Аналоговые схемы на транзисторах. Базовые усилительные каскады.

Схемотехника аналоговых схем

В.П. Кавокин

(Конспект лекций)

Основные схемы построения усилителей на биполярных транзисторах определяются возможными способами их включения: схемы с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК).

Практическая схема усилительного каскада с общей базой имеет вид

Отличительной особенностью этого каскада является сравнительно малое входное сопротивление, определяемое по формуле , где -объемное сопротивление эмиттерного перехода. Коэффициент усиления по напряжению равен , где -коэффициент усиления тока в схеме с общей базой. Второй отличительной особенностью каскада является отсутствие паразитной обратной связи на высоких частотах через емкость коллектор-база, что расширяет частотный диапазон ее применения.

Практическая схема каскада с общим эмиттером обычно реализуется в виде

Выходное напряжение Uout каскада ОЭ, также, как и каскада ОБ, состоит из суммы постоянной и переменной составляющих. Величина постоянной составляющей определяется режимом работы каскада по постоянному току, или статическим режимом. Статический режим определяется начальными значениями коллекторного напряжения и коллекторного тока транзистора в соответствии с графиком нагрузочной характеристики, на котором выбирается положение рабочей точки, как показано на рисунке. Рабочая точка лежит на пересечении нагрузочной прямой с одним из графиков семейства выходных характеристик транзистора.

При появлении переменной составляющей рабочая точка перемещается по нагрузочной линии в обоих направлениях и, в зависимости от ее исходного положения и амплитуды переменной составляющей, возможны следующие режимы работы усилительного каскада: режим А или линейный режим, при котором рабочая точка располагается посредине линейного участка нагрузочной характеристики, а амплитуда выходного напряжения или тока не выходит за пределы этого участка. В этом случае можно считать, что , а . В режиме В рабочая точка располагается в нижней части нагрузочной линии, поэтому ток через транзистор протекает в течении примерно половины периода входного сигнала (180 градусов). Половину этого угла, соответствующего моменту прекращения тока через транзистор, называют углом отсечки.

В режиме С ток через транзистор протекает в течении промежутка времени меньше половины периода входного сигнала, т.е. при угле отсечки меньше 90 градусов.

Режим Д (или ключевой)- режим, при котором транзистор находится только в двух состояниях: или полностью заперт, или полностью открыт. Ниже приведены временные диаграммы входных и выходных сигналов для всех перечисленных режимов работы усилительных каскадов.

Линейный режим (режим А)

Режим В

Режим С

Режим Д

Для усилительного каскада класса А расчет статического режима заключается в выборе такого начального (в рабочей точке) значения коллекторного тока Iko, при котором падение напряжения на коллекторной нагрузке (R1 в каскаде с общей базой, R3 в каскаде с общим эмиттером) во-первых, равно падению напряжения на транзисторе (напряжение коллектор-эмиттер) и, во-вторых, было бы меньше амплитуды переменной составляющей при максимальном входном сигнале. Первое условие применительно к схеме ОЭ запишется в виде:

IkoR3+Uкэ+IэоR4=E

где Iэо начальный ток эмиттера практически равный току коллектора. С учетом последнего, принимая Uкэ=IkoR3, получим

2IkoR3+IkoR4=E, откуда находим

Iko=E/(2R3+R4).

Рассмотрим теперь базовую цепь транзистора. Напряжение на базе относительно общей шины (“земли”) с учетом Iko=Iэо

Uбо=Uбэо+IkoR4,

где Uбэо для кремниевых транзисторов находится в пределах 0.7...0.9 В.

Поскольку Uбо равно падению напряжения на резисторе R2, ток через него равен

I2=Uбо/R2=(Uбэо +IkoR4)/R2.

Через резистор R1 протекает сума тока базы, равного Iko/h21, где h21-коэффициент усиления транзистора по току в схеме ОЭ, и тока I2. Падение напряжения на резисторах базовой цепи R1 и R2 равно Е, то

R1=(E-Uбо)/I2.

При расчете величин резисторов должны быть заданы величина R3 (определяется нагрузкой каскада из условия R3<(0.2...0.3)Rн, величина R4<(0.1...0.2)R3 и I2>(3...5)Iko/h21.

При подаче на вход каскада сигнала переменного тока реактивное сопротивление конденсаторов С1 и С2 практически считается равным нулю, поэтому переменная составляющая тока базы считается линейно зависящей от входного переменного напряжения, т.е.

iб=Uб/h11, где h11- дифференциальное входное сопротивление между базой и эмиттером.

Коллекторный ток, протекающий через R3, оказывается больше базового в h21 раз, таким образом напряжение на коллекторной нагрузке равно

Uk=(Uб/h11)h21R3,

и для коэффициента усиления каскада по напряжению получаем

Ku=-(h21R3)/h11.

Знак минус определяется тем, что увеличение падения напряжения на коллекторной нагрузке R3 приводит к уменьшению напряжения на коллекторе относительно “земли”.

Частотная характеристика каскада ОЭ.

При разработке схемы каскада ОЭ задается нижняя граничная частота Fн, на которой коэффициент усиления должен быть больше или равен , где -коэффициент усиления в области средних частот. Для обеспечения этого условия необходимо правильно выбрать величины емкостей конденсаторов С1 и С2. Назначение С2- шунтировать R4 на частотах в пределах всей полосы пропускания для исключения влияния цепи С2R4 на коэффициент усиления. Это влияние максимально на нулевой частоте (постоянный ток) и обеспечивает температурную стабилизацию положения рабочей точки каскада. Действительно, если за счет изменения температуры окружающей каскад среды рабочая точка смещается, например, в сторону увеличения коллекторного тока, напряжение на эмиттере, равное падению постоянного напряжения на резисторе R4, увеличивается, что приводит к уменьшению разности потенциалов между эмиттером и базой, т.е. способствует уменьшению коллекторного тока. При выборе постоянной времени эмиттерной цепи исходя из условия , напряжение между эмиттером и базой определяется только входным сигналом переменного тока, что обеспечивает максимум коэффициента усиления. На вид частотной характеристики в области низких частот влияет также разделительный конденсатор С1. Его величина выбирается из условия , т.е. , где- входное сопротивление каскада в области средних частот.

Верхняя граничная частота каскада определяется по формуле , где - емкость коллектора, величина которой приводится в справочниках. Характерный вид частотной характеристики каскада показан на рисунке.

Частотная характеристика транзисторного каскада усилителя переменного тока