Усилители на БТ и ПТ

Работа биполярного транзистора в усилительном режиме

Процесс усиления сигнала удобно рассмотреть на примере простейшего усилителя на биполярном транзисторе, включенном по схеме с ОЭ (рис ). При работе транзистора в различных радиотехнических устройствах в его входную цепь поступает сигнал, например, переменное напряжение. Под действием входного переменного напряжения изменяются входной и выходной токи транзистора. Для выделения полезного сигнала в коллекторную цепь транзистора включается элемент нагрузки. В простейшем случае нагрузкой может служить резистор R_К. На резисторе нагрузки за счет прохождения выходного тока выделяется, кроме постоянного, переменное напряжение. Амплитуда этого напряжения зависит от амплитуды переменной составляющей выходного тока и сопротивления резистора R_К и может быть больше входного напряжения.

В цепь базы включены источник напряжения смещения U_СМ, которое обеспечивает положение рабочей точки. Источник U_Бm- источник сигнала. Коллекторная цепь состоит из резистора R_К и источника питания U_П. В качестве выходного сигнала используется переменное напряжение, выделяемое на резисторе нагрузки R_К (на коллекторе транзистора).

Рис. а) Упрощенная схема усилителя на БТ, б-д) временные диаграммы усилителя.

Работа такого усилителя поясняется временными диаграммами токов и напряжений, изображенными на рис. .б-д).

При U_Бm =0 постоянные токи базы и коллектора будут определяться токами в рабочей точке (I_{Б 0,} I_{К 0}) и напряжением на коллекторе U_К0= U_П - I_{К 0}  R_К

Во время положительного полупериода входного напряжения (рис. 3.14, б) прямое напряжение эмиттерного перехода увеличивается, что вызывает рост тока базы и соответственно тока коллектора (рис. 3.14, в, г) и уменьшение напряжения U_КЭ за счет увеличения падения напряжения на сопротивлении коллектора (рис. 3.14, д). Если работа происходит на линейных участках характеристик транзистора, то формы переменных составляющих токов базы и коллектора совпадают с формой входного напряжения, а переменное напряжение на коллекторе, обусловленное переменной составляющей коллекторного тока, оказывается инвертируемым относительно входного. При соответствующем выборе сопротивления нагрузки R_К амплитуда переменного напряжения на выходе такого усилителя U_{К m}=I_Кm∙R_К может значительно превышать амплитуду входного напряжения. В этом случае происходит усиление сигнала.

Коэффициент передачи усилителя по напряжению определяется, как

Имея систему h-параметров БТ (1) и (2) и зависимость коллекторного напряжения от его тока и сопротивления нагрузки (3)

(Знак – в уравнении (3) означает, что при увеличении тока коллектора напряжение U_КЭ снижается).

Из уравнений (1) и (3) получаем

Учитывая, что I_К /I_Б=h_21Э получим

И т.к.

Получаем (4)

Знак минус означает, что сигнал на выходе инвертирован относительно входного.

h-параметры для определения К_U должны соответствовать рабочей точке на характеристиках транзистора.

Рабочая точка на выходных характеристиках БТ определяется следующим образом.

Напряжение питания усилителя распределяется на БТ и сопротивлении нагрузки.

Отсюда

Рабочую точку можно найти из решения системы уравнений

Однако аналитически это сложная процедура.

Графическое решение уравнений выглядит следующим образом (рис. )

Уравнение (1) – это выходные характеристики БТ. Уравнение (2) – прямая, пересекающая оси координат: ось абсцисс в точке U_КЭ=U_П, ось ординат I_К= U_П/R_К (на рис. U_П=15 В, U_П/R_К=30 мА). Имеет название – нагрузочная прямая.

Положение рабочей точки определяется пересечением нагрузочной прямой с соответствующей характеристикой тока базы (при токе базы I_Б=100 мкА это точка 1, при токе I_Б=200 мкА – точка 2 и т.д.) Если соответствующая характеристика отсутствует, её надо достроить, например, I_Б=350 мкА – точка 6)

а) б)

Рис

На входных характеристиках (рис. ) это также соответственно точки 1, 2 и 3. Например, для точки 2 напряжение смещения будет равно 0,8 В.

Очевидно, что максимальное напряжение на выходе усилителя получится, когда напряжение U_КЭ равно половине напряжения питания (рабочая точка 1 на рис. ) Если рабочая точка смещена (точка 2), то сигнал на выходе усилителя будет ограничен или значительно меньшей амплитуды без ограничения. Что можно рекомендовать для усиления сигналов с малой амплитудой, т.к. при этом усилитель потребляет меньший ток.

Рис

Выше рассмотренная схема неудобна в реализации, т.к. требует два источника питания (U_П и U_СМ). На рис. приведена реальная схема усилителя на БТ. Здесь резистор R_Б задает ток базы, т.е. рабочую точку. Его величина равна

Т.к. обычно U_П >>U_БЭ, то R_Б≈U_П/I_Б.

Рис.

Конденсаторы С1 и С2 – разделительные. С1 не пропускает постоянную составляющую от источника сигнала и, таким образом, ток базы и рабочая точка БТ определяется только постоянным током, протекающим через R_Б. С2 не пропускает постоянную составляющую тока через сопротивление внешней нагрузки R_Н.

При подключении нагрузочного резистора R_Н при определении К_U в формулу (4) вместо R_К надо подставить эквивалентное сопротивление нагрузки R_НЭ, которое состоит из параллельного включения R_К и R_Н.

Очевидно, что реактивные элементы и транзистор влияют на АЧХ усилителя.

Эквивалентная схема входной цепи представлена на рис.

Рис

Т.к. R_Б в сотни раз превосходит величину h_11Э, то сопротивлением этого резистора можно пренебречь. И тогда модуль коэффициента передачи входной цепи на нижних частотах будет составлять

Отсюда видно, что разделительная ёмкость влияет на нижних частотах. С понижением частоты коэффициент передачи снижается. С увеличением ёмкости характеристика сдвигается влево (кривые 1 и 2 на рис. ).

Относительный коэффициент передачи Y_НЧ

При заданных искажениях на низких частотах Y_НЧ можно определить величину разделительной ёмкости

Очевидно, что и разделительная ёмкость С₂ так же будет влиять на нижних частотах. Только h_11Э надо заменить сопротивлением нагрузки, выходное сопротивление источника будет равно выходному сопротивлению усилителя R_И≈R_К, а ёмкость С₁ заменить на С₂.

Рис.

На верхних частотах при активной нагрузке в основном влияют частотные параметры транзистора (кривая 4). Ёмкость нагрузки С_Н также ограничивает полосу пропускания в области верхних частот (кривая 3).

Тогда коэффициент передачи на верхних частотах при условии, что предельная частота транзистора больше, чем верхняя частота полосы пропускания ω_h21Э>>ω_В, можно вычислить по формуле

Для ограничения полосы пропускания в области верхних частот можно поставить корректирующую ёмкость С_К параллельно резистору R_К или R_Н.

Если необходимо подобрать корректирующую ёмкость С_К при заданной величине Y_ВЧ, то её величина определяется по формуле

Работа полевого транзистора в усилительном режиме

Принцип работы усилителя на ПТ можно пояснить с помощью упрощенной принципиальной схемы, изображенной на рис. а. Во входную цепь (затвор ПТ) включены источник сигнала U_Зm и источник смещения U_СМ, который определяет рабочую точку на характеристиках транзистора. В цепь стока включены источник питания U_П и сопротивление нагрузки R_С.

а) б)

Рис

Работа такого усилителя поясняется временными диаграммами токов и напряжений, изображенными на рис. а-в).

Рис.

При U_Зm =0 постоянный ток стока I_СО будет определяться напряжением на затворе U_ЗИ=U_СМ и напряжением на стоке U_С0= U_П – I_{С 0}  R_С.

Во время положительного полупериода входного напряжения U_Зm (рис., а) напряжение на затворе увеличивается, что вызывает рост тока стока (рис. ,б) и уменьшение напряжения U_СИ за счет увеличения падения напряжения на сопротивлении R_С (рисунок , в). При этом переменное напряжение на выходе, обусловленное переменной составляющей тока стока, оказывается инвертируемым относительно входного.

Коэффициент передачи усилителя по напряжению определяется следующим

образом

Напряжение сигнала на стоке равно

Откуда ток равен . Подставляя в уравнение

Получаем

Учитывая, что R_i >> R_C получаем

Знак минус означает, что сигнал на выходе инвертирован относительно входного.

S-параметр для определения К_U должен соответствовать рабочей точке на характеристиках транзистора.

Рабочая точка на выходных характеристиках ПТ определяется следующим образом.

Напряжение питания усилителя распределяется на ПТ и сопротивлении нагрузки R_C.

Отсюда

Рабочую точку можно найти из решения системы уравнений

Однако аналитически это сложная процедура.

Графическое решение уравнений выглядит следующим образом (рис. )

Уравнение (1) – это выходные характеристики ПТ. Уравнение (2) – прямая, пересекающая оси координат: ось абсцисс в точке U_СИ=U_П, ось ординат I_С= U_П/R_С (на рис. U_П=10 В, U_П/R_С=5 мА). Эта прямая имеет название – нагрузочная прямая.

Положение рабочей точки определяется пересечением нагрузочной прямой с соответствующей характеристикой напряжения на затворе (при напряжении на затворе U_ЗИ=0 В это точка 1, при U_ЗИ=-0,5 В – точка 2 и т.д.) Если соответствующая характеристика отсутствует, её надо достроить.

в) б)

Рис.

Выше рассмотренная схема сложна в реализации, т.к. требует два источника питания (U_П и U_СМ). На рис. приведена реальная схема усилителя на ПТ.

Резистор в цепи истока R_И задает смещение, т.е. рабочую точку. Падение напряжения на нём приложено к участку затвор-исток. Величина R_И равна

.

С_И ёмкость, шунтирующая R_И для исключения отрицательной обратной связи по сигналу.

R_З сопротивление утечки тока затвора. Т.к. ток затвора составляет наноамперы, то сопротивление этого резистора составляет сотни килоом.

С₁ разделительная ёмкость, служит для исключения постоянной составляющей от источника сигнала.

9