Электроника учебное пособие

тера относительно земли. Если потенциал базы будет фиксированным, то появление U э вызовет приращение напряжения смещения между базой и эмиттером на величину Uбэ = − U э . Данное обстоятельство приводит к уменьшению разности потенциалов между базой, потенциал которой задан с помощью R1 и R2, и эмиттером. Ток базы соответственно уменьшится и его результирующее изменение будет невелико.

Таким образом, напряжение смещения изменяется так, что противодействует первоначальной причине, вызвавшей изменение коллекторного тока, т.е. при увеличении тока Iэ напряжение смещения U0бэ уменьшается, при уменьшении тока – увеличивается.

Чем больше сопротивление резистора Rэ , тем выше стабильность коллекторного тока. Чем меньше общее сопротивление делителя R1 и R2, тем меньше потенциал базы зависит от изменений базового тока и тем лучше стабилизация. Но при малых его значениях резко возрастает мощность, потребляемая от источника питания, и уменьшается входное сопротивление каскада. Обычно в реальных схемах выбор сопротивлений делителя осуществляют в соответствии со следующим правилом: R1 R2 ≈ Rэ или больше Rэ .

В многокаскадных усилителях очень хорошие результаты по стабилизации рабочих точек каскадов получают при использовании общей отрицательной обратной связи по постоянному току, охватывающей весь усилитель. При этом местные обратные связи, аналогичные рассмотренным, применять нецелесообразно, так как они всегда уменьшают коэффициенты усиления отдельных каскадов и снижают эффективность общей ОС.

§7.4. УСИЛИТЕЛЬНЫЙ КАСКАД НА БТ

СОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ

Рассмотрим RC-усилитель, в котором транзистор включен по схеме с общим эмиттером и используется эмиттерная стабилизация начального режима работы (рис. 7.11). Конденсаторы C1 и C2 предназначены для разделения режимов отдельных каскадов по постоянному току и называются

61

62

Рассмотрим параметры усилительного каскада, характеризующие его свойства при усилении сигналов переменного тока.

Входное сопротивление

Rвх = uвх iвх ,

где uвх – напряжение на зажимах база - эмиттер, iвх – входной ток базы.

Коэффициент усиления по напряжению

Если Rг → 0 и Rн → ∞, то коэффициент усиления по напряжению будет максимальным

Ku = −h21э Rк ,

Rвх

где знак "–" говорит об изменении фазы выходного напряжения на величи-

ну 180 0.

При переменном сигнале на входе с частотой ω необходимо учитывать влияние разделительных конденсаторов C1 и C2 и емкости Cэ на величину коэффициента усиления Ku .

Сопротивление конденсатора C1 можно отнести к внутреннему сопротивлению генератора Zг

Zг = Rг + (1 jωC1) = ( jωC1Rг + 1) / ( jωC1).

Если емкость C2 отнести к сопротивлению нагрузки Rн , то получим значение сопротивления нагрузки в комплексной форме

Zг = Rг + (1 jωC2 ) = ( jωC2Rг +1)/( jωC2 ).

Сопротивление в цепи эмиттера

63

1)позволяет получать наиболее высокий коэффициент усиления по напряжению (десятки единиц) и большой коэффициент усиления по току (десятки единиц);

2)имеет узкий диапазон частот, в котором обеспечивается равномерное усиление;

3)вносит фазовый сдвиг 180 0 в диапазоне средних частот.

64

UбэVT1 = UбэVT 2 следует, что IбVT1 = IбVT 2 . При этом IкVT1 = IкVT 2 . Для входного тока устройства справедливо соотношение

Типовой коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером h21э для современных транзисторов удовлетворяет условию h21э >> 1. Поэтому с достаточной точностью можно записать

Iвх ≈ IкVT1 = IкVT 2 .

65

"Токовые зеркала" используют в тех случаях, когда в транзисторной схеме необходим источник тока, а также для формирования токов отдельных внутренних усилительных каскадов.

§ 7.6. СОСТАВНОЙ ТРАНЗИСТОР (СХЕМА ДАРЛИНГТОНА)

Анализируя выражения коэффициентов усиления каскадов, выполненных на биполярных транзисторах, можно заключить, что, в конечном счете, максимальное значение их коэффициента усиления определяется коэффициентом передачи тока транзистора в схеме с общим эмиттером h21э . Реальное значение h21э определяется типом и технологией изготовления транзистора и обычно не превышает нескольких сотен. Увеличение h21э выше этого значения в ряде случаев позволяет существенно упростить схемотехнику проектируемых усилительных устройств. Так, при построении многокаскадных усилителей можно обойтись меньшим числом каскадов, отказаться от промежуточных усилительных каскадов.

Решить проблему увеличения h21э можно чисто схемотехническим путем за счет каскадного включения нескольких транзисторов. Применительно к транзисторам одного типа проводимости такие схемы были впервые предложены Дарлингтоном и поэтому часто называются схемами Дар-

лингтона, или составными транзисторами.

Основные параметры таких схем рассмотрим на примере приведенной на рис. 7.15 структуры, выполненной на двух n-p-n-транзисторах.

66

Для схемы выполняется условие Iб2 = Iэ1. Тогда, используя приведенные выражения, выразим ток коллектора транзистора VT2 через базовый ток транзистора VT1. При этом для простоты будем полагать, что

Iкб0 = 0:

Iк2 = Iэ1h21э2 = (Iк1 + Iб1 )h21э1 = (Iб1h21э1 + Iб1 )h21э1 = Iб1(h21э1 +1)h21э2 .

Тогда суммарный выходной ток составного транзистора равен

Iвых = Iк1 + Iк2 = Iб1h21э1 + Iб1(h21э1 +1)h21э2 =

= Iб1(h21э1 + h21э2 + h21э1h21э2 ).

Полагая, что h21э1 + h21э2 << h21э1h21э2 , окончательно запишем

Iвых ≈ Iб1h21э1h21э2 .

Таким образом, в составном транзисторе суммарный коэффициент передачи тока равен произведению коэффициентов передачи отдельных транзисторов.

§ 7.7. УСИЛИТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Усилители, способные усиливать сигнал, меняющийся сколь угодно медленно во времени, называются усилителями постоянного тока (УПТ). Для них в отличие от рассмотренных ранее усилителей характерно сохранение конечной величины коэффициента усиления даже для сигнала с нулевой частотой. Усилитель постоянного тока усиливает как переменные, так и постоянные составляющие входного сигнала. Очевидно, что в таком усилителе связь между каскадами и нагрузкой нельзя выполнить с помощью разделительного конденсатора или трансформатора, так как эти элементы связи не могут передавать постоянную составляющую сигнала. Поэтому в усилителях постоянного тока используется непосредственная связь между каскадами.

По принципу действия и схемному выполнению УПТ делят на два основных вида: 1) усилители с непосредственными связями; 2) усилители с преобразованием сигнала.

67

Усилители с непосредственными связями. В настоящее время в качестве УПТ с непосредственными связями в основном используют интегральные операционные усилители.

Простейший усилитель постоянного тока, выполненный на одном транзисторе, показан на рис. 7.16. Для таких усилителей характерно двуполярное питание, т.е. использование двух источников питания с напряжениями + Eк и − Eэ относительно "земли". В принципе можно использовать и однополярное питание (рис 7.17). Однако в таком варианте возникают серьезные затруднения. Во-первых, требуется специальный источник смещения Eб . Во-вторых, источник сигналов не имеет заземленной точки, что исключает использование большинства типичных источников сигнала и резко повышает уровень паразитных наводок (помех) на входе усилителя. Если поменять местами источники сигнала и смещения, то высокий уровень помех останется, а реализовать схемным путем незаземленный источник смещения практически невозможно.

Пусть входной сигнал Uвх равен нулю. Тогда в схеме протекают постоянные составляющие токов, обусловленные источниками Eк и Eэ . Режим отсутствия сигнала принято называть режимом покоя усилителя.

При наличии входного сигнала к постоянным составляющим добавляются переменные составляющие, пропорциональные величине Uвх . Таким образом, в рабочем режиме полные величины напряжений и токов

68

можно записать в виде: U = U 0 + U ; I = I 0 + I . Здесь верхний индекс "0" присвоен постоянным составляющим, а переменные состояния, которые обычно малы по сравнению с постоянными, обозначены как приращения.

Рассмотрим постоянные составляющие, свойственные режиму по-

где Iк0 = αIэ0 .

Величины Iэ0 и Uк0 задаются заранее. Их совокупность определяет рабочую точку транзистора в режиме покоя. Напряжение питания Eк обычно тоже задано; тогда из выражения (7.8) однозначно получается необходимое сопротивление Rк .

Что касается величин Eэ и Rэ , то они должны быть достаточно большими с тем, чтобы неизбежные изменения параметров α и U* не ока-

Выбрав сопротивление Rэ из (7.7), легко найти величинуEэ . Рассмотрим переменные составляющие. Величины токов и напряже-

ний будем записывать без знака . Величину входного напряжения, пренебрегая величиной коллекторного перехода, можно записать как

69

Учитывая условие (7.9), можно записать Iэ = Uвх Rэ .

Зная ток Iэ , легко определить все другие токи и напряжения в схеме. Выходным сигналом принято считать переменную составляющую коллекторного напряжения Uк (потенциал коллектора записывается как

Uк0 +Uвых , где Uвых = −αIэRк ).

Коэффициенты (размерные и безразмерные), связывающие переменные составляющие между собой и с входным сигналом, называют диффе-

ренциальными параметрами усилителя. Главный из них – коэффициент усиления:

Пренебрегая согласно (7.9) двумя последними членами в знаменателе, получаем простое выражение, пригодное для всех практических расчетов:

Знак минус свидетельствует о различии полярностей выходного и входного сигналов (в случае синусоидального сигнала – сдвиг фаз входного и выходного сигнала на 180 0). Из выражения (7.11) следует, что сопротивление Rк желательно делать большим, а сопротивление Rэ малым. Однако в реальной схеме сопротивление Rк определяется напряжением питания и рабочей точкой транзистора (7.8), а сопротивление Rэ должно удов-

70