Предисловие (стр. 10 )

uвх = iвхh11.

Для выходной цепи каскада, считая RН ® ¥, получаем

h21iвх + h22uвых + +uвых/Rк = 0.

Решая совместно полученные уравнения (и считая, что h22 << 1/Rк), получаем для режима холостого хода

, откуда или ,

.

Входное сопротивление в основном определяется входным сопротивлением транзистора h11:

.

А выходное сопротивление практически равно сопротивлению Rк:

.

Часто пользуются упрощенным расчетом УК ОЭ по выбору номиналов элементов:

1. Как правило, УК ОЭ является маломощным усилителем (усилителем напряжения), поэтому задаются небольшим током покоя коллектора Iк0 в пределах 0,8…1,2 мА (удобно принимать Iк0 = 1 мА).

2. Сопротивление Rк выбирают таким, чтобы в покое (в отсутствии входного сигнала) напряжение источника питания +U поровну делилось на Rк и на участке коллектор – эмиттер транзистора: Uк0 » U / 2. Например, для напряжения питания U = 12 В сопротивление Rк = 6 кОм (при Iк0 = 1 мА). Для ряда Е24 такого номинала не существует, поэтому принимают ближайший – 6,2 кОм.

3. Сопротивление Rб должно быть таким, чтобы обеспечить ток базы меньше, чем ток Iк0 в h21 раз. Если пренебречь падением напряжения Uбэ, то Rб = 2Rк h21э. Если, например, h21э= 100, а Rк=6,2 кОм, то Rб= 1,2 МОм.

4. Следует выбирать транзистор с граничной частотой, минимум в десять раз большей, чем верхняя частота усиливаемого диапазона: fгр ³ 10 fmax.

5. Реактивные сопротивления входного и выходного разделительных конденсаторов на нижней частоте усиливаемого диапазона должны составлять не более 1…10 % от входного и выходного сопротивлений каскада, соответственно. Например, если Rвх = 1 кОм и fН = 100 Гц, то емкость входного конденсатора

.

Термостабилизация усилительного каскада с общим эмиттером

Рассмотренные простейшие усилительные каскады не могут обеспечить стабильную работу в различных температурных условиях. Причина заключается в существенной зависимости параметров транзисторов от температуры. Так, при увеличении температуры увеличивается ток коллектора за счет увеличения числа неосновных носителей заряда. Как следствие, изменение коэффициента передачи тока h21 – при изменении температуры на 1°C он меняется приблизительно на 1 %. Кроме того, при увеличении температуры на 10°С обратный ток коллектора кремниевого транзистора увеличивается в 2,5 раза.

В результате этого существенно изменяется начальный ток коллектора, что вызывает смещение рабочей точки на характеристиках транзистора. Если при работе УК коллекторное напряжение Uк выйдет за пределы линейного участка, то произойдет искажение выходного сигнала.

Для уменьшения влияния температуры на работу УК ОЭ применяют две схемы термостабилизации: коллекторную и эмиттерную. Первая является более простой, но и менее эффективной. Вторая обеспечивает лучшие результаты ее применения (рис.2.8). Резисторы в цепи базы Rб и R'б образуют делитель напряжения, поддерживающий постоянным потенциал базы (ток в них много больше базового тока). При увеличении температуры растут токи коллектора Iк и эмиттера Iэ, что ведет к увеличению падения напряжения на резисторе Rэ. Раз увеличивается потенциал эмиттера транзистора, значит уменьшается напряжение Uбэ. Это ведет к уменьшению базового тока, а следовательно, и коллекторного.

Резистор Rэ является частью отрицательной обратной связи (ООС), что означает подачу части выходного напряжения на вход, причем такой подачи, которая уменьшает выходное напряжение. Итак, введение ООС уменьшает изменение коллекторного тока, причем причина этого изменения безразлична. Чтобы исключить влияние ООС на переменный (полезный) выходной сигнал параллельно резистору Rэ включают конденсатор, реактивное сопротивление которого во всем диапазоне усиливаемых частот много меньше сопротивления Rэ. Применяется, по существу, фильтр, отсеивающий медленно меняющийся сигнал (от изменения температуры) от переменного полезного. Медленно меняющемуся (постоянному) току конденсатор оказывает бесконечно большое сопротивление и его можно из эквивалентной схемы исключить.

Режимы работы усилительных каскадов.

В зависимости от положения рабочей точки в режиме покоя на характеристиках транзисторов, а также от значения усиливаемого на­пряжения различают три основных режима работы усилительных каскадов, или классов усиления: А, В, и С. Основными характеристиками этих режимов являются нелинейные искажения и КПД.

Р е ж и м А характеризуется тем, что рабочую точку n в режиме покоя выбирают на линейном участке (обычно посередине) входной и переходной характеристик транзистора. Значение входного напряжения в режиме А должно быть таким, чтобы работа усилительного каскада происходила на линейном участке характеристики. В этом случае нелинейные искажения усиливаемого напряжения будут минимальными, т. е. при подаче на вход усилительного каскада гармонического напряжения форма выходного напряжения будет практически синусоидальной. Благодаря этому режим А широко применяют в усилителях напряжения. Однако он имеет и существенный недостаток – очень низкий КПД усили…30 %), потому что полезная мощность определяется только переменной составляющей выходного тока, а потребляемая каскадом мощность – суммой переменной и постоянной составляющих.

Р е ж и м В характеризуется тем, что рабочую точку n выбирают в начале переходной характеристики. Эта точка называется точкой отсечки. В режиме В переменные составляющие тока и напряжения транзистора возникают лишь в положительные полупериоды входного напряжения. Выходное напряжение усилительного каскада при синусоидальном входном напряжении имеет форму полусинусоиды, т. е. нелинейные искажения очень большие. Режим В используют, как правило, только в двухтактных усилителях мощности. Режим В характеризуется значительно более высоким КПД усилителя по сравнению с режимом А, так как ток покоя в этом случае практически равен нулю, а постоянная составляющая тока при наличии входного напряжения имеет сравнительно небольшое значение. КПД усилителя, работающего в режиме В, может достигать 0,8.

Иногда используют режим работы усилительного каскада, промежуточный между режимами А и В. Его называют режимом АВ. Рабочая точка покоя при этом должна находиться в интервале между положениями рабочей точки в режимах А и В. В этом случае КПД усилителя больше, чем в режиме А, а нелинейные искажения меньше, чем в режиме В.

Р е ж и м С характеризуется тем, что рабочую точку n выбирают за точкой отсечки и ток в транзисторе возникает только в течение некоторой части положительного полупериода входного напряжения. Этот режим сопровождается большими искажениями усиливаемого напряжения, но КПД устройства может быть очень высоким и приближаться к единице. Режим С применяют в избирательных усилителях и автогенераторах, которые благодаря наличию колебательных контуров или других частотно-зависимых устройств выделяют лишь основную гармонику из несинусоидального напряжении, возникающего вследствие больших нелинейных искажений.

2.1.2. Усилительный каскад с общим коллектором

В схеме УК ОК (рис. 2.9) коллектор транзистора по переменной составляющей тока и напряжения соединен непосредственно с общей точкой УК (при пренебрежении внутренним сопротивлением источника питания).

Приведем, не рассматривая схему замещения, основные параметры каскада ОК.

Коэффициент усиления напряжения теоретически не может быть больше единицы, реально KU = 0,8…0,99 » 1. Так как выходное напряжение снимается с эмиттерной цепи транзистора, то фаза выходного напряжения соответствует фазе входного. УК ОК на выходе практически полностью повторяет входное напряжение, отсюда второе название каскада – эмиттерный повторитель.

Входное и выходное сопротивления УК ОК

.

Легко заметить, что входное сопротивление при KU ® 1 достигает больших величин и составляет сотни и тысячи кОм. Выходное сопротивление оказывается относительно низким (десятки Ом). Таким образом, эмиттерный повторитель обладает относительно высоким входным и низким выходным сопротивлениями. Он является усилителем тока с коэффициент усиления KI = 1 + h21.

Сравнив характеристики каскадов с общим эмиттером и общим коллектором, отметим следующее.

УК ОЭ обладает низким входным и относительно высоким выходным сопротивлениями. Такой УК нельзя подключать к высокоомному источнику входного сигнала из-за сильного его шунтирования низким входным сопротивлением. Также к выходу УК ОЭ нельзя подключать низкоомную нагрузку из-за низкой нагрузочной способности (высокое выходное сопротивление). Кроме того, каскад ОЭ является фазовращателем на 180°.

УК ОК, наоборот, обладает высоким входным и низким выходным сопротивлениями. Его можно подключать по входу к высокоомному источнику сигнала, а по выходу – к низкоомной нагрузке. Каскад ОК не изменяет фазу усиливаемого сигнала.