Учебное пособие: Усилительные каскады переменного тока на биполярных транзисторах
В схеме
коллекторной стабилизации рисунка 4.6, а возникает отрицательная параллельная
обратная связь по переменному напряжению, которая уменьшает коэффициент
усиления и входное сопротивление каскада. Для устранения этой связи Rб делят на две части, между ними и корпусом включают
конденсатор Cб (рисунок 4.6, б). Емкость конденсатора
должна быть такой, чтобы на самой нижней частоте усиления его сопротивление
переменному току было существенно меньше входного сопротивления каскада Rвх:
 ,(4.17)
где fн – нижняя частота сигнала.
Схема
коллекторной стабилизации эффективна лишь при большом падении напряжения на
коллекторной нагрузке (порядка 0,5 Ек и выше) и изменениях
температуры в пределах 20 – 30°С.
Более качественную
стабилизацию режима работы транзисторного усилительного каскада обеспечивает
схема эмиттерной стабилизации, представленная на рисунке 4.7.
Рисунок 4.7.
Усилитель ОЭ с эмиттерной стабилизацией
Принцип
действия схемы состоит в следующем. Если сделать обход по контуру резистор Rб2 – эмиттерный переход транзистора – резистор RЭ, то можно записать:
 ,(4.18)
где IэР – ток эмиттера в состоянии покоя (IэР
» IкР).
С изменением
температуры окружающей среды, например, ее ростом, возрастают токи покоя
коллектора IкР и эмиттера (IэР).
При этом увеличивается падение напряжения на резисторе RЭ
и в соответствии с выражением (4.18) уменьшается напряжение на эмиттерном
переходе. Ток базы IбР уменьшается, что ограничивает
рост тока IкР.
Для
устранения последовательной отрицательной обратной связи по току, которая
возникает в схеме при подаче входного сигнала переменного тока, резистор RЭ шунтируется конденсатором СЭ.
Падение
напряжения на резисторе RЭ выбирают в пределе
URэ = (0,05 – 0,2) Еп (4. 19)
Откуда
(после выбора URэ)
 . (4. 20)
Величина
шунтирующей емкости эмиттерного конденсатора находят из соотношения:
 ,(4.21)
Сопротивление
резисторов определяют по формулам, в которых учтено падение постоянного
напряжения на эмиттерном резисторе:
 (4.22)
Ток
делителя, также как для предшествующих схем, обычно выбирают в пределах (2...10)
IбР.
Схема
эмиттерной стабилизации режима работы находит наиболее широкое применение, так
как обеспечивает хорошую работоспособность усилительного каскада при изменении
температуры на 70 – 100°С.
К параметрам
усилителя по переменному току будем относить его коэффициенты усиления, входное
и выходное сопротивление. По ним можно представить усилитель в виде «черного
ящика» и судить о пригодности усилителя к использованию.
Для расчета
необходимо составить эквивалентную схему каскада, в которую включают только
элементы, в которых возникают токи и напряжения, обусловленные входным
переменным сигналом. Эквивалентная схема строят на основе принципиальной,
номиналы элементов которой определены при ее расчете по постоянному току. Продемонстрируем
принцип ее составления для самой сложной из рассмотренных схем – усилителя с
эмиттерной стабилизацией (рисунок 4.7).
Рисунок 4.8.
Эквивалентная схема усилителя с эмиттерной стабилизацией
Источник
сигнала изображен в виде идеального генератора переменного напряжения ес с
внутренним выходным сопротивлением Rг. Сигнал, проходя
через разделительный конденсатор Ср1, вызывает токи в цепях усилителя. Прежде
всего, возникает ток в резисторе Rб2, который замкнут
на землю. Появится ток и цепи резистора Rб1, который
через внутреннее сопротивление источника питания Rи
также замыкается на землю.
Транзистор VT представлен его Т-образной схемой замещения, содержащей
дифференциальные сопротивления rб, rэ,
rк и зависимый источник тока h21э
* iб. В его входной цепи возникает переменный ток базы iб. Ток коллектора в основном будет обусловлен источником
тока, ток эмиттера – суммой указанных токов. Коллекторный ток замыкается на
землю через цепь – резистор Rк, внутреннее
сопротивление источника питания Rи. Через
разделительный конденсатор Ср1 сигнал, обусловленный током iк
появляется в нагрузке. В цепи эмиттера токи замыкаются на землю через Сэ и Rэ.
Для средних
частот рабочего диапазона эквивалентная схема усилителя может быть упрощена. Упрощения
проводят на основании учета соотношений (4.9), (4.17), (4.21) и на основе того,
что емкость коллекторного перехода существенно меньше остальных емкостей. Поэтому
всеми разделительными емкостями и емкостью коллекторного перехода можно
пренебречь. Малое сопротивление Сэ шунтирует внешний резистор Rэ,
практически подсоединяя эмиттер к земле. В результате получим схему рисунка 4.9.
Рисунок 4.9.
Эквивалентная схема усилителя для средних частот
Напоминаем,
что коэффициенты усиления определяются, как отношение тока, напряжения и
мощности сигнала нагрузки к соответствующим величинам на входе. Их можно
определить исходя из приведенной схемы. Однако, наиболее часто коэффициенты
вычисляют по более простым формулам. Такой подход оправдан в связи со значительным
разбросом параметров используемых транзисторов и резисторов. Так, например,
коэффициент усиления по току наиболее часто принимают равным статическому
коэффициенту передачи тока в схеме ОЭ, т.е.
 .
(4.23)
В
действительности он равен  . Сравнивая это выражение с (4.23),
можно увидеть следующие отличия. Как видно их рисунка, числитель в формуле (4.23)
завышен, а знаменатель – занижен, что должно привести к более высоким оценкам
величины коэффициент усиления по току при предлагаемом его определении по (4.23).
Поэтому, чтобы сохранить простоту нахождения Кi,
предлагается считать его равным минимальному значению h21э,
которое приводится в справочной литературе на используемый транзистор:
 .
(4.23¢)
Проведем
некоторые очевидные преобразования коэффициента усиления по напряжению:
 ,(4.24)
где Rк вх – входное сопротивление каскада;
Rн экв эквивалентное сопротивление нагрузки, определяемое
параллельным соединением Rк и Rн:
 . (4.25)
Входное
сопротивление каскада определяется параллельным соединением резисторов делителя
Rб1, Rб2 и входным
сопротивлением транзистора:
 ,(4.26)
где Rтр вх – входное сопротивление транзистора, которое можно
определить из выражения
 ,
где Urб и Urэ – падения напряжений на
дифференциальных сопротивлениях базы и эмиттера транзистора. Их расшифровка
приводит к следующему:
 . (4.27)
Зачастую,
это сопротивление и определяет величину входного сопротивления каскада. Учитывая
большое сопротивление дифференциального резистора обратносмещенного
коллекторного перехода, для входного сопротивления каскада имеем:
 . (4.28)
4.8. Характеристики
усилителя ОЭ в области низших и высших частот
Эквивалентная
схема каскада для низших частот представлена на рисунке 4.10, а.
Рисунок 4.10.
Эквивалентная схема усилителя ОЭ для низших (а) и высших (б) частот
По сравнению
с исходной схемой рисунка 4.8. на ней исключены сопротивления источников
питания и емкость коллекторного перехода в связи с незначительностью их влияния
при низких частотах переменного сигнала. На передачу сигнала существенное
влияние оказывают емкости Ср1, Ср2 и Сэ, реактивное сопротивление которых
увеличивается. При этом разделительные емкости Ср1 и Ср2 препятствуют
прохождению сигнала с входа каскада на его выход, уменьшая тем самым
коэффициент усиления каскада в области низших частот.д.ействие блокирующей
емкости несколько иное – в области низших частот она перестает шунтировать
резистор, Rэ и коэффициент усиления каскада уменьшается
за счет действия отрицательной обратной связи. Как было указано ранее, для
количественной оценки уменьшения усиления используют коэффициент частотных
искажений, который для рассматриваемой схемы с достаточной точностью можно
определить по формуле:
 ,(4.29)
где  ,(4.29¢)
Если задан
общий коэффициент частотных искажений Мн на весь каскад, то эту величину
следует распределить между элементами, уменьшающими передачу сигнала в области
низших частот и затем определить необходимые значения емкостей. Например,
переходную емкость Ср1 можно вычислить по формуле
где Мр1 –
доля частотных искажений, приходящаяся на данную емкость, причем
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6 |
