Лекция 9

2.1.2. Усилительный каскад на биполярном транзисторе с отрицательной обратной связью по току.

Для улучшения свойств усилительного каскада (уменьшения нелинейных искажений и повышения температурной стабильности) в схему каскада вводят отрицательную обратную связь. Схема такого каскада приведена на рис. 60. Отрицательная обратная связь введена установкой резистора Rэ в цепь эмиттера транзистора. Прежде чем анализировать схему рассмотрим работу обратной связи. Наличие обратной связи определяется возможностью передачи сигнала из выходной цепи (выходного сигнала) во входную цепь.

Рис. 60 Схема усилительного каскада с отрицательной обратной связью по току.

В данной схеме напряжение, выделяемое на резисторе в цепи эмиттера Rэ определяет управляющее напряжение Uбэ.

Д

Рис. 61. Влияние нагрева кристалла на базовый ток транзистора.

ля базового контура запишем уравнение по второму закону Кирхгофа Uб = Uбэ + Uэ. Если Rг → 0, то напряжение на базе Uб определяется только источником сигнала. Однако известно, что напряжение на переходе уменьшается на 2мВ при нагреве перехода на один градус Цельсия. Поэтому если переход нагреется на 100­ градусов, то напряжение на базово-эмиттерном переходе должно уменьшиться на 200 мВ. Такое большое изменение обычно приводит к изменению режима работы транзистора, что нарушает нормальную работу усилительного каскада. Но напряжение на базе фиксировано источником сигнала, а напряжение на эмиттере определяется падением напряжения на резисторе Rэ и поэтому напряжение база – эмиттер измениться не может. Поэтому нагрев перехода приводит к увеличению тока базы. Влияние нагрева кристалла на ток базы транзистора при фиксации напряжений на базе и эмиттере показано на рис. 61. На рисунке кривая 1 соответствует начальной температуре примерно 25°С, а кривая 2 при нагреве на 20 градусов, т.е. при температуре 45°С. График показывает, что при таком нагреве ток базы изменяется от начального значения ≈ 0,1мА до 0,26мА.

Далее работа обратной связи состоит в том, что увеличение тока базы приводит к увеличению тока коллектора и как следствие к такому возрастанию напряжения Uэ, что напряжение Uбэ уменьшается и восстанавливается начальное значение тока базы Iбн.

Также реагирует схема и на изменение входного напряжения Uб, что приводит к уменьшению коэффициента усиления по сравнению с предыдущей схемой.

Сделаем вывод уравнения определяющего коэффициент усиления.

Анализируя схему, получаем соотношения:

.

Полученные выражения подставим во второе уравнение системы (2) – dIк = SdUбэ + dUкэ/r_к,.

Примем первое допущение, так как r_к>>1, то 1/r_к = 0.

.

Разрешим полученное выражение относительно коэффициента усиления.

.

Выражение для коэффициента усиления дает возможность выполнить оценки его значений. Так при наличии сопротивления в цепи эмиттера сделаем второе допущение: Rк>>1 и r_к>>1 следовательно 1/Rк → 0 и 1/r_к → 0 . Если же Rэ = 0, то.

Таким образом, приходим к выводу, что при наличии обратной связи коэффициент усиления не зависит от параметров транзистора и определяется только отношением резисторов. При отсутствии обратной связи коэффициент усиления соответствует предыдущей схеме, что и должно быть, так как исключение резистора в цепи эмиттера приводит нас к предыдущей схеме. Знак минус в обоих выражениях говорит о том, что выходное напряжение инвертировано относительно входного.

Входное сопротивление данной схемы определим из выражения r_вх = dUвх/dIвх, причем dUвх = dUб и dIвх = dIб.

.

Таким образом, входное сопротивление равно сумме дифференциального сопротивления базы и сопротивления в цепи эмиттера умноженного на (β + 1). Так как β обычно имеет большие значения, то входное сопротивление этой схемы по сравнению с предыдущей существенно больше.

Выходное сопротивление данной схемы практически не отличается от предыдущей схемы.

Таким образом, рассмотрены основные усилительные каскады на биполярных транзисторах, показано влияние обратной связи на основные параметры усилительных каскадов.