).

Результат моделирования	Значение
Напряжение В	3,93
Напряжение В	3,38
Напряжение В	7,72
Напряжение В	4,54
Амплитуда входного напряжения мВ	10
Амплитуда входного тока мкА	2,93
Амплитуда выходного напряжения мВ	169
Амплитуда выходного тока мкА	313,5
Коэффициент усиления по току	107
Коэффициент усиления по напряжению	16,9
Входное сопротивление кОм	3,4

Особенностью рассматриваемого усилителя на биполярном транзисторе в схеме с общим эмиттером является высокое усиление сигнала по току и напряжению (а значить и по мощности) при низком входном и высоком выходном сопротивлениях.

193

Емкость в цепи автосмещения (в модели выбрано 1 мкФ) устраняет переменное напряжение сигнала на сопротивлении (замыкает его по переменному току).

При отключении емкости (при ) в усилителе возникает отрицательная обратная связь за счет переменного напряжения сигнала на сопротивлении , образующегося при протекании через него тока эмиттера (примерно равного току коллектора). Для уменьшения глубины обратной связи можно разделить резистор на две части, только одну из которых блокирует конденсатор. Пример схемы такого усилителя показан на рис. 11.6.

Рис. 11.6

На рис. 1.7 приведены частотные характеристики усилителя с обратной связью (рис. 11.5), аналогичные рис. 11.5. Как видно, отрицательная обратная связь снижает усиление с 24,4 дБ (на рис. 11.5) до 4,5 дБ и «выравнивает» АЧХ, расширяя полосу рабочих частот. Входное сопротивление усилителя с отрицательной обратной связью возрастает до 6,8 кОм.

194

Рис. 11.7

Временные диаграммы напряжений в усилителе на рис. 11.4 показаны на рис. 11.8 при амплитуде ЭДС источника входного напряжения мВ и частоте входного гармонического сигнала 100 кГц. Амплитуда напряжения на входе усилителя мВ несколько меньше , что обусловлено влиянием сопротивления источника сигнала (1 кОм). Выходное напряжение существенно выше входного и противофазно ему (сравните эти результаты с частотными характеристиками на рис. 11.5). Как видно, форма выходного сигнала совпадает с гармонической формой входного воздействия.

При увеличении входного напряжения источника до мВ получим временные диаграммы, показанные на рис. 11.9. Как видно, выходное напряжение имеет явно негармоническую форму, то есть в усилителе присутствуют сильные нелинейные искажения сигнала. Проведите подобные исследования самостоятельно.

195

Рис. 11.8

Рис. 11.9

196

11.2. Эмиттерный повторитель

Принципиальная схема эмиттерного повторителя показана на рис. 11.10. Он представляет собой усилитель на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим коллек-тором, с глубокой (100%) отрицательной обратной связью. Назначение элементов то же, что и в предыдущей схеме.

Рис. 11.10

Режим работы по постоянному ток определяется резисторами , и . Рабочая точка выбирается в середине линейного участка ВАХ транзистора, если токи и напряжения не превышают предельно допустимых значений (особенно при малых сопротивлениях нагрузки ).

Для усилителя на базе транзистора КТ3102А при напряжении питания В и сопротивлении нагрузки кОм выберем постоянную составляющую токов эмиттера и коллектора мА. Напряжение между коллектором и эмиттером выбирают равным . Примем В, тогда постоянная составляющая на-

197

пряжения эмиттера равна В, и по закону Ома

кОм.

Расчет сопротивлений , проводится так же, как и для усилителя с резистивно-емкостными связями. При коэффициенте нестабильности из получим

кОм.

Напряжение на базе транзистора равно В, тогда

кОм.

Емкости разделительных и блокировочного конденсаторов выбираются из тех же соображений, что и в усилителе с резистивно-емкостными связями.

Основные характеристики усилителя определяются выражениями [9]:

- коэффициент усиления по току

; (11.12)

- входное сопротивление (без учета влияния сопротивления делителя )

; (11.13)

а с его учетом

198

; (11.14)

- коэффициент усиления по напряжению

; (11.15)

- выходное сопротивление

. (11.16)

Для транзистора КТ3102А при значениях кОм, , , См, сопротивлении нагрузки кОм и внутреннем сопротивлении источника сигнала кОм получим:

- коэффициент усиления по току

;

- входное сопротивление (без учета влияния сопротивления делителя )

кОм,

а с его учетом

кОм;

- коэффициент усиления по напряжению

199

;

- выходное сопротивление

Ом.

Проведем схемотехническое моделирование эмиттерного повторителя. Модель показана на рис. 11.11, а на рис. 11.12 – временные диаграммы напряжений на входе ( , узел 6), выходе ( , узел 5), на базе ( , узел 2) и эмиттере ( , узел 3) транзистора при частоте источника 1 МГц и амплитуде его ЭДС 1 В.

Рис. 11.11

На рис. 11.12 входное и выходное напряжения усилителя практически совпадают по амплитуде и фазе (отсюда и название – эмиттерный повторитель).

Частотные характеристики повторителя без учета влияния входного сопротивления источника сигнала показаны на рис. 11.13.

200