Усилитель на БТ с общим эмиттером

Рассмотрим простейшую схему усилителя на БТ п-р-п- типа, включенного по схеме с общим эмиттером (рис.4.9).

Рис.4.9 Схема усилителя на БТ с общим эмиттером

Назначение элементов усилителя. Ек – источник питания постоянного тока, энергия которого преобразуется в энергию усиленного сигнала; VT – транзистор – основной усилительный элемент, с помощью которого осуществляется преобразование энергии; Rб – резистор, определяющий ток базы Iб0 и тем самым задающий режим работы транзистора по постоянному току; Rк – резистор, предназначенный для выделения усиленного сигнала; С1 и С2 – разделительные конденсаторы, предназначенные для разделения усилительного каскада по постоянной составляющей сигналов от предыдущей и последующей цепей.

Режим покоя. Режимом покоя (исходным состоянием) называют режим работы электронного устройства при отсутствии входного сигнала Uвх = 0.

В режиме покоя конденсаторы С1 и С2 отделяют вход усилителя и его выход от предыдущего и последующего каскадов. Если бы конденсаторов не было, то резисторы других каскадов были бы подключены параллельно к резисторам усилителя и поэтому режим усилителя по постоянному току был бы нарушен.

Режим покоя задается выбором рабочей точки А (рис.4.10) так, чтобы не было нелинейных искажений сигнала. При выборе рабочей точки пользуются входными и выходными характеристиками транзистора.

Рис.4.10 Диаграммы, поясняющие принцип действия усилителя

Рабочая область выходных характеристик ограничена линией NGCD. При работе транзистора ток его коллектора не должен превышать максимально допустимый Iк max.

NG соответствует этому режиму. Каждый транзистор способен рассеивать мощность на коллекторе не выше максимально допустимой (Рк mах). Линия GC ограничивает область допустимых мощностей рассеяния на коллекторе. Транзистор работает при некотором вполне определенном напряжении между коллектором и эмиттером. При превышении этого допустимого максимального напряжения транзистор выходит из строя. Линия CD определяет область допустимых напряжений Uкэ.

При усилении разнополярных сигналов ( к ним относится и гармонический сигнал) рабочую точку А на характеристиках следует выбирать так, чтобы она находилась на середине линейных участков входной и выходной характеристик, при этом нелинейные искажения будут минимальные. Для определения рабочей точки на статических выходных характеристиках строится линия нагрузки (линия KF) в соответствии с уравнением (см.п. 2.3):

Uкэ = Ек – IкRк.

Положение рабочей точки на нагрузочной линии определяется током базы Iб, который можно рассчитать:

Ек = Uбэ + IбRб,

Iб0 = (Ек – Uбэ)/Rб ≈ Ек/Rк.

Напряжением Uбэ можно пренебречь, т.к. оно на прямосмещенном эмиттерном переходе незначительно.

Рабочая точка характеризуется током коллектора IkA и напряжения Uкэ А.

Принцип действия. При действии положительной полуволны входного сигнала ток базы Iб увеличивается, транзистор приоткрывается, что вызывает увеличение тока коллектора Iк и уменьшение напряжения на коллекторе Uкэ. При действии отрицательной полуволны процессы протекают в обратном порядке. Т.к. выходные ток и напряжение значительно превышают входные, то мощность выходного сигнала также значительно больше входного. При чем выходной сигнал повторяет форму входного.

Из анализа работы данного усилители видно, что он кроме усиления мощности сигнала изменяет его фазу на π.

Цепи смещения в усилителях

Цепи смещения предназначены для задания режима работы усилителя по постоянному току (исходного состояния).Цепи смещения можно разделить на два вида: цепи фиксированного смещения и цепи автосмещения. Наиболее простой цепью фиксированного смещения является резистор Rб (см.п.4.2.4.1). На практике используется цепь фиксированного смещения в виде делителя напряжения R1- R2 (рис.4.11).

Рис.4.11 Схема усилителя с цепями смещения.

Ток делителя выбирают значительно больше, чем ток Iб в режиме покоя. Это необходимо для того, чтобы температурные изменения токов эмиттера и коллектора оказывали меньшее влияние на ток базы. Сопротивления резисторов рассчитывают из условия: Iд = (3…5)Iб.

Недостатком такой цепи смещения являются: при замене транзистора необходимо заново рассчитать параметры цепи и зависимость режима работы от температуры.

Для термостабилизации совместно с фиксированной цепью применяют цепь автосмещения. Она реализуется включением в эмиттер транзистора резистора Rэ. Этот резистор создает отрицательную обратную связь по току. Напряжение на эмиттерном переходе определяется соотношением:

Uбэ = φб – φэ = φб – IэRэ.

Из этого соотношения видно, что температурные изменения токов коллектора и эмиттера вызывают изменения напряжения Uбэ в направлении препятствующем этим изменениям.

Для уменьшения действия отрицательной обратной связи по переменному сигналу резистор Rэ шунтируется конденсатором Сэ. Емкость конденсатора выбирается из условия

Xc = 1/ ωCэ << Rэ ,

где ω – частота усиливаемого сигнала.

На рис.4.12, показана схема с отрицательной обратной связью по постоянному напряжению (схема с коллекторной температурной стабилизацией). Резистор Rб подключен к коллектору транзистора с напряжением Uкэ = Uбэ, а не к источнику питания Ек. Поэтому уравнение для определения сопротивления Rб в этом случае записывают в виде Rб ≈ Uок/Iоб.

Физический смысл коллекторной температурной стабилизации заключается в следующем. При увеличении тока Iк (от значения Iок) (см. рис. 4.11) падение напряжения на резисторе Rк возрастает. При этом приращение отрицательного потенциала на коллекторе через резистор поступает на базу транзистора, смещая эмиттерный переход в обратном направлении. В результате уменьшается ток базы Iб, а следовательно, ток коллектора Iк. При этом Uок и Iок получают приращения, меньшие, чем при отсутствии отрицательной обратной связи

Рис.4.12 Усилитель с коллекторной термостабилизацией

Усилитель на полевом транзисторе

Полевой транзистор, имеющий, как и биполярный транзистор, три внешних вывода, может быть включен в усилительную схему по трем различным схемам: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (03). Наиболее широкое применение на практике нашла схема с ОИ (рис. 4.13), аналогичная варианту схемы с ОЭ биполярного транзистора.

Рис.4.13 Усилитель на полевом транзисторе.

На рис. 4.13 показана схема усилительного каскада на полевом транзисторе с управляющим р-n-переходом с каналом п - типа, в которой используется один источник питания Ес.

Назначение элементов усилителя такое же, как и в усилителе на биполярном транзисторе.

Исходный режим работы полевого транзистора обеспечивается цепью автосмещения RиСи, которая обеспечивает постоянное напряжение на затворе:

Uзи = φз – φи = 0 – I0сRи = - I0сRи.

Потенциал затвора равен нулю, т.к. он соединен с корпусом резистором Rз, сопротивление которого соизмеримо с входным сопротивлением транзистора, а оно велико.

Динамический режим работы полевого транзистора обеспечивается с помощью резистора Rс в цепи стока, с которого снимается переменный выходной сигнал при наличии входного усиливаемого сигнала. Обычно Rс << Rз ≈ Rвх. Коэффициент усиления усилительных каскадов на полевых транзисторах в области средних частот определяется равенством:

КU= - SRc,

где S – статическая крутизна характеристики полевого транзистора (см.п.2.4).

Знак минус в этом выражении указывает на то, что усилительный каскад ОИ меняет фазу усиливаемого сигнала на 180° (как в усилительном каскаде ОЭ).

Усилители на полевых транзисторах благодаря большому входному сопротивлению (несколько мегаом) широко применяют в качестве входных каскадов различных электронных устройств, источник входного сигнала которых обладает большим внутренним сопротивлением.

Графоаналитический метод расчета параметров усилителя

Динамические (реальные) параметры усилительного каскада можно рассчитывать графическим или аналитическим методом. Поскольку оба метода во многом дополняют друг друга, то чаще всего применяют комплексный графоаналитический метод.

Для проведения графического расчета необходимо располагать входной и выходной статическими характеристиками транзистора по схеме ОЭ. Построив нагрузочные прямые по постоянному и переменному току, определяют параметры точки покоя. Используя также входную динамическую характеристику для известного значения амплитуды напряжения (или тока) входного сигнала Uвхm (Imвх), находят амплитудные значения напряжения и тока на выходе усилительного каскада (Ukm, Iкт). Такие построения для усилительного каскада по схеме ОЭ были проведены в пп 2.3 и 4.2.4. По результатам графических построений можно определить основные параметры усилительного каскада:

· входное сопротивление Rвх = Uвхm/Iвхm;

· коэффициент усиления по напряжению Ku=Uвыхm/Uвхm;

· коэффициент усиления по току Ki = Iвыхm/Iвхm;

· коэффициент усиления по мощности Кp = КuКi.

Следует отметить, что при графическом расчете усилителя в режиме малого сигнала достаточно нагрузочной характеристики по постоянному току и статической входной характеристики.