Схемотехника усилительных каскадов на биполярных транзисторах: основные свойства и параметры; цепи питания.

Усилительные каскады на биполярных транзисторах зависят от схемы включения УЭ и бывают: с ОЭ, с ОБ, с ОК.

Каскад с ОЭ. Является инвертирующим (изменяющим фазу выходного напряжения на 180). Коэффициент усиления по напряжению K = -h_21ЭR_н/h_11Э. Коэффициент усиления по току К_i ≈ h_21Э. Позволяет получить наивысший коэффициент усиления по мощности, т.к. по току и напряжению больше единицы. Частотные свойства каскада определяются частотными свойствами транзистора, а также сопротивлениями источника питания и нагрузки. Нелинейные искажения зависят от сопротивления источника сигнала, сопротивления нагрузки и амплитуды выходного сигнала.

R_вх≈h_11ЭR_д/( h_11Э+R_д), R_д - сопротивление делителя в цепи базы. R_вых≈1/h_22Э.

Каскад с ОБ. Не инвертирует входной сигнал. Его можно рассматривать как каскад с ОЭ, охваченным параллельной ООС по току. Он обладает малым входным и большим выходным сопротивлениями. R_вх=h_11б=h_11Э/(1+h_21Э). R_вых≈(1+h_21Э)/h_22Э. Нелинейные искажения уменьшаются с увеличением сопротивления генератора, т.к. при этом возрастает действие ООС.

Каскад с ОК. Не инвертирует входной сигнал. Можно рассматривать как каскад с ОЭ, охваченным последовательной ООС по напряжению. Коэффициент усиления по напряжению меньше единицы. R_вых=(R_г+h_21Э)/ (1+h_22Э). Нелинейные искажения уменьшаются с увеличением сопротивления нагрузки и уменьшением сопротивления генератора.

Цепи питания. Для работы усилительного элемента его выходные цепи (коллектор, сток или анод) подключают к источнику постоянного напряжения Е. Напряжение источника питания выбирают в зависимости от условий работы УЭ, но оно не должно быть выше допустимого значения в любом режиме работы УЭ. Для упрощения УУ все выходные цепи УЭ питаются от одного источника. Выходные цепи могут включаться параллельно или через развязывающие фильтры. В мощных усилительных каскадах питание выходных цепей может производиться от отдельных источников, где выходные каскады работают, как правило, при большем напряжении источников питания, чем каскады предварительного усиления.

Схемы питания вых. цепей УЭ.

(а) – без развязывающих фильтров. (б) – с фильтром в выходной цепи первого каскада

11(б). Стабильность и методы обеспечения стабильности

Процессы, связанные с образованием и движением носителей тока в ПП приборах, в значительной степени зависят от температуры. Изменение температуры приводит к изменению коллекторного тока и характеристик ПП приборов. Например, для германия p-n-переход исчезает при 90-100 ^оC. В диапазоне меньших температур изменение параметров и характеристик транзистора может повлечь за собой смещение точки покоя, появление отсечек тока и в результате потерю работоспособности схемы. Степень изменения тока покоя коллектора за счет изменения обратного тока коллектора I_{кб о}, температурных смещений входной характеристики ΔU_эб(Т) и изменений коэффициента передачи по току α принято оценивать коэффициентом нестабильности коллекторного тока S_t=ΔI_K0/ΔI’_K , где ΔI_K0 – полное изменение тока покоя коллектора в схеме термостабилизации, в рабочем диапазоне температур; ΔI’_K – приращение тока покоя транзистора за счет дестабилизирующих факторов Δ I_кб0, ΔU_эб, Δ α. Наибольшее влияние на работу оказывает обратный ток коллекторного перехода I_кб0 , поэтому S_t=ΔI_K0/ΔI_кб0.

Методы стабилизации: 1) Стабилизация точки покоя ООС по напряжению

2) Стабилизация точки покоя ООС по току 3) Термокомпенсация точки покоя

Первый метод называется коллекторной стабилизацией, смещение на базу осуществляется включением резистора Rб между коллектором и базой транзистора.

Стабилизация рабочей точки тем выше, чем меньше сопротивление Rб и чем больше сопротивление Rк. Резистор Rб создает и ООС по переменному току, если она не желательна, то в цепь ОС включают 2 резистора, а между ними параллельно конденсатор, который шунтирует по переменной составляющей.

Второй метод называется эмиттерной стабилизацией. При этом на базу транзистора подается фиксированное напряжение смещения с помощью делителя напряжения.

Стабилизация рабочей точки тем выше, чем меньше сопротивление Rд и чем больше сопротивление Rэ. Однако при увеличении Rэ увеличивается падение напряжения на нем и ведет к снижению рабочего напряжения на транзисторе при заданном коллекторном напряжении Eк. С уменьшением сопротивлений резисторов делителя растет потребление мощности от ИП и уменьшается входное сопротивление каскада, что приводит к уменьшению коэффициента усиления. Поэтому необходимо выбирать компромисс между стабильностью точки покоя каскада и остальными его характеристиками.

Третий метод основан на включении термозависимых сопротивлений.