Усилители электрических сигналов на биполярных

Усилители электрических сигналов

 

Усилением называют процесс управления значительными потоками энергии с помощью маломощного сигнала, а устройство осуществляющее такое управление, называют усилителем.

Если управляющая и управляемая энергии являются электрическими, такой усилитель называют усилителем электрических сигналов.

Существует большое многообразие усилителей электрических сигналов, но наиболее широкое применение находят усилители, построенные на биполярных и полевых транзисторах, в том числе и в виде интегральных микросхем.

По характеру изменения усиливаемого сигнала во времени усилители делят на усилители постоянного тока, и усилители переменного тока, последние подразделяются на усилители низкой частоты и высокой частоты.

Различают усилители напряжения, тока и мощности. Но такое разделение условно, так как в любом случае в конечном счете усиливается мощность.

 

Усилители электрических сигналов на биполярных

    транзисторах.

 

Поскольку существуют три схемы включения биполярных транзисторов с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК), то, соответственно, существуют три варианта построения усилительного каскада по схеме с ОБ, с ОЭ и с ОК.

Усилительный каскад на биполярном транзисторе по схеме с ОЭ . Такие усилители находят наиболее широкое применение. Схема усилительного кас-када, по схеме с ОЭ приведена на рис. 13.1.

Рис. 13.1. Однокаскадный усилитель переменного тока на биполярном

          транзисторе по схеме с ОЭ.

 

Назначение элементов схемы:

· R ₁ и R ₂ – входной делитель напряжения, задает постоянное напряжение смещения на базу транзистора VT 1.

· R _к – сопротивление коллекторной нагрузки, непосредственно участвует в формировании выходного напряжения.

· VT 1 – биполярный транзистор, выполняющий непосредственно усиление.

· Совокупность R _э и С_э – образуют цепочку автоматического смещения.

При прохождении тока I _э через R _э на нем образуется падение напряжения, которое сглаживается конденсатором С_э. В результате получается положительное постоянное напряжение, смещающее эмиттер транзистора VT 1 относительно общего провода. Результирующее напряжение между базой и эмиттером U _бэ изменяется, причем автоматически при изменении среднего тока I _э.

· Кроме того сопротивление R _э выполняет функцию температурной стабилизации режима работы усилительного каскада.

Известно, что с повышением температуры проводимость полупроводников увеличивается и входное сопротивление транзистора уменьшается, поэтому необходимо ослабить влияние температуры на входное сопротивление усилительного каскада. Рассмотрим входную цепь транзистора VT 1, приведенную на рис. 13.2.

Рис. 13.2. Входная цепь транзистора VT 1.

 

Составим уравнение по второму закону Киргофа для контура входной цепи транзистора VT 1 (рис. 13.2).

Тогда входное сопротивление приведенной входной цепи транзистора VT 1 найдем в виде:

Термонестабильным сопротивлением является сопротивление r _бэ полу-проводникового p - n -перехода. Но r _бэ <<( β +1) R _э,поэтому на полное сопротивление R_вх температура влияет весьма незначительно. Таким образом включение R _э в цепь эмиттера обеспечивает температурную стабилизацию режима работы усилительного каскада.

· С₁ и С₂ – проходные конденсаторы, или конденсаторы связи. Они предназначены для разделения постоянной и переменной составляющих сигнала, и пропускают только переменную составляющую сигнала.

Делитель напряжения R ₁ и R ₂ задает на базу VT 1 (рис. 13.1) постоянное напряжение смещения U _см.б , в результате чего во входной и выходной цепях усилительного каскада устанавливаются определенные постоянные токи соот-ветственно I _б0 и I _к0, а на выводах транзистора – постоянные напряжения U _см.к и U _см.э. При этом:

Этот режим работы называют статическим (режим по постоянному току или режим покоя). При подаче на вход усилителя (рис.13.1) переменного напряже-ния u _вх конденсатор С₁ пропускает это напряжение на базу VT 1, где оно суммируется с постоянным напряжением U _см.б . В результате ток базы I _б транзистора начинает изменяться в соответствии с u _вх около своего среднего значения I _б0 . Соответственно будет изменяться и ток коллектора I _к транзистора около своего среднего значения I _к0, так как I _к ≈β I _б . Переменная составляющая тока коллектора создает падение напряжения на R_к, в результате чего напряжение коллектора U_к изменяется в соответствии с u _вх около своего среднего значения U _см.к, формируя этим выходной сигнал. Значение выходного сигнала обычно значительно входного сигнала. Когда рассматривают приращения токов или напряжений, вызванные входным сигналом, то говорят, что это режим работы по переменному току или режим малого сигнала.

Для определения параметров и характеристик усилительного каскада (определение токов и напряжений в элементах схемы, определение коэффициента усиления) широко используют графоаналитический метод расчета. Он удобен тем, что позволяет проводить расчеты с помощью экспериментально определенных характеристик транзистора.

Необходимые характеристики и построения согласно этому методу расчета усилительного каскада для схемы с ОЭ (рис. 13.1) приведены на рис 13.3.

Рис. 3.3. Графоаналитический метод расчета усилительного каскада на

          биполярном транзисторе для схемы с ОЭ.

 

В первом квадранте системы координат располагают семейство выходных характеристик транзистора, в третьем квадранте – входную характеристику транзистора, а во втором квадранте – характеристику прямой передачи I _к = f ( I _б ).

Затем на семействе выходных характеристик транзистора строят выходную нагрузочную характеристику согласно уравнению:

Уравнение выходной нагрузочной характеристики получено на основании второго закона Киргофа для выходного контура усилительного каскада (рис. 13.1). Выходная нагрузочная характеристика представляет собой прямую линию, и строится по двум точкам. Первая точка: I _к =0 (транзистор полностью закрыт), тогда U _кэ =Е_п. Вторая точка: U _кэ =0 (транзистор полностью открыт), тогда I _к = Е_п / R _к (рис. 13.3). Выходная нагрузочная характеристика должна обязательно располагаться ниже зоны максимальной мощности рассеивания транзистора.

Далее с учетом режима работы каскада и максимальной амплитуды усиливаемого сигнала выбирают положение рабочей точки каскада на входной характеристике транзистора (точка А на рис. 13.3). Проекция точки А на ось напряжения U _бэ определяет величину постоянного напряжения смещения U _см.б, которое подается на базу транзистора. Проекция точки А через характеристику прямой передачи и через выходную нагрузочную характеристику на ось напряжения U _кэ определяет величину постоянного напряжения смещения U _см.к, которое является постоянной составляющей выходного сигнала. Проекция точки А на ось тока I _б определяет величину тока покоя базы I _б0, а проекция точки А через характеристику прямой передачи на ось тока I _к определяет величину тока покоя коллектора I _к0 (рис. 13.3).

После этого на постоянное напряжение смещения базы накладывают переменный входной сигнал амплитудой U_{m .вх} (в масштабе), и верхушки ампли-туд положительной и отрицательной полуволны проектируют через входную характеристику, через характеристику прямой передачи и через выходную нагрузочную характеристику на ось напряжения U _кэ. В результате определяют амплитуду переменной составляющей выходного сигнала U_{m .вых} (рис. 13.3).

Коэффициент усиления каскада по напряжению определяется как отношение вида:

Поскольку все построения выполняются в масштабе, то величины амплитуд U_{m .вых} и U_{m .вх} определяются графически.

Таким образом, в результате выполненных построений определены токи покоя базы I _б0 и коллектора I _к0, напряжения смещения базы U _см.б и коллектора U _см.к, построена выходная нагрузочная характеристика и определен коэффициент усиления каскада по напряжению К _u .

Режимы работы усилительного каскада по схеме с ОЭ. Режим работы каскада определяется положением рабочей точки усилителя на входной характеристике (рис. 13.4).

Рис. 13.4. Положение рабочей точки каскада в зависимости от режима

          работы.

 

Режим А – это режим, в котором происходит линейное усиление разнополярного сигнала. Положение рабочей точки выбирают так, чтобы переменный входной сигнал с амплитудой U_{m .вх} в оба полупериода проектировался только на линейный участок входной характеристики.

Режим В – это режим, в котором происходит линейное усиление однополярного сигнала. Положение рабочей точки выбирают в начале линейного участка входной характеристики. Применяют в двухтактных усилителях.

Режим С – это режим, в котором происходит нелинейное усиление однополярного сигнала. Применяют в двухтактных усилителях.

Режим D – это ключевой режим, в котором транзистор может находиться только в двух состояниях, либо полностью открыт, либо полностью закрыт.

Основные свойства усилительного каскада на биполярном транзисторе по схеме с ОЭ:

· Коэффициенты усиления по напряжению, по току и по мощности значительно больше единицы.

· Сдвиг по фазе между входным и выходным напряжениями близок к 180°.

· Коэффициент усиления по напряжению К _u пропорционален величине R _к.

Частотные характеристики усилительного каскада на биполярном транзисторе по схеме с ОЭ:

Амплитудно-частотная характеристика усилительного каскада – это зависимость модуля коэффициента усиления по напряжению от частоты входного сигнала (рис. 13.5).

Рис. 13.5. Амплитудно-частотная характеристика усилительного

          каскада по схеме с ОЭ.

На рис. 13.5 приведена амплитудно-частотная характеристика усилителя переменного тока, и она имеет явные завалы (снижения коэффициента усиления) в области низких и высоких частот.

Причиной завала характеристики в области низких частот является наличие проходного конденсатора (конденсатора связи) на входе усилителя (конденсатор С₁, рис. 13.1). Это происходит потому, что с понижением частоты реактивное сопротивление конденсатора С₁ увеличивается, так как:

На низких частотах реактивное сопротивление Х_С1 становится соизме-римым с входным сопротивлением усилительного каскада, и поскольку Х_С1 включено последовательно с указанным входным сопротивлением, то часть входного сигнала в виде падения напряжения на Х_С1 теряется и до входа усилителя не доходит. Таким образом на низкой частоте до входа усилителя доходит только часть входного сигнала, и чем ниже частота, тем меньше эта часть. В результате выходной сигнал уменьшается, и так как С₁ является элементом схемы, то это явление рассматривается как снижение коэффициента усиления каскада.

Причиной завала характеристики в области высоких частот является наличие паразитной (конструктивной) емкости между коллектором и базой С_бк. С увеличением частоты реактивное сопротивление конденсатора С_бк уменьша-ется и становится соизмеримым с входным сопротивлением усилительного каскада, в результате чего часть выходного напряжения попадает на вход усилителя. Поскольку выходное напряжение находится почти в противофазе к входному, то в результате суммирования результирующее напряжение на входе усилителя опять уменьшается, выходное напряжение также уменьшается, что также рассматривается как снижение коэффициента усиления каскада.

Важным параметром усилительного каскада является полоса пропускания частот Δ f . Этот параметр Δ f определяется по амплитудно-частотной харак-теристике усилительного каскада. Для этого на характеристике необходимо провести горизонтальную линию на уровне . Проекции точек пересечения этой линии с амплитудно-частотной характеристикой соответст-вуют границам полосы пропускания частот усилительного каскада Δ f (рис 13.5).

Фазо-частотная характеристика усилительного каскада – это зависимость угла сдвига фазы между выходным и входным напряжениями от частоты (рис. 13.6).

Рис. 13.6. Фазо-частотная характеристика усилительного

           каскада по схеме с ОЭ.

Причины появления значительных сдвигов по фазе между указанными напряжениями в области низких и высоких частот те же, что и для предыдущей характеристики.

Усилительный каскад на биполярном транзисторе по схеме с ОК (эмиттерный повторитель). Такие усилители также широко применяются. Схема усилительного каскада, по схеме с ОК приведена на рис. 13.7.

Рис. 13.7. Усилитель переменного тока на биполярном

            транзисторе по схеме с ОК.

 

Отличительной особенностью такого каскада усиления является то, что коллектор через малое внутреннее сопротивление источника напряжения Е_п подключен к общему проводу. Поэтому коллектор непосредственно подключен к Е_п. Второй отличительной особенностью является то, что сопротивление нагрузки включается в цепь эмиттера, и выходной сигнал также снимается с эмиттера (рис. 13.7). Назначение остальных элементов схемы аналогично предыдущей схеме усилителя с ОЭ.

Основные свойства усилительного каскада на биполярном транзисторе по схеме с ОК:

· Коэффициенты усиления, по току и по мощности значительно больше единицы.

· Коэффициент усиления, по напряжению меньше единицы, но приближается к единице. Для доказательства рассмотрим входную цепь усилительного каскада с ОК (рис. 13.8).

Рис. 13.8. Входная цепь усилительного каскада с ОК

 

Составим уравнение по второму закону Киргофа для входной цепи кас-када (рис. 13.8).

,  тогда

· Входное сопротивление каскада велико. Для доказательства опять составим уравнение по второму закону Киргофа для входной цепи по схеме (рис. 13.8).

Но входное сопротивление равно:

Таким образом R _вх в (β+1) раз больше выходного сопротивления R _э плюс относительно небольшое сопротивление перехода r _бэ (десятки Ом).

· Сдвиг по фазе между входным и выходным напряжениями близок к 0°.

Благодаря указанным свойствам этого усилительного каскада (К _u ≈1, Δφ≈0) его называют эмиттерным повторителем, так как выходной сигнал, снимаемый с эмиттера, и по амплитуде и по фазе практически повторяет входной сигнал

Частотные характеристики усилительного каскада на биполярном транзисторе по схеме с ОК:

Амплитудно-частотная характеристика усилительного каскада по схеме с ОК выглядит аналогично (рис. 13.5) с теми отличиями, что модуль коэффициента усиления не больше единицы, и полоса пропускания частот значительно шире за счет сдвига в сторону высоких частот, так как паразитная емкость С_кб уже не влияет, в этом случае начинает проявляться входная емкость С_бэ.

Фазо-частотная характеристика усилительного каскада по схеме с ОК отличается от аналогичной характеристики для каскада с ОЭ (рис. 13.6) тем что она будет располагаться выше на π (рис. 13.9).

Рис. 13.9. Фазо-частотная характеристика усилительного

           каскада по схеме с ОК.

 

Усилительные каскады по схеме с ОК обычно применяют для целей согласования источника сигнала со входом усилителя, или выхода усилителя с нагрузкой.

 

Контрольные вопросы

 

1. Виды и типы усилителей электрических сигналов?

2. Усилитель на биполярном транзисторе по схеме с ОЭ, его свойства и характеристики?

3. Принцип температурной стабилизации режима работы усилительного каскада на биполярном транзисторе по схеме с ОЭ.

4. Что такое нагрузочная характеристика усилительного каскада, и ее построение?

5. Определение коэффициента усиления усилительного каскада по напряжению графоаналитическим методом.

6. Режимы работы усилительного каскада на биполярном транзисторе по схеме с ОЭ.

7. Частотные характеристики усилительного каскада на биполярном транзисторе по схеме с ОЭ.

8. Усилитель на биполярном транзисторе по схеме с ОК, его свойства и характеристики?

9. Почему у эмиттерного повторителя коэффициент усиления по напря-жению меньше единицы?

10.  Почему у эмиттерного повторителя большое входное сопротивление?