Резистивный каскад на биполярном транзисторе.

Предварительные каскады усиления

Назначение усилителя в конечном итоге состоит в получении на заданном сопротивлении оконечного нагрузочного устройства тре­буемой мощности усиливаемого сигнала.

В качестве источника входного сигнала в УНЧ могут исполь­зоваться такие устройства, как микрофон, звукосниматель, фото­элемент, термопара, детектор и т. п. Типы нагрузок также весьма разнообразны. Ими могут быть, например, громкоговоритель, изме­рительный прибор, записывающая головка магнитофона, последу­ющий усилитель, осциллограф, реле.

Большинство из перечисленных выше источников входного сигнала развивают очень низкое напряжение. Подавать его не­посредственно на каскад усиления мощности не имеет смысла, так как при таком слабом управляющем напряжении невозможно по­лучить сколько-нибудь значительные изменения выходного тока, а, следовательно, и выходной мощности. Поэтому в состав струк­турной схемы усилителя, кроме выходного каскада, отдающего требуемую мощность полезного сигнала в нагрузку, как правило, входят и предварительные каскады усиления (рис. 13.1).

Эти каскады принято классифицировать по характеру сопро­тивления нагрузки в выходной цепи транзистора. Наибольшее применение получили резистивные усилительные каскады, сопро­тивлением нагрузки которых служит резистор.

В качестве нагрузки транзистора может быть использован и трансформатор. Такие каскады называют трансформаторными. Однако вследствие большой стоимости, значительных размеров и массы трансформатора, а также из-за неравномерности амплитудно-частотных характеристик трансформаторные каскады предваритель­ного усиления применяются весьма редко. Основное применение эти схемы находят в выходных каскадах усилителей.

В каскадах предварительного усиления на биполярных тран­зисторах чаще других используется схема с общим эмиттером, которая, как было показано выше (см. параграф 7.3), обладает высоким коэффициентом усиления по напряжению и мощности, сравнительно большим входным сопротивлением и допускает использование одного общего источника питания для цепей эмит­тера и коллектора.

Рассмотрим принципы построения и особенности работы наи­более

употребительных схем предварительного усиления.

Резистивный каскад на биполярном транзисторе.

Простейшая схема резистивного усилительного каскада с общим эмиттером и питанием от одного источника показана на рис. 13.2. Входной сигнал поступает на базу и изменяет ее потенциал относительно заземленного эмиттера. Это приводит к изменению тока базы, а следовательно, к изменению тока коллектора и напряжения на нагрузочном сопротивлении R_K. Разделительный конденсатор С_p1 служит для предотвращения протекания постоянной составляю­щей тока базы через источник входного сигнала. С помощью кон­денсатора С_р2 на выход каскада подается переменная составляю­щая напряжения U_КЭ, изменяющаяся по закону входного сигнала, но значительно превышающая его по величине. Важную роль играет резистор R_Бв цепи базы, обеспечивающий выбор исходной рабочей точки на характеристиках транзистора и определяющий режим работы каскада по постоянному току.

Для выяснения роли резистора R_Б обратимся к рис. 13.3, иллюстрирующему процесс усиления сигнала схемой с общим эмиттером.

Рис. 13.3. Графическое пояснение процесса усиления сигнала схемой в общим эмиттером

В принципе процесс усиления можно отразить следующей взаимосвязью электрических величин

U_m.вх→I_Бm→I_Km→I_KmR_K → (U_КЭm = E_K – I_KmR_K) = U_m.вых >> U_m.вх.

Действительно, рассматривая вначале рис. 13.3, а, а затем рис. 13.3, б, можно убедиться в том, что напряжение входного сигнала с амплитудой U_m.вх = U_БЭm синфазно изменяет величину тока базы. Эти изменения базового тока вызывают в коллекторной цепи пропорциональные изменения тока коллектора и напряжения на коллекторе, причем амплитуда коллекторного напряжения (с учетом масштаба по оси абсцисс) оказывается значительно больше амплитуды напряжения на базе¹.

Для получения наименьших искажений усиливаемого сигнала рабочую точку Р следует располагать на середине отрезка АВ на­грузочной прямой, построенной в семействе выходных характе­ристик транзистора. Из рис. 13.3, б видно, что положение рабочей точки Р соответствует току смещения в цепи базы I_Бр. Для получе­ния выбранного режима необходимо в усилителе обеспечить тре­буемую величину тока смещения в цепи базы. Для этого и служит резистор R_Бв схеме рис. 13.2. Величину сопротивления этого ре­зистора рассчитывают по формуле

(13.1)

где I_Бр и I_Kp — постоянные составляющие тока базы и коллектора в выбранных рабочих точках Р' и Р соответственно.

1 Следует обратить внимание на то, что напряжения сигнала на входе и на выходе каскада сдвинуты между собой по фазе на 180°, т. е. находятся в противофазе. Это означает, что рассматриваемый каскад, не нарушая закон изменения сигнала (в нашем частотном случае сигнал изменяется по синусо­идальному закону), в то же время поворачивает его фазу на 180°.

Схема, приведенная на рис. 13.2, получила название схемы с фикси­рованным базовым током. Смеще­ние фиксированным током базы от­личается минимальным числом де­талей и малым потреблением тока от источника питания. Кроме того, сравнительно большое сопротивле­ние резистора R_Б (десятки килоом) практически не влияет на величи­ну входного сопротивления каска­да. Однако этот способ смещения пригоден лишь тогда, когда каскад работает при малых колебаниях температуры транзистора. Кроме того, большой разброс и неста­бильность параметра β даже у однотипных транзисторов делают режим работы каскада весьма неустойчивым при смене транзисто­ра, а также с течением времени.

Более эффективной является схема с фиксированным напряже­нием смещения на базе (рис. 13.4). В этой схеме резисторы и , подключенные параллельно источнику питания Е_К,состав­ляют делитель напряжения. Сопротивления делителя определяются из очевидных соотношений:

(13.2)

Ток делителя /_д обычно выбирают в пределах

I_Д ≈ (2 ÷ 5)I_Бр (13.4)

При этом повышается стабильность режима работы схемы, так как изменения тока в цепях эмиттера и коллектора транзистора незначительно влияют на величину напряжения смещения. Вместе с тем ток делителя не следует выбирать слишком большим из сооб­ражений экономичности, так как чем больше ток I_Д, тем более мощ­ным должен быть источник питания Е_К.

Из схемы, приведенной на рис. 13.4, видно, что сопротивление делителя включено параллельно входному сопротивлению транзистора. Кроме того, пренебрегая малым внутренним сопро­тивлением источника питания, можно считать, что и включе­ны параллельно друг другу. Поэтому необходимо, чтобы

(13.5)

т. е. делитель, образованный резисторами и ,должен обла­дать достаточно большим сопротивлением (порядка нескольких килоом). В противном случае входное сопротивление каскада ока­жется недопустимо малым.

Рис. 13.5. Схема термостабилизации режима транзисторного каскада:

а – с терморезистором; б – с диодом; в – с цепочкой эмиттерной стабилизации R_ЭC_Э

При построении схем транзисторных усилителей приходится принимать меры для стабилизации положения рабочей точки на характеристиках. Основной дестабилизирующий фактор, нарушаю­щий устойчивую работу транзисторной схемы,— влияние темпера­туры. Существуют различные способы термостабилизации режима работы транзисторных каскадов. Наиболее распространенные из них реализуются с помощью схем, показанных на рис. 13.5.

В схеме на рис. 13.5, а терморезистор с отрицательным темпе­ратурным коэффициентом сопротивления включен в базовую цепь транзистора таким образом, что при повышении температуры про­исходит уменьшение отрицательного напряжения на базе за счет уменьшения сопротивления терморезистора. При этом происхо­дит уменьшение тока базы, а следовательно, и тока коллектора. В результате увеличение коллекторного тока, вызванное влиянием температуры, компенсируется его уменьшением за счет действия термозависимого смещения, т. е. общее приращение тока коллектора будет незначительным.

Одна из возможных схем термостабилизации режима транзис­тора с помощью полупроводникового диода показана на рис. 13.5,6. В этой схеме диод включен в обратном направлении, а температур­ная характеристика обратного тока диода должна быть аналогична температурной характеристике обратного тока коллектора приме­няемого транзистора. Реализовать эту возможность, однако, удается только для одного транзистора данного типа. При смене транзистора стабильность, как правило, ухудшается из-за разброса величины обратного тока коллектора (напомним, что обратный ток коллек­тора в наибольшей степени подвержен влиянию температуры).

Наибольшее распространение получила схема термостабилиза­ции режима, приведенная на рис. 13.5, в. В этой схеме навстречу фиксированному прямому напряжению смещения, снимаемому с резистора , включено напряжение, возникающее на резисторе RЭ при прохождении через него тока эмиттера.

Пусть по какой-либо причине, например при увеличении тем­пературы, постоянная составляющая коллекторного тока возрастает. Так как IЭ = IK + IБ, то увеличение тока IK приведет к увеличению тока эмиттера IЭ и падению напряжения на рези­сторе RЭ. В результате напряжение между эмиттером и базой UБЭ уменьшится, что приведет к уменьшению тока базы IБ, а следовательно, и тока IK. Наоборот, если по какой-либо причине коллекторный ток уменьшится, то уменьшится и напряжение на резисторе RЭ, а прямое напряжение UБЭ возрастет. При этом увеличится ток базы и ток коллектора.

В большинстве случаев резистор R_Э шунтируется конденсато­ром С_Э достаточно большой емкости (порядка десятков микрофа­рад). Это делается для отвода переменной составляющей тока эмиттера от резистора R_Э Наиболее важные показатели, характеризующие работу усили­тельного каскада, могут быть определены графическим или анали­тическим путем.

При графическом расчете усилителя в режиме малого сигнала необходимо построить нагрузочную прямую в семействе выходных статических, характеристик транзистора, а также воспользоваться статической входной характеристикой, снятой (в случае схемы с общим эмиттером) при U_КЭ ≠ 0. Так, например, пользуясь по­строениями, приведенными на рис. 13.3, можно определить сле­дующие величины:

входное сопротивление

(13.6)

Коэффициент усиления по напряжению

где

(13.7)

(13.8)

Коэффициент усиления по току

(13.9)

Коэффициент усиления по мощности

(13.10)

Для определения параметров усилительного каскада аналити­ческим методом следует воспользоваться его эквивалентной- схе­мой, представленной в виде четырехполюсника (рис. 13.6).

Под сопротивлением R_H понимают результирующую нагрузку транзистора для переменной составляющей коллекторного тока. Практически она состоит из параллельно соединенных сопротив­лений: R_K данного каскада и R_BX._сл последующего каскада:

(13.11)

Как было показано в параграфе 7.7, для четырехполюсника можно записать следующую систему уравнений, связывающих между собой входные и выходные токи и напряжения:

(13.12)

Но из схемы, приведенной на рис. 13.6, следует, что

(13.13)

Знак «минус» в последнем выражении отражает тот факт, что напряжение на выходе каскада отличается по фазе от входного напряжения на 180°.

Решая совместно системы уравнений (13.12) и (13.13), можно получить для расчета основных параметров усилителя необходи­мые формулы, которые оказываются пригодными для любой схемы включения транзистора

Обозначая h₁₁h₂₂ – h₁₂h₂₁ = h получим

(13.14)

(13.15)

(13.16)

(13.17)

Анализ уравнений (13.15), (13.16) и (13.17) показывает, что коэффициенты усиления резистивного каскада на транзисторе за висят от сопротивления нагрузки так, как это изображено на рис. 13.7. Из приведенных кривых видно, что для получения мак­симального усиления по мощности необходимо выбрать вполне определенное оптимальное сопротивление нагрузки транзистора. Его величина может быть найдена по следующей приближенной формуле:

(13.18)

Практически в предварительных каскадах резистивных усилите­лей не ставится задача максимального усиления мощности входных сигналов. Поэтому обычно в таких каскадах R_H << R_H.OPT. В этом случае расчетные формулы упрощаются и приобретают следующий вид:

(13.19)

(13.20)

(13.21)

03.22)