УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

Кафедра № 12

Л Е К Ц И Я № 15

«Транзисторный усилитель »

^{( наименование темы )}

по дисциплине «Теория радиотехнических цепей и сигналов»

Профессор кафедры №12

доктор технических наук, профессор

^{( ученая степень, ученое звание,}

Лось А.П.

^{воинское звание, фамилия и инициалы автора )}

Санкт-Петербург

2011 г.

Вопросы лекции.

1.Транзисторный усилитель. Транзисторный усилитель

Не вникая в физику явлений в транзисторе, схематически изображенном на рис. 5.7, будем трактовать его как линейный четырехполюсник (или трехполюсник), который в режиме слабых входных воздействий (и при относительно низких частотах) обладает следующими свойствами.а. Ток эмиттера распределяется между базой и коллектором, причем отношение тока коллектора i_K к току эмиттера I_Э для данного транзистора является практически постоянной величиной, близкой к единице: Соответственно ток базы

Ток эмиттера определяется в основном напряжением база — эммиттер и очень слабо зависит от напряжения на коллекторе. Отсюда следует, что и ток коллектора очень слабо зависит от напряже-ния коллектор — эмиттер.

Указанные особенности транзистора позволяют представить его схему замеще- ния так, как это показано на рис. 5, 8, а. На этой схеме зависимый источник тока а/а учитывает влияние эмиттерного тока на цепь коллектора, а сопротивления определяются по заданному семейству характеристик транзистора.

Следует подчеркнуть, что являются дифференциальными сопротивлениями для переменных составляющих токов, амплитуды которых достаточно малы, чтобы оправдывалось допущение о линейности используемых участков соот- ветствующих вольтамперных характеристик транзистора. Иными словами, подразумевается режим усиления слабых сигналов.

Сопротивления r_э и r_δ относительно малы (r_э — единицы и десят- ки ом, r_δ — до нескольких сотен ом). Сопротивление же г_к оченьвелико (сотни килоом и мегомы)).

На схеме замещения, представленной на рис. 5.8, б, зависимый источник тока аi_э с шунтом г_k заменен эквивалентным источникомнапряжения с внутренним сопротивлением г_k Напряжение этого источника

где обозначено

Направление е_экв согласовано с направлением напряжения, которое в схеме рис, 5,8, а создает ток аi_э при прохождении через г_k (в режиме разомкнутой внешней цепи коллектора).

Усиление сигнала в транзисторе обусловлено тем, что мощность, выделяемая в высокоомном сопротивлении нагрузки (в цепи коллек- тора) переменной составляющей коллекторного тока, значительно больше мощности источника сигнала, затрачиваемой в цепи база — эмиттер для управления величиной тока. Увеличение мощности усиленного сигнала происходит за счет источника постоянного тока, питающего цепь коллектора.

В дальнейшем изложении имеется в виду гармоническое колеба- ние на входе усилителя, в связи с чем токи и напряжения будут за- писываться в форме 1 и Е, под которыми подразумеваются амплиту- ды (в общем случае комплексные).

В зависимости от выбора зажимов для входа и выхода разли- чают три возможные схемы усилителя: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК) (рис. 5.9, 5.10 и 5.11).

В первой из этих схем (рис, 5.9) зажим Б является общим для входной и выходной цепей. В схе-мах на рис. 5.10 и 5.11 общим зажимом является соответственно за- жим Э и зажим К-

Составим уравнения для напряжений и токов в указанны трех схемах. Для упрощения за- дачи исключим из рассмотрения межэлектродные емкости транзистора, что допустимо при частотах, не превышающих нескольких мега- герц. Тогда ввиду чисто активныхсопротивлений r_э, r_δ и г_k комплексные амплитуды I и Е можно за- менить их модулями I и Е. В дальнейшем, при введении в рассмотрение комплексных сопротивлений и проводимостей внешних цепей, можно будет совершить переход к комплексным амплитудам.

Для схемы с общей базой (рис. 5.9) действительны следующие два уравнения:

Подставляя во второе из этих уравнений,

получаем следующую систему уравнений:

Этим уравнениям соответствует:

Схеме с общим эмиттером (рис. 5.10) соответствуют следующие уравнения:

Здесь учтено, что , причем направления Ј_экВ и Е₂ совпадают. В данном случае

Наконец, схеме с общим коллектором (рис. 5.11) соответствуют Z-параметры:

Итак, элементы Z-матриц для всех трех схем усилителя можно выразить через физические параметры транзистора

По найденным Z-параметрам можно с помощью табл. 5.1 определить также У- и H-параметры. Приведем эти параметры для наиболее распространенной схемы с общим эмиттером. Для этой схемы определитель Z-матрицы

Здесь использовано соотношение вытекающее из выражения

При составлении этих выражений использовано условие

Особенностью работы транзистора в схеме ОЭ является управле- ние током коллектора с помощью воздействия на ток базы. Кроме того, необходимо учитывать обратное воздействие выходного напря- жения на входную цепь. Эти свойства транзистора удобно описы- ваются уравнениями четырехполюсника (5.7). В связи с этим в теории и технике транзисторных усилителей в настоящее время общепринята матрица H-параметров.

В § 5.3 было показано, что усилительная способность активного четырехполюсника в основном определяется параметром Я₂₁ (со- ответственно Y₂₁ и Z₂₁). Для усилителя ОЭ этот параметр, как пока- зано выше, совпадает с коэффициентом β [см. (5.32)]. Он входит в паспортные данные биполярного транзистора и обозначается символом

В соответствии с новыми обозначениями формулы (5.17), (5.18) запишутся в виде

Напомним, что h₁₁ имеет смысл входного сопротивления база — эмиттер (при коротком замыкании выходной цепи), h₁₂ — коэф- фициент обратной связи по напряжению (при разомкнутой входной, цепи) и h₂₂ — выходная проводимость транзистора (при разомкну- той входной цепи).

В новых обозначениях второе уравнение (5.7) принимает следую- щий вид:

где — напряжение, развиваемое на нагру-

зочном импедансе

Д алее, ток базы 1_е можно представить в виде отношения где — входное сопротивление транзистора (между зажима- ми база — эмиттер), определяемое формулой (5.23).

Параметр можно трактовать как крутизну характеристики в точке

На основании выражения (5.37') можно построить схему замеще- ния выходной цепи усилителя, показанную на рис. 5.12, а. Симво- лом R_i на рис. 5.12, а обозначено внутреннее сопротивление источни- ка тока. Для транзистора в усилителе

Из сравнения уравнения (5.37') с (5.1) следует, что введенный выше параметр S совпадает с параметром У₂₁ (для схемы ОЭ). Под- ставив в (5.37') и разделив полученное уравнение на Е_ь приходим к следующей формуле:

которая отличается от (5.35) лишь внешне.

В тех случаях, когда проводимость h₂₂ мала по сравнению с проводимостью нагрузки G_H, можно пользоваться приближенными формулами

Работа транзисторного усилителя ОЭ в режиме малого сигнала иллюстрируется рис. 5.12, б. Амплитуда переменного тока коллектора I_к во много раз меньше постоянного тока /ко, соответствующего напряжению смещения Ikо.

По своим свойствам представленные на рис. 5.9—5.11 три вида усилителей, существенно различаются.

Сопоставление схем ОЭ и ОБ приводит к следующим заключениям:

• по усилению напряжения обе схемы равноценны;

• в схеме ОЭ имеет место усиление тока приблизительно в h_2l3

раз [см. (5.39)] при . а в схеме ОБ некоторое ослабление

(незначительное, поскольку ; следователь-

но, усиление по мощности в схеме ОЭ приблизительно в h_21B раз боль- ше, чем в схеме ОБ;

• дополнительным преимуществом схемы ОЭ является относи- тельно большое входное сопротивление; это объясняется тем, что управление током коллектора в схеме ОЭ достигается воздействием на ток базы, во много раз меньший тока эмиттера;

• в схеме ОБ напряжение на выходе в фазе, а в схеме ОЭ — в противофазе с напряжением на входе.

Несколько особняком стоит усилитель с общим коллектором. Напряжение на зажимах Б — Э (см. рис. 5.11) является разностью напряжений E_t и Е₂. Падение напряжения на сопротивлении нагруз- ки Z_и создаваемое током I_э всегда меньше Е₁ следовательно, коэф- фициент усиления напряжения в схеме ОК меньше единицы. Уси- ление же по току близко к величине Поэтому усилитель ОК мож- но рассматривать как усилитель тока при неизменном напряжении. Сопротивление нагрузки Z_H, включенной в цепь эмиттера, можно выбрать весьма небольшим, гораздо меньшим, чем при включении его в цепь коллектора (как в схемах на рис. 5.9 и 5.10). Это является большим преимуществом, так как сводит к минимуму влияние ем-' кости нагрузки, шунтирующей выход усилителя, на его частотную характеристику. Существенно также, что выходное напряжение, отсчитываемое относительно общей точки (земли), совпадает по фазе (полярности) с входным напряжением. Таким образом, усили- тель ОК «повторяет» сигнал, не изменяя ни его формы, ни амплиту- ды (напряжения), ни полярности, но переводя его с высокоомного входного сопротивления на низкоомное Z_H. Поэтому усилитель ОК часто называют эмиттерным повторителем. Благодаря этим свойст- вам эмиттерный повторитель находит широкое применение в каче- стве зависимого источника напряжения, управляемого напряжением (в идеальном случае подобный источник должен обладать бесконеч- но большим входным и нулевым выходным сопротивлениями).

С этой точки зрения усилитель ОЭ, обладающий относительно большим входным и очень большим выходным сопротивлением, мож- но рассматривать как зависимый источник тока, управляемый на- пряжением (в идеальном случае оба сопротивления должны быть бесконечно большими).

Наконец, усилитель ОБ, обладающий малым входным и боль- шим выходным сопротивлениями, по своим свойствам приближается к зависимому источнику тока, управляемому током.

В заключение следует отметить, что приведенные схемы замеще- ния транзисторных усилителей справедливы при частотах, не пре- вышающих несколько мегагерц. При более высоких частотах необ- ходимо учитывать зависимость коэффициента а от частоты, а также влияние некоторых внутриэлектродных емкостей, опущенных при построении эквивалентных схем. Эти вопросы рас- сматриваются в курсе «Усилительные устройства».