Назначение элементов и принцип работы усилительного каскада по схеме с ОЭ

Теория

Основные понятия

Усилители являются одним из самых распространенных электронных устройств, применяемых в системах автоматики и радиосхемах. Усилители подразделяются на усилители предварительные (усилители напряжения) и усилители мощности. Предварительные транзисторные усилители состоят из одного или нескольких каскадов усиления.

Для каскадов предварительного усилителя наиболее распространены резистивныесхемы (с реостатно-емкостной связью). В зависимости от способа подачи входного сигнала и получения выходного сигнала усилительные схемы получили следующие названия:

1) с общей базой ОБ (рис. 1.1);

2) с общим коллектором ОК (эмиттерный повторитель) (рис. 1.2);

3) с общим эмиттером - ОЭ (рис. 1.3).

Рис. 1.1 Схема ОБ

Рис. 1.2 Схема ОК

Рис. 1.3 Схема ОЭ

Наиболее распространенной является схема с ОЭ. Схема с ОБ в предварительных усилителях встречается редко. Эмиттерный повторитель обладает наибольшим из всех трех схем входным и наименьший выходным сопротивлениями, поэтому его применяют при работе с высокоомными преобразователями в качестве первого каскада усилителя, а также для согласования с низкоомным нагрузочным резистором. В табл. 1.1 дается сопоставление различных схем включения транзисторов.

Таблица 1.1 - Параметры транзисторных каскадов

Назначение элементов и принцип работы усилительного каскада по схеме с ОЭ

Существует множество вариантов выполнения схемы усилительного каскада на транзисторе ОЭ. Это обусловлено главным образом особенностями задания режима покоя каскада. Особенности усилительных каскадов и рассмотрим на примере схемы изображенной на рисунке 1.3, получившей наибольшее применение при реализации каскада на дискретных компонентах.

Основными элементами схемы являются источник питания E_k, управляемый элемент – транзистор T и резистор R_k. Эти элементы образуют главную цепь усилительного каскада, в которой за счет протекания управляемого по цепи базы коллекторного тока создается усиленное переменное напряжение на выходе схемы. Остальные элементы каскада выполняют вспомогательную роль. Конденсаторы C_p1, C_p2 являются разделительными. Конденсатор C_p1 исключает шунтирование входной цепи каскада цепью источника входного сигнала по постоянному току, что позволяет, во-первых, исключить протекание постоянного тока через источник входного сигнала по цепи E_k → R₁ → R_Г и, во-вторых, обеспечить независимость от внутреннего сопротивления этого источника R_Г напряжения на базе U_бп в режиме покоя. Функция конденсатора C_p2 сводится к пропусканию в цепь нагрузки переменной составляющей напряжения и задержанию постоянной составляющей.

Рис. 1.4 Схема ОЭ

Резисторы R₁ и R₂ используются для задания режима покоя каскада. Поскольку биполярный транзистор управляется током, ток покоя управляемого элемента (в данном случае ток I_бп) создается заданием соответствующей величины тока базы покоя I_бп. Резистор R₁ предназначен для создания цепи протекания тока I_бп. Совместно с R₂ резистор R₁ обеспечивает исходное напряжение на базе U_бп относительно зажима ”+” источника питания.

Резистор R_э является элементом отрицательной обратной связи, предназначенным для стабилизации режима покоя каскада при изменении температуры. Температурная зависимость параметров режима покоя обусловливается зависимостью коллекторного тока покоя I_кп от температуры. Основными причинами такой зависимости являются изменения от температуры начального тока коллектора I_ко(э), напряжения U_бэ и коэффициента β. Температурная нестабильность указанных параметров приводит к прямой зависимости тока I_кп от температуры. При отсутствии мер по стабилизации тока I_кп, его температурные изменения вызывают изменение режима покоя каскада, что может привести, как будет показано далее, к режиму работы каскада в нелинейной области характеристик транзистора и искажению формы кривой выходного сигнала. Вероятность появления искажений повышается с увеличением амплитуды выходного сигнала.

Проявление отрицательной обратной связи и ее стабилизирующего действия на ток I_кп нетрудно показать непосредственно на рисунке 1.4. Предположим, что под влиянием температуры ток I_кп увеличился. Это отражается на увеличении тока I_эп, повышении напряжения U_эп = I_эп · R_э и соответственно снижении напряжения U_бэп = U_бп – U_эп. Ток базы I_бп уменьшается, вызывая уменьшение тока I_кп, чем создается препятствие наметившемуся увеличению тока I_кп. Иными словами, стабилизирующее действие отрицательной обратной связи, создаваемой резистором R_э, проявляется в том, что температурные изменения параметров режима покоя передаются цепью обратной связи в противофазе на вход каскада, препятствуя тем самым изменению тока I_кп, а, следовательно, и напряжению U_кэп.

Конденсатор C_э шунтирует резистор R_э по переменному току, исключая тем самым проявление отрицательной обратной связи в каскаде по переменным составляющим. Отсутствие конденсатора C_э привело бы к уменьшению коэффициентов усиления схемы.

Название схемы «с общим эмиттером» означает, что вывод эмиттера транзистора по переменному току является общим для входной и выходной цепи каскада.

Принцип действия каскада ОЭ заключается в следующем. При наличии постоянных составляющих токов и напряжений в схеме подача на вход каскада переменного напряжения приводит к появлению переменной составляющей тока базы транзистора, а, следовательно, переменной составляющей тока в выходной цепи каскада (в коллекторном токе транзистора). За счет падения напряжения на резисторе R_к создается переменная составляющая напряжения на коллекторе, которая через конденсатор C_p2 передается на выход каскада – в цепь нагрузки.

Рис. 1.5 ВАХ усилительного каскада

Рассмотрим основные положения, на которых базируется расчет элементов схемы каскада, предназначенных для обеспечения требуемых параметров режима покоя (расчет по постоянному току).

Анализ каскада по постоянному току проводят графоаналитическим методом, основанным на использовании графических построений и расчетных соотношений. Графические построения проводятся с помощью выходных (коллекторных) характеристик транзистора (Рис. 1.5, а). Удобство метода заключается в наглядности нахождения связи параметров режима покоя каскада U_кэп и I_кп амплитудными значениями его переменных составляющих (выходного напряжения U_кыхт и тока I_кт), являющимися исходными при расчете каскада.

На выходных характеристиках Рис. 1.5 (а) проводят так называемую линию нагрузки каскада по постоянному току (а – б), представляющую собой геометрические места точек, координаты U_кэ и I_к которых соответствуют возможным значениям точки (режима) покоя каскада.

В связи с этим построение линии нагрузки каскада по постоянному току удобно провести по двум точкам, характеризующим режим холостого хода (точка "а") и режим покоя (точка "П") выходной цепи каскада (рис. 1.5, б). Для точки "а" I_кп = 0, U_кэп = –E_к и для точки "П". I_кП > I_кт + I_кmin, U_кэП > U_выхт + ΔU_кэ = U_кт + ΔU_кэ, где I_кmin выбирают из условия работы транзистора в режиме отсечки (I_бmin) ΔU_кэ – напряжение на коллекторе, соответствующее области нелинейных начальных участков выходных характеристик транзистора. Определив координаты точки "П" находим значение тока базы I_б = I_бп, соответствующего режиму покоя, и определяем координаты точки "П" на входной характеристике (Рис. 1.5, б).

При определении переменных составляющих выходного напряжения каскада и коллекторного тока транзистора используют линию нагрузки каскада по переменному току. При этом необходимо учесть, что по переменному току сопротивление в цепи эмиттера транзистора равно нулю, так как резистор R_э шунтируется конденсатором C_э, а к коллекторной цепи подключается нагрузка, поскольку сопротивление конденсатора C_р2 по переменному току мало. Если к тому же учесть, что сопротивление источника питания E_к по переменному току также близко к нулю, то окажется, что задача определения этих показателей решается при расчете усилительного каскада по переменному току. Метод расчета основан на замене транзистора и всего каскада его схемой замещения по переменному току. Схема замещения каскада ОЭ приведена на Рис. 1.6, где транзистор представлен его схемой замещения в физических параметрах. Сопротивление каскада по переменному току определяется сопротивлениями резисторов R_к и R_н, включенных параллельно, т. е. R_н ~ R_к║R_н. Сопротивление нагрузки каскада по постоянному току R_н- = R_к + R_э больше, чем по переменному току R_н~ = R_к║R_н.

Рис. 1.6 Эквивалентная схема каскада ОЭ

Поскольку при наличии входного сигнала напряжение и ток транзистора представляют собой суммы постоянных и переменных составляющих, линия нагрузки по переменному току проходит через точку покоя "П" (Рис. 1.5, а). Наклон линии нагрузки по переменному току будет больше, чем по постоянному току. Линию нагрузки по переменному току строят по отношению приращений напряжения к току: ΔU_кэ/ΔI_к = U_выхт/I_кт.

Цель курсовой работы

Целью курсовой работы является закрепление знаний, полученных при изучении дисциплины «Электротехника и электроника», в получении опыта разработки и расчета основных характеристик усилительных каскадов.