УСИЛИТЕЛИ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Одним из наиболее распространённых усилителей на биполярных тран­­зисторах является усилитель с общим эмиттером (ОЭ). В этом усилителе эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей (рис. 24.3, а). Входное напряжение u_вх от источника сигнала E_c с внутренним сопротивлением R_c подаётся на усиливаемый каскад на биполярном транзисторе VT через конденсатор связи С ₁, предотвращающий прохождение постоянной составляющей тока от источника сигнала. Усиленное выходное напряжение подаётся на нагрузку R_н через разделительный конденсатор С ₂, т. е. подаётся только переменная составляющая напряже­ния u_вых.

В усилителе, кроме источника переменного сигнала, действует источник напряжения с ЭДС E_n (обычно напряжение U_n = 10…30 В) с внутренним сопротивлением R_вт. Сопротивление резистора R_К выбирают, исходя из требований усиления входных сигналов и ограничения тока коллектора I_К транзистора VT. Обычно сопротивление R_K составляет 0,2…5 кОм для транзисторов малой мощности и порядка 100 Ом для транзисторов средней мощности. Резисторы R_{Б 1} и R_{Б 2} делителя напряжения питания U_n пред­назначены для установки тока базы I_Б транзистора (по постоянному току), соответственно рабочей точки (точки покоя) на линии нагрузки.

С помощью резистора R_Э создаётся обратная отрицательная связь усилителя по постоянному току, обеспечивающая температурную стабилизацию его ре­жима усиления. Так, при увеличении температуры возрастают постоянные составляющие токов коллектора I_К и эмиттера I_Э и падение напряжения R_ЭI_Э. В результате, напряжение U_БЭ уменьшается, что вызывает умень­шение тока базы I_Б, и, следовательно, тока I_К, стабилизируя его.

Конденсатор C_Э большой ёмкости (десятки микрофарад) шунтирует сопротивление резистора R_Э по переменному току, что исключает ослабление усиливаемого сигнала по переменному току цепью обратной связи.

 

Для удобства анализа работы усилителя отдельно рассматривают его схемы замещения по постоянному (рис. 24.3, б) и пе­­ре­менному току (рис. 24.5). В режиме работы усилителя по постоянному току для получения наименьших нелинейных искажений усиливаемого сигнала рабочую точку а (рис. 24.4) выбирают посередине рабочего участка bc линии нагрузки по постоянному току, описываемой уравнением

где .

Линию нагрузки строят следующим образом. Из приведенного уравнения следует, что при , а при .

Через две найденные точки проводят прямую (нагрузочную) линию. Задав ток базы в режиме покоя I_Бn, находят на пересечении линии нагрузки по постоянному току с выходной характеристикой транзистора при I_Б = I_Бп точку покоя а (U_Кn, I_Кn).

Сопротивление резистора R_{Б 1} рассчитывают по формуле

При этом U_Бn » 0,3 В для германиевых и U_Бn » 0,65 В для кремниевых транзисторов.

Приближенно токи покоя коллектора и эмиттера в рабочей точке а рассчитывают по формулам:

; .

Напряжение покоя эмиттера

Сопротивления ; , а ёмкость где f – частота входного напряжения u_вх.

В режиме работы усилителя по переменному току принимают

,

 

пренебрегают также внутренним сопротивлением R_вт и ёмкостью С_n источника пи­та­ния, т. е. источник питания в схеме замещения замыкают накоротко (рис. 24.5, а).

При подаче на вход усилителя переменного напряжения u_вх происходит изменение тока базы i_Б, тока коллектора i_К и напряжения на коллекторе (см. рис. 24.4). Амплитуда переменного коллекторного тока I_mK примерно в h ₂₁ раз больше амплитуды тока базы I_mБ, а амплитуда коллекторного напряжения U_mK во много раз больше амплитуды входного напряжения. Таким образом, в схеме усилителя с ОЭ усиливается ток и напряжение входного сигнала.

Пользуясь графиками, изображенными на рис. 24.4, нетрудно определить входное сопротивление и коэффициенты усиления каскада:

При этом положительному полупериоду вход­но­го напряжения u_вх соответствует отрицательный полупериод выходного нап­ряжения u_K » u_вых. Иначе говоря, между входным и выходным напряжениями существует сдвиг фаз, равный 180°, т. е. схема усилителя с ОЭ является инвертирующим устройством, усиливающим и изменяющим фазу входного напряжения на 180°.

Обычно рассмотренный тип усилительного каскада работает в режиме усиления слабых сигналов (постоянные составляющие тока базы и коллектора существенно превосходят аналогичные переменные составляющие). Эти особенности позволяют использовать аналитические методы расчета параметров усилительного каскада на низких частотах по известным h -па­раметрам транзистора (рис. 24.5, б), полагая, что транзистор работает в линейном режиме. При этом сигнал, поданный на вход усилителя, практически не искажается (по форме) на его выходе.

Наличие в усилителе ёмкостей C ₁ и С ₂ (см. рис. 24.3, а) приводит к частотным искажениям усиливаемых сигналов в области нижних частот: с уменьшением частоты входного сигнала увеличивается сопротивление кон­денсатора , падение напряжения u_{С 1} на нем, следовательно, снижается входное u_вх и выходное u_вых напряжения. Это приводит к умень­шению коэффициента усиления K_u с уменьшением частоты (см. рис. 24.2, б), а наличие в усилителе междуэлектродных ёмкостей транзистора и монтажных ёмкостей приводит к возникновению частотных искажений усиливаемых сигналов в области высоких частот. С учётом ёмкости С_К коллекторного p-n -перехода, условно вклю­чаемой между коллектором и базой, входное сопротивление каскада в области верхних частот

.

Входное сопротивление усилительного каскада на биполярном транзисторе с ОЭ обычно имеет значение порядка нескольких сотен ом. Выходное сопротивление обычно на порядок больше входного. При подключении к усилителю высокоомного источника сигнала () и низкоомной нагрузки () расчёт основных параметров усилителя проводят по следующим формулам:

; ;

; .

Реальный коэффициент усиления по напряжению K_u всегда меньше коэффициента усиления ненагруженного усилителя (). Это различие тем заметнее, чем больше выходное сопротивление усилителя и меньше сопротивление нагрузки R_н. На практике реальный коэффициент усиления каскада K_u может достигать нескольких сотен, а коэффициент усиления по мощности в схеме с ОЭ – нескольких тысяч.

Усилительные каскады на полевых транзисторах работают аналогично усилителям, собранным на биполярных транзисторах, если учесть, что уп­равляющим сигналом усилителя на полевом транзисторе является напряжение затвора U_З, а коэффициент усиления по напряжению усилителя с общим истоком (с ОИ) при R_д >> R_C (R_д - дифференциальное выходное сопротивление транзистора)

,

где S = DI_С / DU_З – крутизна стоко-затворной характеристики транзистора; R_С и R_И – сопротивления резисторов, включенных в цепи стока и истока транзистора усилителя.

Вследствие высоко­го входного сопротивления усилителей на полевых транзисторах можно использовать разделительный конденсатор С ₁ небольшой ёмкости.

 

 

ЭМИТТЕРНЫЙ ПОВТОРИТЕЛЬ

В каскаде, собранном на биполярном транзисторе с общим коллектором, называемым эмиттерным повторителем, выходное напряжение u_вых (через разделительный конденсатор C ₂) снимается с резистора R_Э, включенного в цепь эмиттера (рис. 24.6, а).

При отсутствии сигнала u_вх на входе в цепи базы протекает ток покоя

Значения сопротивлений резисторов R_{Б 1} и R_{Б 2} выбирают такими, чтобы рабочая точка в режиме покоя находилась примерно посередине рабочего участка входной характеристики транзистора VT. При подаче переменного входного сигнала u_вх появляется переменная составляющая i_Э эмиттерного тока, которая создает на резисторе R_Э выхо­дное напряжение .

Основные параметры эмиттерного повторителя по переменному току можно рассчитать, составив его схему замещения (рис. 24.6, б), в которой резисторы базовой цепи R_{Б 1} и R_{Б 2} учтены резистивным элементом

.

При базовый ток а выходное напряжение и коэффициент усиления по напряжению [1]

; .

Из приведенных выражений следует, что коэффициент K_u меньше единицы, откуда название усилителя – эмиттерный повторитель.

Учитывая, что коэффициент h ₂₂ = 10^-5…10^-6 Ом, а R_Э » 10²…10⁴ Ом, формулу K_u можно упростить:

. При этом .

Входное сопротивление повторителя значительно боль­ше входного сопротивления транзистора h ₁₁ и достигает не

 

нескольких десятков и сотен килоом. С учетом сопротивлений резисторов R_{Б 1} и R_{Б 2} входное сопротивление повторителя

Выходное сопротивление имеет значение порядка нескольких единиц или десятков ом. Таким образом, эмиттерный повторитель обладает большим входным и малым выходным сопротивлениями, что упрощает согласование высокоомного источника сигнала и низкоомной нагрузки с усилительным устройством.

Эмиттерные (истоковые) повторители применяют при передаче напряжения без изменения формы, амплитуды и фазы, но при значительном усилении тока и мощности сигнала: эмиттерный повторитель усиливает ток входного сигнала в h _{21 Э} + 1 раз и в h _{21 Э} раз его мощность.