Резисторный каскад. Принцип действия. Питание цепей транзистора

Основным каскадом усиления и предварительных усилителях является резисторный каскад, так как он содержит минимальное число реактивных элементов и может обеспечить при определен­ных условиях достаточно большой коэффициент усиления. Свое название каскад получил по нагрузке по постоянному току в цепи коллектора (стока)— резистору. На рисунке 3 приведены простейшие схемы резистивных усили­тельных каскадов на БТ, включенных по схеме с ОЭ. Необходимое напряжение на базу можно подавать через резистор R_Б(рисунок 3,а) или с делителя напряжения R_б1R_б2 (рисунок 3,б). Сопротивление R_Бво много раз превышает сопротивление перехода база-эмиттер для постоянного тока, поэтому смещение через резистор R_Бназывают сме­щением фиксированным током базы. Смещение с помощью делителя напряжения меньше изменяется при изменении температуры, старении и замене экземпляров транзисторов, поэтому называется смещением фиксированным напряжением база — эмиттер.

Напряжение смещения на базу можно подавать параллельно с на­пряжением сигнала (рисунок 3,а,б) и последовательно с напряже­нием сигнала, если сигнал подается через трансформатор. Смещение на базу с делителя напряжения также можно подавать и последовательно с напряжением сигнала. При последовательном включении напряжений сигнала и смещения входное сопротивление каскада больше, чем при параллельном.

а – через резистор, б – через делитель напряжения.

а – через резистор, б – через делитель напряжения.

а

б

RБ

VT

Eк

≈

RК

≈

Rк

RБ1

RБ2

VT

Eк

а – через резистор, б – через делитель напряжения.

Рисунок 3 - Схемы подачи смещения в цепь база-эмиттер

Анализ работы резисторного каскада сводится к тому, чтобы подобрать такие элементы схемы, которые обеспечат наибольшее усиление и наименьшие частотные и фазовые искажения.

Источник питания выбирают в зависимо­сти от назначения усилителя и требуемой выходной мощности (напря­жения сигнала на заданной нагрузке). Если предъявляются требова­ния к экономичности усилителя, выбирают как можно меньшее напря­жение питания. Внутреннее (выходное) сопротивление источника питания должно быть достаточно малым, чтобы нежелательные обратные связи через общий источник питания каскадов не приводили к нестабильности характеристик усилителя.

Питание БТ типа p – n – p в режиме усиления осуществляется подачей отрицательного напряжения на коллектор и небольшого поло­жительного напряжения на эмиттер (относительно базы). Питание БТ типа n – p – n отличается лишь полярностью напряжения источников питания. Необходимое напряжение база-эмиттер составляет в среднем 0,25 В для германиевых и 0,6...0,7 В для кремниевых БТ.

Полная электрическая схема резисторного усилительного каска­да приведена на рисунке 4.

Рисунок 4 – Полная электрическая схема резисторного каскада

Назначение элементов в этой схеме сле­дующее. Резисторы R1 и R2 образуют делитель для подачи на базу транзистора напряжения смещения, обеспечивающего исходный режим, т.е. для смещения рабочей точки покоя П в заданный уча­сток характеристики. Ток базы в исходном режиме

I _6н протекает по цепи: +Е_к, R_э , участок эмиттер — база транзисто­ра, резистор R1, —Е_к .

Резистор R_э обеспечивает температурную стабилизацию режима покоя каскада. Конденсатор С_э шунтирует резистор R_э по переменному току, исключая отрицательную обратную связь по переменному току. Отсутствие конденсатора С_э вызывает умень­шение коэффициента усиления каскада вследствие наличия отри­цательной обратной связи.

Конденсатор С_р1 является разделительным. Он не допускает
шунтирования входной цепи каскада цепью источника сигнала по
постоянному току, что исключает прохождение постоянного тока
через источник входного сигнала, а также влияние внутреннего сопротивления источника сигнала на напряжение на базе в режиме
покоя.

Конденсатор С_р2—также разделительный. Он не пропуекает постоянную составляющую напряжения источника питания Е_к на базу транзистора следующего каскада. Емкость этого конденсато­ра выбирается обычно настолько большой, чтобы усиливаемый сигнал проходил через него без ослабления.

Переменная составляющая входного тока протекает от нижнего зажима источника входного сигнала, далее разветвляется на три составляющие: одна протека­ет через R2 к точке Б, вторая — через С_э, участок эмиттер—база к точке Б, третья — через С_ф1, R1 к точке Б. Затем от точки Б ток протекает через С_р1 к верхнему зажиму источника входного сигнала. Цель переменной составляющей коллекторного тока следую­щая: общий провод, конденсатор С_{э ,} эмиттер — коллектор транзистора. Далее эта цепь разветвляется на две цепи: одна — резистор R_к, конденсатор С_ф2 на общий провод, а другая — конден­сатор С_р2 , резистор R1_сл, конденсатор С_ф2; третья — через
R2_сл , входное сопротивление и входную емкость последующего каскада на общий провод. Емкости Сф и С_э настолько большие, что сопротивление ихдля переменного тока оказывается ничтожно малым.

При использовании транзисторов, имеющих три вывода (электрода) один из них всегда оказывается общим для входной и выходной цепей.

Все напряжения в схеме измеряются относительно общего электрода. Получаются три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) (рисунок 5).

Рисунок 5 – Cхемы включения транзистора

Сравнения позволяют сделать следующие основные выводы:

¨ схема с общей базой ОБ имеет самый большой номинальный коэффициент усиления (Кус) по напряжению, но самый малый коэффициент усиления по току. Схема с общим коллектором ОК имеет коэффициент усиления Ко меньше единицы, но коэффициент усиления по току много больше единицы. Схема с общим эмиттером ОЭ имеет самый большой Куспо мощности;

¨ в схеме с ОЭ происходит инверсия полезного сигнала. Схемы с ОБ и ОК не изменяют фазу;

¨ в схеме с ОБ самая большая входная проводимость (равная S). В схеме с ОК входная проводимость самая малая;

¨ в схеме с ОБ самая маленькая выходная проводимость. В схеме с ОК входная проводимость самая большая.

Вклю­чение транзистора с ОБ позволяет получить усиление только на­пряжения. Коэффициент усиления тока при таком включении меньше единицы и мало изменяется при изменении режима работы, темпера­туры и замене экземпляров транзисторов. Коэффициент усиления мощ­ности сравнительно невелик, однако при замене экземпляров транзи­сторов, их старении и изменении температуры изменяется значительно меньше, чем при других включениях транзистора.

Входное сопротивление транзистора при включении с ОБ меньше, чем при других включениях, и находится в пределах от десятых долей ома (для транзисторов большой мощности) до десятков ом (для транзи­сторов малой мощности). При увеличении сопротивления нагрузки входное сопротивление возрастает. Выходное сопротивление при вклю­чении с ОБ больше, чем при других включениях, и растет при увели­чении внутреннего сопротивления источника сигнала. Коэффициент гармоник при включении транзистора с ОБ обычно не превы­шает нескольких процентов даже при полном использовании транзи­стора.

Включение транзистора с ОЭ позволяет получить усиление как тока, так и напряжения сигнала. Коэффициент усиления мощности при таком включении наибольший, однако он очень изменяется при изменении режима транзистора, температуры и замене экземпляров транзисторов. Входное сопротивление транзистора при включении с ОЭ значительно выше, чем при включении с ОБ, и находится в преде­лах от нескольких ом (для транзисторов большой мощности) до тысяч ом (для транзисторов малой мощности). При увеличении сопротивле­ния нагрузки входное сопротивление уменьшается. Выходное сопро­тивление транзистора меньше, чем при включении с ОБ, и уменьшается при увеличении внутреннего сопротивления источника сигнала. Коэф­фициент гармоник при включении транзистора с ОЭ больше, чем при других включениях. Однако такое включение применяется наиболее широко, так как позволяет получить наибольшее усиление мощности (напряжения при заданном сопротивлении нагрузки).

Включение транзистора с ОКпозволяет достичь наибольшего входного сопротивления (до сотен килоом для маломощных БТ). Это сопротивление существенно возрастает при увеличении сопротивления нагрузки. Выходное сопротивление при таком включении меньше, чем при других включениях, и находится в пределах от десятых долей ома (для транзисторов большой мощности) до тысячи ом (для транзи­сторов малой мощности). Оно резко возрастает при увеличении внут­реннего сопротивления источника сигнала. Коэффициент усиления напряжения при включении транзистора с ОК меньше единицы, коэф­фициент усиления тока несколько больше, чем при включении с ОЭ, и очень изменяется при изменении режима работы, температуры и замене транзисторов.

Включение с ОКприменяют в каскадах предварительного усиле­ния, когда требуются большое входное сопротивление и малая входная емкость.

При выборе источника пита­ния каскадов на транзисторах необходимо учитывать, что увеличение напряжения питания позволяет увеличить сопротивление в цепи кол­лектора и, следовательно, коэффициент усиления каскада. Однако при этом снижается КПД каскада. При большем напряжении питания можно выбрать большее сопротивление в цепи эмиттера, улучшив тем самым стабильность режима транзистора. Жела­тельно, чтобы напряжение питания составляло 6...15 В, причем мень­шие значения предпочтительны для малогабаритных и портативных устройств с автономным питанием.

Режим работы транзисторов при слабых сигналах (не более 5 мВ) выбирают обычно так, чтобы получить необходимые усилительные параметры при как можно меньшем потребляемом токе. Динамическую характеристику в этом случае не строят, поскольку используется ее очень малый участок. Определяют только положение рабочей точки и соответствующие ей токи и напряжения на электродах. Значение тока коллектора в рабочей точке выбирают с учетом того, что при его увеличении возрастают крутизна характеристики прямой передачи транзистора и, следовательно, коэффициент усиления, однако снижается КПД каскада. Обычно для каскадов, работающих в режиме слабых сигналов, выбирают ток коллектора в пределах 0,5...5 мА (чаще всего 1...2 мА). Напряжение на коллекторе в рабочей точке U_К0 не должно пре­вышать U_K=(0,6...0,8)U_КЭmax, где U_КЭmax - максимально допу­стимое напряжение коллектор - эмиттер. При меньших U_К0выше надежность каскада. Кроме того, U_К0 должно быть значительно меньше ЭДС источника питания Е(желательно U_К0 < 0,5E). Уменьшение U_К0 (иногда ниже 2 В) целесообразно для снижения уровня шумов первых каскадов усилителя, работающего при очень слабых входных сигналах. Выбрав напряжение на коллекторе и ток коллектора, можно определить по характеристикам транзистора необходимое смещение на базу. Выбранные параметры определяют мощ­ность, рассеиваемую на коллекторе: Р_К= I_К0U_K, и полное активное сопротивление элементов каскада, включаемых в цепи коллектора и эмиттера: R_S = (Е - U_K0)/I_К0- Сопротивление R_Sсостоит из сопротивлений резисторов R_К, R_Эи R_Фили R_К и R_Э (см.рис.10,а,б). Для повышения надежности каскадов целесооб­разно типы транзисторов и режим их работы выбирать так, чтобы P_К была намного меньше максимально допустимой Р_Кmax, приводимой в справочных данных.

При выборе режима работы каскада, усиливающего сильные сиг­налы (предвыходного), основное значение имеет выбор той области ста­тических характеристик транзистора, в которой можно получить заданную максимальную амплитуду тока, напряжения или мощности при допустимом уровне нелинейных искажений и по возможности меньшем расходе энергии источника питания. В случае бестрансформа­торной связи предвыходного каскада с выходным типы транзисторов и их режим следует выбирать в зависимости от требуемой амплитуды тока I_m во входной цепи выходного каскада. Максимально допустимый ток коллектора должен удовлетворять условию I_Кmax > 2I_m. Ток коллектора в рабочей точке выбирают из условия I_К0=I_m+I_Кmin, причем I_Kmin обычно принимают равным (0,1...0,2)I_m.Динамическую характеристику проводят с углом наклона, соответствующим сопротивлению нагрузки каскада для переменного тока R_Н, так, чтобы ее середина совпала с линией I_К0 (точка О на рис.11) и мини­мальное напряжение на коллекторе U_Kmin было не меньше 1...2 В. Определив напряжение на коллекторе в рабочей точке U_К0, вычисляют, R_S и Р_К так же, как и при слабых сигналах (см. выше). Кроме того, определяют амплитуду тока базы по выходным характеристикам (см. рис.11) и амплитуду напряжения на входе каскада по входной ха­рактеристике, при которых достигается амплитуда тока на выходе I_m .

Расчетная часть

Задание: Определить параметры резисторного каскада для обеспечения максимального усиления по следующим исходным данным:

F = 465 кГц, ∏ = 9 кГц, δ = 0,015, σ = 4, Ε = 9В, ∆Т = 30 град. Цельсия.

Расчет основных параметров каскада, схема которого приведена на рисунке 6,a. Коэффициент усиления напряжения определяется по формуле K_U=У_21Э/(У_22Э+ У_Н), где У_22Э – выходная проводимость транзистора в схеме с ОЭ, У_Н – проводимость нагрузки каскада. Если нагрузкой кас­када является следующий каскад, то У_Н=1/R_ВХ2 + 1/R_К .

Входное сопротивление рассчитываемого каскада определяется по формуле R_ВХ=R_Б/(1+Y_11ЭR), где R=R₁R₂/(R₁ + R₂).

Выходное сопротивление каскада можно принять равным сопротивлению резистора в цепи коллектора.

Так жечасто­та резонанса ; волновое (характеристиче­ское) сопротивление ; добротность Q=ρ/R, где R - активное сопротивление потерь в контуре; полосой пропускания П, измеряемой на уровне 0,707 от резонансного значения напряжения U_n.

Полоса пропускания связана с добротностью контура соот­ношением Q=f₀/П. Добротность усилителя Q_ЭКВменьше добротности контура Q, что связано с шунтирующим дей­ствием нагрузки и выходного сопротивления усилителя. Вводят понятие эквивалентного сопротивления контура усилителя R_ЭКВ, которое удовлетворяет соотношению .

Здесь R_ВЫХ - выходное сопротивление усилителя [R_BЫХ=r_K/(1 + β)]; R_K – сопротивление нагрузки; m_К=U₁/U_К – коэффициент включения контура к транзистору; m_Н=U_Н/U_К – коэффициент включения контура к нагрузке; R₀=L/(C₁R) – резонансное сопротивление контура, где по-прежнему R – сопротивление потерь в контуре. Тогда Q₂=QR₃/R₀.

Итак, эквивалентная добротность контура тем меньше, чем сильнее шунтируется контур сопротивлением нагрузки и вы­ходным сопротивлением транзистора.

Коэффициент усиления усилителя на резонансной частоте

Величины К_U0 и Q_ЭКВ существенно зависят от коэффициентов включения контура m_К и m_Н; при изменении m_К и m_Н может так­же несколько изменяться и резонансная частота. С уменьше­нием коэффициентов включения эквивалентная добротность контура увеличивается, повышается избирательность усилите­ля, но его усиление при этом падает. Варьируя величины m_К и m_Н можно обеспечить требуемые параметры усилителя.

Проведем анализ схемы, приведенной в приложении А. Основное свойство этой схемы состоит в том, что ее параметры определяются больше значениями компонентов схемы, чем параметрами транзистора.

Для расчета выбран транзистор типа КТ315Б, вследствие его широкого и частого применения в устройствах подобного типа.

Выбрана схема эмиттерной стабилизации режима работы транзистора. Напряжение смещения на базу подается с помощью делителя напряжения R₁R₂. В нагрузку коллектору включен колебательный контур, настроенный на промежуточную частоту 465кГц, что позволяет в режиме резонанса получить максимальный коэффициент усиления по напряжению.

Максимальный размах выходного напряжения ограничен величиной напряжения источника питания. В режиме класса А потенциал коллектора в отсутствие сигнала приблизительно равен половине напряжения источника питания. Это обуславливает максимум как положительного, так и отрицательного размаха выходного напряжения. Обычно максимум абсолютного значения полного размаха выходного напряжения составляет от 90 до 95% напряжения источника питания. Например, если напряжение источника питания равно 20 В, то потенциал коллектора в точке покоя будет равен 10 В, а выходной сигнал может изменяться от 1 до 19 В. Однако нелинейные искажения сигнала на выходе будут значительно меньше, если размах выходного напряжения составляет 30…50% напряжения источника питания. При этом в любой цепи не должно превышаться предельно допустимое коллекторное напряжение.

Расчеты:

Определяем рабочую точку, исходя из характеристик данного транзистора и находим эле­менты схемы R₁, R₂, R_3.

Строим нагрузочную прямую на выходной вольт-амперной характеристике КТ315Б. На оси U_КЭ отмечаем точку U_КЭmax=9 В, это точка, которая характеризует режим холостого хода. На оси I_К отметим точку I_Кmax=E/R_Н=18 мА, которая характеризует режим короткого замыкания транзистора.

Ток коллектора в рабочей точке принимаем I_К0=0,5 I_Кmax=0,009 мА. Значит напряжение U_КЭ в рабочей точке U_КЭ0=4,4 В и ток базы в рабочей точке I_Б0=0,1 мА.

По входной ВАХ определяем, что U_БЭ0=0,47 В (при T=30°С).

Сопротивление в цепи эмиттера долж­но быть не менее R_Э= γΔТ/ΔI_Э, где ΔI_Э– допустимое изменение тока эмиттера, примем его равным 0,1I_К0.

.

Из ряда номинальных сопротивлений выбираем величину номинала равную 510 Ом. Принимаем, что I_К0≈I_Э0. Мощность рассеивания на резисторе равна:

Исходя из полученных данных выбираем резистор

С2-27-0.5-510Ом 0.5%.

Находим напряжение на базе, которое определим по формуле

U_Б = U_БЭ0 + I_К0R₃,

U_Б =0,46 + 0,009∙510=5,05В.

Сопротивления резисторов делителя определим по формулам R_Б2=U_Б/(0,1-0,25)I_К0;

R₁ = (Е - U_Б )/(0,1.. 0,25)I_К0.

R₂=5,05/0,0009=5611 Ом,

R₁=(9-0,46)/0,0009=9488 Ом.

Из ряда номинальных сопротивлений выбираем R₁=5600 Ом R₂=9100 Ом.

Определим некоторые нужные для расчетов h и Y параметры.

Известны:

h_21Э=50,

h_11Б=40,

h_22Б=0,3 мкСм.

h_21Б=h_21Э/(1+h_21Э)=0,995.

h_11Э=h_11Б/(1+h_11Б)=79,8,

Следовательно: Y_11Э=1/h_11Э=0,0125.

Y_21Э=h_21Э∙Y_11Э=0,625.

Найдем емкости конденсаторов С₂ и С_Р.

Емкость конденсатора С₂ = (5...10) У_21Э/2πf_Н.

Где f_Н=f₀ – 1/2∙П=460,5 кГц.

Таким образом С₂=7∙0,625/6,28∙460,5∙10³=1,5 мкФ.

Из ряда номинальных ёмкостей выбираем величину ёмкости равную 1,5 мкФ. Используя полученные данные выбираем конденсатор К50-6-60В-1,5мкФ 10%. Положим сначала, что коэффициенты включения контура

m_К = m_Н = 1 и определим элементы резонансного контура. Для выбранного транзистора С₁ = 7 пФ; значит С_ВЫХ = С₁(1 + β) = 7∙51 = 357 пФ.

Выберем С₁ >> С_ВЫХ + С_Н (для того чтобы емкости С_ВЫХ и С_Н не влияли на резонансную частоту). Емкость нагрузки С_Н примем равную 100 пФ. Пусть С_НОМ = 10000 пФ, тогда

L = 1/(С_КОН(2πf₀)²) = 12 мкГн.

Известно, что для катушки индуктивности небольших размеров в диапазоне частот 0,1 – 1 МГц характерны величины добротностей Q=20~100. Потери в индуктивности контура обычно много больше потерь в емкости, и поэтому добротность контура определяется добротностью катушки. Выберем Q_КАТ=50, тогда

Определим эквивалентное сопротивление контура:

,

где R_ВЫХ=r_К/(1+β)≈65360 Ом. Отсюда 1/R₃=0,00058+0,0000153+0,002=0,0026, следовательно R₃=385 Ом.

Найдем эквивалентную добротность усилителя:

Q_ЭКВ=QR_ЭКВ/R₀=19250/1739=11

Рассчитаем усиление на резонансной частоте:

Определим емкость разделительного конденсатора

С_Р≥0,37/f_Н(R_К + R_ВХ),

где R_ВХ- сопротивление нагрузки.

Следовательно, С_Р≥0,37/460,5∙10³(385 + 500)=900 пФ. Из ряда номинальных ёмкостей выбираем величину ёмкости равную 10 нФ.

Заключение

В разработанном устройстве положительными качествами являются надежность и значительно малая энергоемкость, что особенно очень важно в практическом применении. Данное устройство имеет широкий спектр применения.

Использованная литература

1. Севин Л. А. Полевые транзисторы [Текст]/ Л. А. Севин — М.: «Советское радио» , 1968. – 150 с.

2. В. Н. Хмелев, А.В.Шалунов, Е. В. Сыпин "Электроника и микропроцес сорная техника". Алт. гос. техн. ун-т им. И. И. Ползунова. – БТИ. – Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2008.-309с.

3. Ерофеев Ю.Н. Импульсная техника: Учебное пособие для радиотехнических вузов [Текст] Ерофеев Ю.Н.— М.: Высш. шк., 1984. — 391 с.; ил.

4. Бондарь В. А. Генераторы линейно изменяющегося напряжения [Текст] В.А.Бондарь— М.: Энергоатомиздат, 1988. — 160 с.

5. Изъюрова Г. И. Расчет электронных схем. Примеры и задачи: Учебное пособие для вузов по спец. электрон. Техники [Текст]/ Г. И. Изъюрова, Г. В. Королев – М.: Высшая школа,1987. – 335с.

6. Ицхоки Я. С. Импульсные и цифровые устройства [Текст]/ Я. С. Ицхоки, Н. И. Овчинников - М.: «Советское радио»,1972. – 592с.