- •Глава 1. О транзисторах для начинающих 6
- •Глава 2. Электронные усилители на транзисторах: основные виды, параметры, характеристики и принципы проектирования 16
- •Глава 3. Принципы и схемы обеспечения заданного положения рабочей точки транзисторов 34
- •Глава 4. Малосигнальный анализ транзисторных схем 79
- •Глава 5. Простейшие усилительные каскады на биполярных транзисторах 105
- •Глава 6. Практические примеры разработки усилительных каскадов на биполярных транзисторах 168
- •Введение
- •1.2. Как устроен биполярный транзистор
- •Глава 1. О транзисторах для начинающих
- •1.1 Основные разновидности современных транзисторов
- •1.3. Почему биполярный транзистор может усиливать сигналы
- •1.4. Режимы работы и схемы включения биполярных транзистров
- •1.5. Классы усиления
- •Глава 2. Электронные усилители на транзисторах: основные виды, параметры, характеристики и принципы проектирования
- •2.1. Виды транзисторных усилителей
- •2.2. Основные задачи проектирования транзисторных усилителей
- •2.3 Применяемые при анализе схем обозначения и соглашения
- •2.4. Статистические характеристики
- •2.5. Статические и дифференциальные параметры транзисторов
- •2.6. Основные параметры усилителей
- •2.7. Обратные связи в усилителях
- •Глава 3. Принципы и схемы обеспечения заданного положения рабочей точки транзисторов
- •3.1. Понятие рабочей точки
- •3.2. Критерии выбора положения исходной рабочей точки
- •3.3. Нагрузочная характеристика усилительного каскада
- •3.4. Простейшие способы установки исходной рабочей точки
- •С хема с общим эмиттером
- •3.5. Обеспечение устойчивости рабочей точки при влиянии внешних дестабилизирующих факторов
- •Метод параметрической стабилизации
- •Стабилизация параметров транзисторных каскадов с помощью цепей обратной связи
- •3.6. Практический расчет и особенности схемотехники реальных устройств Порядок расчета цепей смещения
- •Особенности реализации цепей смещения в реальных радиоэлектронных устройствах
- •Комбинированные цепи смещения с источниками и стабилизаторами тока и напряжения
- •Глава 4. Малосигнальный анализ транзисторных схем
- •4.1. Представление усилительных каскадов в виде активных линейных четырехполюсников
- •4.2. Дифференциальные параметры транзистора четырехполюсника
- •4.3. Эквивалентная схема транзисторов-четырехполюсников
- •4.4 Низкочастотные дифференциальные параметры транзистора четырехполюсника
- •4.5. Виды эквивалентных схем, методы построения эквивалентных схем с действительными параметрами составляющих элементов
- •4.6. Гибридная высокочастотная эквивалентная схема биполярного транзистора
- •4.7. Физические эквивалентные схемы биполярных транзисторов
- •Глава 5. Простейшие усилительные каскады на биполярных транзисторах
- •5.1. Схемотехника усилительных каскадов на биполярных транзисторах
- •Усилители низкой частоты
- •Усилители высокой частоты
- •Усилители в интегральном исполнении
- •5.2. Схема с общим эмиттером Типовое схемное решение усилительного каскада с оэ и его анализ
- •Анализ влияния оос по току нагрузки на параметры каскада
- •Усилительный каскад с оос по напряжению
- •Следящая обратная связь
- •Усилительный каскад с транзисторной обратной связью
- •5.3. Схема с общей базой Типовое схемное решение усилительного каскада с об и его анализ
- •Усилительный каскад по схеме с об с трансформаторной обратной связью
- •5.4. Схема с общим коллектором Типовое схемное решение усилительного каскада с ок и его анализ
- •Глава 6. Практические примеры разработки усилительных каскадов на биполярных транзисторах
- •6.1. Основные этапы процесса проектирования
- •6.2.Низкочастотный микшер Постановка задачи
- •П остроение развернутой блок-схемы
- •Выбор элементной базы и построение полной принципиальной схемы
- •Расчет параметров всех элементов
- •Разработка конструктивного исполнения, сборка и настройка
- •6.3. Антенный усилитель диапазона дмв Постановка задачи
- •Построение развернутой блок-схемы
- •Выбор элементной базы и построение полной принципиальной схемы
- •Расчет параметров всех элементов
- •Разработка конструктивного исполнения, сборка и настройка
- •6.4. Краткий обзор нескольких простых схем
- •Фазовращатель на основе типового усилительного каскада с 0э (ок)
- •Низкочастотный усилитель с включением регулятора громкости в цепь оос
- •Приемник прямого усиления
- •Включение двойного балансного смесителя на выходе усилительного звена с оэ (ок)
- •Приставка к узч для обеспечения псевдоквадрафонического звучания
- •Ускорение включения транзисторных усилителей
- •Список литературы
5.4. Схема с общим коллектором Типовое схемное решение усилительного каскада с ок и его анализ
На рис. 5.32 приведена схема усилительного каскада на биполярном транзисторе р-п-р-типа, включенном с ОК (для транзистора п-р-п-типа все останется прежним, только полярность источника питания, а соответственно, и направление токов изменятся на противоположные).
Прежде всего отметим, что единственное принципиальное отличие данной схемы от схемы усилительного каскада с ОЭ (рис. 5.1) состоит в том, что выходной сигнал снимается не с коллекторного, а с эмиттерного вывода транзистора. Мы, конечно, могли бы сказать, что кроме этого в схеме с ОК входной сигнал подается не на эмиттерный, а на коллекторный переход (точнее, между базой транзистора и минусом источника питания, являющимся на рис. 5.32 землей схемы). Однако, если глубоко вникнуть в данный вопрос, оказывается, что речь здесь идет только лишь о формальном выборе точки отсчета. Т.е. мы можем совершенно произвольно называть "входным сигналом" разность напряжений между базой и любым из полюсов источника питания. При этом изменятся лишь некоторые математические соотношения, отражающие работу усилителя, но не физические процессы в нем. Естественно, мы
С
1,
С2 —
разделительные конденсаторы (являются
элементами межкаскадных связей,
предотвращают проникновение постоянной
составляющей сигнала с выхода одного
каскада усиления на вход другого, могут
использоваться для коррекции частотных
характеристик);
С3 — фильтрующий конденсатор (предотвращает проникновение переменной составляющей сигнала в цепи питания).
Рис. 5.32 Схема усилительного каскадасОК
должны позаботиться о том, чтобы полезный сигнал (тот, который мы хотим усилить) подавался именно так, как мы предполагали, проектируя усилитель, но это уже задача внешних по отношению к усилительному каскаду цепей.
Указанные обстоятельства показывают, что на практике разница между усилительными каскадами с ОЭ и с ОК очень невелика. Иногда даже бывает трудно идентифицировать тип того или иного усилителя. Тем не менее не стоит забывать, что мелкие, на первый взгляд, отличия могут стать определяющими в формировании общих характеристик каскада. Например, одним из таких важнейших отличий является отсутствие инверсии сигнала в усилителе с ОК (напомним, что сигнал, снимаемый с эмиттера транзистора в усилителе с ОЭ, поворачивается по отношению ко входному сигналу на 180°).
Теперь так же, как и для остальных видов усилительных каскадов, рассматривавшихся в настоящей книге, займемся детальным анализом усилителя с ОК (рис.5.32). Его полная эквивалентная схема для переменных токов и напряжений представлена на рис. 5.33.
При
построении эквивалентной схемы в данном
случае мы руководствовались теми же
принципами, что были описаны в разделе
5.2 для каскада с ОЭ. Внимательный читатель
заметит, что в схеме на рис. 5.33
условно-положительные
направления переменных токов на
электродах транзистора,
а также направление источника тока в
коллекторной цепи оказались противоположны
тому, что было задано
на рис. 5.2 в эквивалентной схеме каскада
с ОЭ. Это совершенно
логично, если вспомнить, что в данном
случае мы
рассматриваем усилитель на п-р-п-транзисторе
(в схеме на
рис. 5.2 мы полагали использование
транзистора п-р-п-типа,
и
нам было удобно выбирать условно-положительные
направления другими). По эквивалентной
схеме сразу
видно, что направления входного
и
выходного
напряжений
совпадают, именно это и означает, что
инверсии сигнала
в данном каскаде нет.
С
опротивление
отражает общее сопротивление входных
цепей каскада переменному току и в нашем
случав равно:
.
Рис. 5.33. Эквивалентная схема усилительного каскада с ОК (рис. 5.1) для переменных составляющих токов и напряжений
Входное
сопротивление
эквивалентной
схемы на рис.
5.33 определяется как параллельное
включение цепи смещения
базы,
и
входного
сопротивления транзистора
:
,
.
Запишем уравнение Кирхгофа для входной цепи транзистора (Б — Корпус):
Тогда:
. (5.29)
Таким
образом, общее входное сопротивление
транзисторного усилительного каскада
по схеме с ОК определяется: параметрами
делителя напряжения
,
;
коэффициентом
передачи тока базы
;
сопротивлением отрицательной обратной
связи в цепи эмиттера
. Более глубокий анализ показывает,
что входное сопротивление в любом случае
не превышает величины:
.
Сравнивая
выражение (5.29) с формулой для входного
сопротивления
усилительного каскада с ОЭ (5.1), можно
видеть,
что отличия между ними минимальны и
обусловлены только
включением в эмиттерную цепь транзистора
нагрузки
,
несколько шунтирующей резистор
и
снижающей тем
самым входное сопротивление. На практике,
однако, в каскадах
с ОК обычно достигаются большие значения
входного
сопротивления, чем в каскадах с ОЭ.
Причина здесь в том,
что в каскаде с ОК резистор
,
обеспечивающий отрицательную
обратную связь по току, как правило
выбирается достаточно
большим по сравнению с резистором
,
который
в пределе может и вообще отсутствовать
(эмиттерный повторитель).
Выходное
сопротивление
(
)
эквивалентной схемы на
рис. 5.33 определяется при отключенной
нагрузке по переменному
току
и нулевом входном сигнале, т.е.
=
0.
Рассмотрим
случай, когда к точкам схемы Э—
Корпус приложено
напряжение сигнала стороннего генератора
подключаемого
вместо нагрузки )
. Сопротивление
обычно
достаточно
велико, и его можно исключить из
дальнейшего рассмотрения.
Уравнение Кирхгофа для напряжения (
будет
иметь следующий вид:
Выходное
сопротивление
в точках схемы Э
— Корпус соответствует
формуле
,
где:
.
Таким образом, выражение для полного выходного сопротивления схемы принимает вид:
. (5.30)
Сразу
видно, что полученный в формуле (5.30)
результат
даже близко не лежит со значениями
выходного сопротивления
в каскадах с ОЭ (5.2) и с ОБ (5.20). В схеме с
ОК выходное
сопротивление оказывается очень малым,
поскольку определяется только
дифференциальным сопротивление
эмиттерного
перехода транзистора
.
У современных маломощных
транзисторов величина
обычно лежит в пределах
1...100 Ом. Она сильно зависит от постоянного
ток эмиттера.
В некотором приближении можно считать:
.
Т.е.
при токе 10 мА выходное сопротивление
каскада
будет не более 3 Ом. Столь низкое выходное
сопротивление каскада с ОК позволяет
подключать к нему низкоомные
нагрузки, обеспечивая при этом хороший
КПД (напомним,
что большой КПД достигается при
значительнее превышении
сопротивления нагрузки над выходным
сопротивлением
источника сигнала).
Коэффициент
усиления по току
Ток
в нагрузке
зависит от токораспределения в выходной
цепи:
.
Поэтому
.
С
учетом
получаем:
,где
.—коэффициент
передачи тока выходной цепи
Подобно схеме с ОЭ, входной ток в схеме с ОК также содержит две составляющие:
— ток делителя,
определяющий часть
мощности
входного сигнала, рассеиваемой в цепи
делителя;
— ток базы,
определяющий часть мощности входного
сигнала, затрачиваемой на управление
выходным током.
Поэтому
коэффициент
передачи тока входной цепи
выражается
так же, как и в схеме с ОЭ:
;
Коэффициент
усиления по току определяется как
отношение
тока нагрузки
ко входному току
:
. (5.31)
Максимум
коэффициента усиления по току
достигается
при
и
.
Коэффициент
усиления по напряжению
.
Для
напряжения
выходного сигнала в схеме на рис. 5.33
можно записать:
В свою очередь, уравнение Кирхгофа для входной цепи имеет вид:
.
Дифференциальное сопротивление прямовключенного эмиттерного перехода на практике оказывается достаточно малым, и его влиянием в дальнейших вычислениях можно пренебречь.
Коэффициент
усиления по напряжению равен отношению
напряжения на нагрузке
ко входному
напряжению
.
И для него с учетом полученных выше
соотношений можно записать:
(5.32)
Из полученной формулы видно, что каскад с ОК не обеспечивает усиления по напряжению (даже наоборот — имеется некоторое незначительное затухание сигнала). Может показаться, что такой каскад совершенно бесполезен (или, по крайней мере, неприменим в усилительных схемах), но это не так. Не обладая усилением по напряжению, схема с ОК имеет высокий коэффициент усиления по току, что позволяет использовать ее для усиления мощности. Коэффициент усиления по мощности, как мы сейчас покажем, здесь; достаточно высок.
Коэффициент
усиления по мощности
Перемножение
соотношений (5.3 1) и (5.32) дает формулу для
:
. (5.33)
Первый
же взгляд на полученные нами соотношения
(5.29)
... (5.33) показывает, что параметры каскада
с ОК практически
не зависят от величины сопротивления
в коллекторной
цепи транзистора. Естественно, возникает
вопрос: а зачем
тогда вообще нужно данное сопротивление?
Может быть,
оно оказывает какое-то положительное
воздействие на стабильность исходной
рабочей точки по постоянному току?
Однако
коэффициент нестабильности тока
коллектора при выбранном
способе построения цепей смещения будет
тем
меньше, чем большее сопротивление имеет
резистор
в
эмиттерной
цепи транзистора, образующий внутрикаскадную
последовательную
ООС по току. Это означает, что при заданной
величине питающего напряжения максимальная
температурная
стабильность исходной рабочей точки
достигается при
нулевой величине сопротивления
в цепи коллектора. Итак,
мы приходим к выводу, что в схеме на рис.
5.32 мы можем
спокойно принимать )
=
0, и это будет самое оптимальное
решение.
Усилительный каскад на биполярном транзисторе во включении с ОК, в котором реализована 100%-ная последовательная ООС по току (т.е. ) = 0), принято называть эмиттерным повторителем. Оказывается, что подавляющее большинство усилителей с ОК, используемых в реальной схемотехнике, — это и есть эмиттерные повторители (данный факт продиктован оптимальностью их характеристик по сравнению с другими видами каскадов с ОК, как было показано выше). В связи с этим в литературе довольно часто вообще не различают "эмиттерный повторитель" и, строго говоря, более общий термин "усилительный каскад с ОК". Однако мы копнем несколько глубже и покажем пару случаев, когда усилитель все-таки может строиться по более общей схеме с ОК и не подпадать под данное нами определение эмиттерного повторителя.
Самое первое, что приходит в голову, это вопрос: а может ли нам понадобиться снимать какой-либо вспомогательный сигнал с коллектора транзистора (так же, как мы это делаем в схемах с ОЭ)? Ответ очевиден — конечно, да. Это могут быть как сигналы, передаваемые в последующие каскады схемы, так и используемые цепями обратной связи (внутри- или междукаскадными). Снимая сигнал с коллектора, мы уже не можем устанавливать нулевое значение сопротивления в цепи коллектора (иначе никакого полезного сигнала на коллекторе не будет), т.е. усилитель неизбежно перестает быть эмиттерным повторителем. Строго говоря, усилительный каскад, в котором в качестве выходных выступают сигналы, снимаемые и с коллектора, и с эмиттера транзистора, вообще нельзя однозначно идентифицировать как каскад с ОК или с ОЭ — для его анализа потребуются соотношения, выведенные нами для обоих видов усилительных каскадов. На самом деле на практике такие "двойственные" схемы встречаются довольно часто. Это обусловлено тем, что очень удобно иметь в своем распоряжении два противофазных источника сигнала (с эмиттера и коллектора транзистора), выбирая и комбинируя их для оптимального построения последующих схем усиления, коррекции или любой другой обработки.
Обратимся теперь к главе 3, в которой мы описывали возможные схемы задания исходной рабочей точки по постоянному току. В схеме на рис. 5.32 мы представили случай; эмиттерно-базовой стабилизации с ООС по току. Однако на практике возможны и другие решения. Например, схема эмиттерно-базовой стабилизации с ООС по току и ООС по напряжению, в которой резистор подключается к выводу коллектора транзистора, а величина резистора оказывает непосредственное влияние на глубину ООС по напряжению и должна выбираться по крайней мере сравнимой с величиной Впрочем, такие схемы встречаются достаточно редко, и подробный анализ мы здесь проводить не будем. Отметим лишь еще раз, что все многообразие усилительных каскадов с ОК не ограничивается только эмиттерным повторителем, как это можно понять из некоторых книг.
Подведя итог, представим краткое изложение основный! свойств каскада с ОК.
Не обладая усилением по напряжению, каскад с ОК обеспечивает значительное усиление по току, следствием этого является значительное усиление по мощности.
Каскад с ОК имеет достаточно высокое входное сопротивление, аналогичное входному сопротивлению каскада о ОЭ. При этом его выходное сопротивление очень мало, т.е», он особенно удобен для согласования высокоомных источников сигнала с низкоомной нагрузкой. На практике мы можем значительно повысить входное сопротивление (обычно гораздо больше, чем в каскаде с ОЭ), используя принцип следящей связи, описанный при рассмотрении усилителей с ОЭ. Малое выходное сопротивление делает каскад с ОК идеальным при согласовании с емкостной нагрузкой.
Частотные свойства каскада с ОК (как и каскадов с ОЭ и ОБ) полностью определяются частотными свойствами применяемого транзистора, однако на практике из-за обычно имеющей место глубокой ООС каскад с ОК является более высокочастотным, чем каскад с ОЭ.
