УСИЛИТЕЛЬ НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ, ВКЛЮЧЕННОМ ПО СХЕМЕ С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ

Схема усилителя представлена на рис. 3.2.6. Назначения элементов аналогичны представленной ранее схеме, с учетом того, что R_Б выполняет функцию R_Э.

1. Расчет усилителя по постоянному току.

Режим работы усилителя по постоянному току определяется элементами Е_К, R_K, R_Б и параметрами транзистора VT.

При проектировании усилителя задаются U_{Вых m}, R_H. Исходя из этого:

 

E_К > 2U_{Вых m};  I_{H m} = U_{вых m}/ R_H;  I_{Rк m} = U_{вых m}/ R_К;

 

с учетом того, что R_H ≈ (3 ÷ 5)R_K, получим I_{Rк m} = (3 ÷ 5)I_Кm, отсюда следует, что I_Кmax ≈ 5 I_Нmax. Граничная частота f_гр усиления транзистора должна быть в 3÷5 раз выше верхней граничной частоты усиливаемого сигнала f_в. Выбор транзистора производят по значениям гранично-допустимых параметров I_Кmax, U_КЭmax, P_{Рас.доп} и f_гр.

 

 

Рис. 3.2.6. Принципиальная схема усилителя с ОЭ

 

Режим работы усилителя по постоянному току  описывается системами
уравнений.

 

 

 

По выходным характеристикам транзистора, с учетом ограничений (рис. 3.2.7), выбирают положение нагрузочной линии по постоянному току. Е_К рекомендуют брать порядка (0,8÷0,9)U_КЭmax. Нагрузочную линию стро­ят по двум точкам (XX и КЗ).

Из приведенных уравнений:

- для режима XX, I_К = 0; U_КЭ = E_K, (точка 1);

- для режима КЗ, U_КЭ = 0; I_КЗ = E_K/R_K (точка 2).

При работе усилителя в режиме малых сигналов рабочую точку целесообразно располагать в середине рабочей области характеристик (точка "О"). Она определяется двумя координатами I_Кп, U_КЭп для выбранного тока базы I_Бп. Этой точке соответствует точка "О" на входных характеристи­ках транзистора (см. рис. 3.2.8), определяемая координатами I_Бп, U_КЭп. Для расчета величины резистора R_Б устано­вим величину напряжения U_БЭп (см. рис. 3.2.8). Поскольку величина этого напряжения порядка 0,4 ÷ 0,7 В, то проводить нагрузочную линию по урав­нению неудобно, т.к. напряжение Е_К порядка 10 ÷ 20 В. Записав урав­нения для точки "О", рассчитаем требуемое значение резистора R_Б:

 

Е_К = U_БЭп + I_Бп∙R_Б; → R_Б = (Е_К - U_БЭп)/I_Бп.

 

 

Рис. 3.2.7. Выходные ВАХ транзистора с ОЭ и предельно-допустимые параметры

 

Для маломощных транзисторов значения сопротивлений R_K и R_Б составляют ориентировочно единицы и десятки килоом соответственно.

 

 

Рис. 3.2.8. Входные ВАХ транзистора с ОЭ.

2. Расчет по переменному току.

Для расчета по переменному току необходимо:

- начало координат на характеристиках транзистора перенести в рабо­чую точку "О" по постоянному току. В рабочей точке определить, для бесконечно малых приращений, параметры транзистора. Наиболее употребительны h-параметры. Принять во внимание, что в окрестности рабочей точки транзистор работает в режиме малых сигналов, и в этом случае к расчету усилителя применим принцип наложения;

- для переменных составляющих напряжений и токов составить линейную модель усилителя с учетом линейной модели транзистора.

С учетом того, что для переменных составляющих напряжений и токов внутреннее сопротивление источника мало (точки Е_К и -Е_К считают однопотенциальными) и транзистор работает в активной области в режиме малого сигнала, получим следующую линейную электрическую модель усилителя (см. рис. 3.2.9).

 

 

Рис. 3.2.9. Схема замещения усилителя с ОЭ.

 

Описав эту модель уравнениями в соответствии с законами электротехники, определяют:

Входное сопротивление усилителя, что необходимо для учета согласования усилителя с источником входного сигнала.

По выходной цепи усилитель представляют эквивалентным генерато­ром по отношению к сопротивлению нагрузки R_H. Для этого определя­ют выходное сопротивление усилителя R_вых и коэффициент усиления по напряжению в режиме холостого хода — k_ХХ.

Определяют коэффициенты усиления усилителя по напряжению и току и  и их зависимость от частоты для построения амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), фазочастотной характеристики (ФЧХ) и амплитудно-фазочастотной характеристики (АФЧХ).

Определяют коэффициент нелинейных искажений при заданном значении входного сигнала и коэффициенты частотных искажений  и  на граничных частотах f_н и f_в.

При расчете усилителей звуковых частот этот диапазон частот условно разделяют на 3 поддиапазона:

- низкие частоты (10÷300 Гц);

- средние частоты (300÷5000 Гц);

- верхние частоты (5000÷30 000 Гц).

Основные параметры усилителя определяют в диапазоне средних частот. При этом выполняются допущения, что сопротивления разделительных конденсаторов в данной области малы по сравнению с R_вх и R_Н, включены последовательно и ими можно пренебречь, а сопротивление конденсатора С_НΣ много больше R_Н. |Х_С| = |1/jωC_НΣ| >> R_Н, включено параллельно и им также можно пренебречь. При этом:

 

C_НΣ = С_КЭ + С_Н + С_М,

 

где С_КЭ — выходная ёмкость транзистора, С_Н — емкость нагрузки: С_М — емкость монтажа.

Как правило, C_НΣ составляет порядка десятков - сотен пикофарад.

3. Определение входного сопротивления усилителя.

Опишем линейную модель усилителя системой уравнений в соответствии со 2-м и 1-м законами Кирхгофа:

 

 

Из второго уравнения определим:

 

 

и подставим в первое уравнение

 

.

 

Отсюда находим входное сопротивление транзистора:

 

.

 

При напряжении коллектора больше 5 В по модулю, входные ВАХ сли­ваются в одну, что обусловливает h_12Э → 0, отсюда следует:

 

.

 

При этом входное сопротивление усилителя определяется параллельно включенными сопротивлениями R_вх.Т и R_Б:

 

.

 

Поскольку R_Б >> h_11Э, то входное сопротивление усилителя R_вх.ус ≈ h_11Э.

4. Определение коэффициента усиления усилителя по напряжению.

Для этого воспользуемся следующей методикой. Предположим, что входное и выходное напряжения синфазны, пусть (+) по отношению к общей шине расположен, как показано на рис. 3.2.10. Источник тока или ЭДС вы­ходной цепи направлен так, чтобы обеспечить на выходе (+), в данном случае вверх. Теперь уточним направление источника тока ( ) в со­ответствии с физическими принципами работы транзистора. Входное на­пряжение получило положительное приращение на базу относительно эмиттера. Следовательно, транзистор закрывается, и ток коллектора будет уменьшаться, т. е. приращение тока коллектора будет отрицательным и направленным от коллектора к эмиттеру. Поскольку это противоречит формально проставленному направлению источника тока, то для соответ­ствия необходимо изменить знак перед током (- ). Если противоречия нет — знак перед значением источника тока остается положительным. Фор­мула для коэффициента усиления усилителя, в соответствии с этой методи­кой, дает знак "+" или "-", что указывает на фазовые соотношения усилителя.

 

Рис. 3.2.10. Упрощенная схема замещения усилителя с ОЭ

Из приведенной выше системы уравнений:

 

 

Выразим ток базы ( ) из второго уравнения:

 

 

и подставив полученное выражение в первое уравнение, получим:

 

.

 

Определим коэффициент усиления по напряжению ( ):

 

.

 

При h_12Э → 0 получим:

 

.

 

Анализ последнего выражения показывает, что | | >> 1, а знак "-" указы­вает на то, что  и  противофазны. Выражение, стоящее в скобках,

Порядка  и упрощенное значение коэффициента усиления усилителя:

 

.

Если R_К ≈ h_11Э (практически это выполняется), тогда K_U ≈ h_21Э (h_21Э = β).

5. Определение коэффициента усиления усилителя по току.

Коэффициент усиления усилителя по току определяется как

 

, где , а .

 

Следовательно, получим:

 

.

 

Из выражения следует, что коэффициент усиления по току >> 1. Для увеличения следует уменьшать R_H, однако, начиная с определенного значения R_H, начинает снижаться , что может привести к противопо­ложному эффекту.

6. Определение выходного сопротивления усилителя.

Выходное сопротивление можно определить двумя способами.

- Отключить сопротивление нагрузки. Замкнуть активный источник входного сигнала. Подвести к выходным зажимам усилителя переменное напряжение . Рассчитать переменный ток , потребляемый от источ­ника . Определить выходное сопротивление усилителя .

Схема замещения усилителя, реализующая этот способ, приведена на рис. 3.2.11.

 

 

Рис. 3.2.11. Схема замещения усилителя для расчета R_вых

 

Данную схему можно описать следующей системой уравнений:

 

 

Решая данную систему, получим:

 

;

 

;

 

,

 

отсюда выходное сопротивление усилителя

 

.

 

При допущении, что h₁₂ = 0, которое практически всегда имеет место, получим:

 

.

 

Поскольку  >> R_К, то R_вых ≈ R_К.

Рис. 3.2.12. Схема замещения выходной цепи усилителя

- Определение выходного сопротивления по нагрузочной характеристике. Выходную цепь усилителя можно представить следующей моделью, в которой выходная цепь транзистора представлена источником ЭДС (рис. 3.2.12).

Нагрузочная характеристика усилителя, определяемая зависимостью напряжения на нагрузке от тока нагрузки, будет иметь вид, показанный на рис. 3.2.13.

 

 

Рис. 3.2.13. Нагрузочная характеристика усилителя

 

Для выходной цепи усилителя в режимах холостого хода (R_H = ∞) и короткого замыкания (R_H = 0) определим значения U_Hxx и I_КЗ:

 

;          .

 

Из нагрузочной характеристики следует, что выходное сопротивление усилителя

 

.

 

При условии, что , можно записать: R_вых ≈ R_K .

Следовательно, результаты определения выходного сопротивления, полученные первым и вторым способами, одинаковы.

Поскольку входное и выходное сопротивления схемы с ОЭ соизмеримы, то возможно последовательное включение каскадов усилителей с ОЭ при их удовлетворительном согласовании. Так, например, для двухкаскадного усилителя с коэффициентами усиления K₁ и К₂ и равенством R_вых1 = R_вх2, получим общий коэффициент усиления усилителя К = K₁∙К₂/2.

7. Усилитель напряжения по схеме с общей базой.

Аналогично разделу 2.2 можно рассмотреть усилитель на транзисторе, включенном по схеме с ОБ (см. принципиальную схему рис. 3.2.4). Его линейная электрическая модель (схема замещения) будет аналогичной модели схемы с ОЭ (см. рис. 3.2.9), в которой h-параметры будут иметь ин­дексы общей базы (h_11Б, h_12Б, h_21Б, h_22Б,) и вместо резистора R_Б будет стоять резистор R_Э.

Анализ его основных параметров R_вх, R_вых, K_U, K_I позволит получить следующее:

- Входное сопротивление усилителя, как и для ОЭ, R_вх.ус = h_11Б||R_Э ≈ h_11Б. Однако значение h_11Б в десятки раз меньше, чем h_11Э, поэтому R_вх.ус ОБ составляет порядка десятков — сотен ом.

- Выходное сопротивление схемы с ОБ определяется аналогично схеме с ОЭ

 

.

 

- Коэффициент усиления схемы с ОБ по напряжению K_U >> 1, как и в схеме с ОЭ, но имеет положительный знак, что обусловливает нулевой фазовый сдвиг между выходным и входным напряжениями. В отличие от схемы с ОЭ каскад с ОБ не усиливает ток (K_I < 1), поскольку h_21Б < 1 (h_21Б = α).

8. Выводы:

Схема усилителя напряжения (ОЭ) имеет примерно равные входное и выходное сопротивления, что позволяет согласовывать по напряжению входное сопротивление последующего каскада с выходным сопротивле­нием предыдущего при их последовательном включении в многокаскад­ных усилителях. Схема с ОБ не позволяет выполнять такое включение, так как R_вх.ус << R_вых.ус. Для последовательного включения каскадов с ОБ между ними необходимо включать согласующие каскады, которые стро­ятся по схеме с ОК.

Коэффициенты усиления схем с ОЭ и ОБ по напряжению K_U >> 1 (десятки) и отличаются лишь фазовыми соотношениями φ_ОЭ = 180°, φ_ОБ = 0°. Коэффициенты усиления по току для схемы с ОЭ K_I >> 1, а для схемы с ОБ K_I < 1. Поскольку коэффициент усиления по мощности K_P = K_U∙K_I, то схема с ОЭ имеет наибольший коэффициент.

Схема усилителя напряжения с ОЭ находит более широкое применение в электронике, однако схема с ОБ, несмотря на ряд указанных недостатков, используется в соответствии со своими преимуществами. К ним следует отнести наиболее высокую температурную стабильность и меньшие нелинейные искажения.