В.П. Кавокин

Схемотехника аналоговых схем

(Конспект лекций)

Аналоговые схемы на транзисторах. Базовые усилительные каскады.

Основные схемы построения усилителей на биполярных транзисторах определяются возможными способами их включения: схемы с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК).

Практическая схема усилительного каскада с общей базой имеет вид

Отличительной особенностью этого каскада является сравнительно малое входное сопротивление, определяемое по формуле , где -объемное сопротивление эмиттерного перехода. Коэффициент усиления по напряжению равен , где -коэффициент усиления тока в схеме с общей базой. Второй отличительной особенностью каскада является отсутствие паразитной обратной связи на высоких частотах через емкость коллектор-база, что расширяет частотный диапазон ее применения.

Практическая схема каскада с общим эмиттером обычно реализуется в виде

Выходное напряжение Uout каскада ОЭ, также, как и каскада ОБ, состоит из суммы постоянной и переменной составляющих. Величина постоянной составляющей определяется режимом работы каскада по постоянному току, или статическим режимом. Статический режим определяется начальными значениями коллекторного напряжения и коллекторного тока транзистора в соответствии с графиком нагрузочной характеристики, на котором выбирается положение рабочей точки, как показано на рисунке. Рабочая точка лежит на пересечении нагрузочной прямой с одним из графиков семейства выходных характеристик транзистора.

При появлении переменной составляющей рабочая точка перемещается по нагрузочной линии в обоих направлениях и, в зависимости от ее исходного положения и амплитуды переменной составляющей, возможны следующие режимы работы усилительного каскада: режим А или линейный режим, при котором рабочая точка располагается посредине линейного участка нагрузочной характеристики, а амплитуда выходного напряжения или тока не выходит за пределы этого участка. В этом случае можно считать, что , а . В режиме В рабочая точка располагается в нижней части нагрузочной линии, поэтому ток через транзистор протекает в течении примерно половины периода входного сигнала (180 градусов). Половину этого угла, соответствующего моменту прекращения тока через транзистор, называют углом отсечки.

В режиме С ток через транзистор протекает в течении промежутка времени меньше половины периода входного сигнала, т.е. при угле отсечки меньше 90 градусов.

Режим Д (или ключевой)- режим, при котором транзистор находится только в двух состояниях: или полностью заперт, или полностью открыт. Ниже приведены временные диаграммы входных и выходных сигналов для всех перечисленных режимов работы усилительных каскадов.

Линейный режим (режим А)

_{Режим В}

Режим С

Режим Д

Для усилительного каскада класса А расчет статического режима заключается в выборе такого начального (в рабочей точке) значения коллекторного тока Iko, при котором падение напряжения на коллекторной нагрузке (R1 в каскаде с общей базой, R3 в каскаде с общим эмиттером) во-первых, равно падению напряжения на транзисторе (напряжение коллектор-эмиттер) и, во-вторых, было бы меньше амплитуды переменной составляющей при максимальном входном сигнале. Первое условие применительно к схеме ОЭ запишется в виде:

IkoR3+Uкэ+IэоR4=E

где Iэо начальный ток эмиттера практически равный току коллектора. С учетом последнего, принимая Uкэ=IkoR3, получим

2IkoR3+IkoR4=E, откуда находим

Iko=E/(2R3+R4).

Рассмотрим теперь базовую цепь транзистора. Напряжение на базе относительно общей шины (“земли”) с учетом Iko=Iэо

Uбо=Uбэо+IkoR4,

где Uбэо для кремниевых транзисторов находится в пределах 0.7...0.9 В.

Поскольку Uбо равно падению напряжения на резисторе R2, ток через него равен

I2=Uбо/R2=(Uбэо +IkoR4)/R2.

Через резистор R1 протекает сума тока базы, равного Iko/h21, где h21-коэффициент усиления транзистора по току в схеме ОЭ, и тока I2. Падение напряжения на резисторах базовой цепи R1 и R2 равно Е, то

R1=(E-Uбо)/I2.

При расчете величин резисторов должны быть заданы величина R3 (определяется нагрузкой каскада из условия R3<(0.2...0.3)Rн, величина R4<(0.1...0.2)R3 и I2>(3...5)Iko/h21.

При подаче на вход каскада сигнала переменного тока реактивное сопротивление конденсаторов С1 и С2 практически считается равным нулю, поэтому переменная составляющая тока базы считается линейно зависящей от входного переменного напряжения, т.е.

iб=Uб/h11, где h11- дифференциальное входное сопротивление между базой и эмиттером.

Коллекторный ток, протекающий через R3, оказывается больше базового в h21 раз, таким образом напряжение на коллекторной нагрузке равно

Uk=(Uб/h11)h21R3,

и для коэффициента усиления каскада по напряжению получаем

Ku=-(h21R3)/h11.

Знак минус определяется тем, что увеличение падения напряжения на коллекторной нагрузке R3 приводит к уменьшению напряжения на коллекторе относительно “земли”.

Частотная характеристика каскада ОЭ.

При разработке схемы каскада ОЭ задается нижняя граничная частота Fн, на которой коэффициент усиления должен быть больше или равен , где -коэффициент усиления в области средних частот. Для обеспечения этого условия необходимо правильно выбрать величины емкостей конденсаторов С1 и С2. Назначение С2- шунтировать R4 на частотах в пределах всей полосы пропускания для исключения влияния цепи С2R4 на коэффициент усиления. Это влияние максимально на нулевой частоте (постоянный ток) и обеспечивает температурную стабилизацию положения рабочей точки каскада. Действительно, если за счет изменения температуры окружающей каскад среды рабочая точка смещается, например, в сторону увеличения коллекторного тока, напряжение на эмиттере, равное падению постоянного напряжения на резисторе R4, увеличивается, что приводит к уменьшению разности потенциалов между эмиттером и базой, т.е. способствует уменьшению коллекторного тока. При выборе постоянной времени эмиттерной цепи исходя из условия , напряжение между эмиттером и базой определяется только входным сигналом переменного тока, что обеспечивает максимум коэффициента усиления. На вид частотной характеристики в области низких частот влияет также разделительный конденсатор С1. Его величина выбирается из условия , т.е. , где - входное сопротивление каскада в области средних частот.

Верхняя граничная частота каскада определяется по формуле , где - емкость коллектора, величина которой приводится в справочниках. Характерный вид частотной характеристики каскада показан на рисунке.

Частотная характеристика транзисторного каскада усилителя переменного тока

Резонансный усилительный каскад по схеме с общим эмиттером.

Наиболее распространенной схемой такого каскада является схема с коллекторной нагрузкой в виде параллельного LC контура. Схема выглядит следующим образом:

Как видно из схемы, в качестве коллекторной нагрузки использован параллельный LC контур, в котором резистор R3 учитывает омическое сопротивление катушки индуктивности L1.

C учетом ранее полученной формулы для коэффициента усиления каскада с общим эмиттером и коллекторной нагрузкой в виде резистора для рассматриваемого каскада соответствующую формулу можно записать в виде:

, где -сопротивление LC контура, зависящее от частоты сигнала. Оно рассчитывается по формуле для параллельного соединения емкости С2 и индуктивности L1 c последовательно включенным сопротивлением R3:

Нетрудно увидеть, что максимум модуля достигается при , где

называется резонансной частотой контура. При расчете частотной характеристики рассматриваемого контура ее график в имеет следующий вид:

Ширина резонансной кривой зависит от сопротивления потерь в LC контуре, которые в схеме каскада зависят не только от сопротивления R3, но и от подключенной к выходу каскада нагрузки, а также от выходного сопротивления транзистора. Эти потери могут быть учтены путем подключения параллельно контуру без потерь некоторого сопротивления, называемого эквивалентным сопротивлением шунта, величина которого рассчитывается следующим образом:

-сопротивление обмотки катушки индуктивности R3 заменяется эквивалентным сопротивлением, включенным параллельно контуру , величина которого рассчитывается по формуле:

;

-рассчитывается эквивалентное сопротивление шунта по формуле для параллельного соединения

, сопротивления нагрузки каскада Rn и выходного сопротивления транзистора, определяемого, как 1/h22. Последнее, как правило, много больше Rn, поэтому для расчета может быть использована формула

Rэкв.ш=( Rn)/ ( +Rn)

При известном значении Rэкв.ш можно рассчитать один из параметров частотной характеристики резонансного каскада -добротность Q, которая определяет полосу пропускания на уровне 0.707... нормированной частотной характеристики , т. е. на уровне уменьшения мощности выходного сигнала в два раза по сравнению с мощностью на частоте резонанса:

Q= Rэкв.ш/ , .

Как видно из формул, чем меньше эквивалентное сопротивление шунта, тем меньше добротность, а, следовательно, больше полоса пропускания каскада или, как говорят, меньше избирательность, т.е. способность отделять сигнал на резонансной частоте от сигнала на другой, но близкой частоте. Если величина нагрузки каскада такова, что не позволяет обеспечить заданную добротность (избирательность), то для сохранения необходимой величины добротности каскада можно использовать трансформаторное подключения нагрузки, используя свойство трансформатора изменять эквивалентную величину нагрузки для первичной обмотки в зависимости от коэффициента трансформации, при подключении реальной нагрузки в цепь вторичной обмотки. Это свойство объясняется следующим образом.

Рассмотрим идеальный трансформатор (трансформатор без потерь) с коэффициентом трансформации N=W2/W1, где W1, W2 число витков первичной и вторичной обмоток соответственно. Если в первичной обмотке действует переменное напряжение U1, то во вторичной обмотке будет действовать напряжение U2=NU1. Мощность, потребляемая во вторичной обмотке сопротивлением R2 равна

При записи этой цепочки равенств учтено, что мощности, потребляемые в первичной и вторичной обмотках равны. На основании последнего равенства можно сделать вывод о том, что эквивалентное сопротивление в цепи первичной обмотки . Таким образом, если допустимая величина нагрузки ограничена значением , то при заданном значении сопротивления фактической нагрузки R2 величина коэффициента трансформации определяется по формуле

Схема резонансного каскада с трансформаторным подключением нагрузки отличается от ранее рассмотренной только за счет замены катушки индуктивности соответствующим трансформатором, который может быть реализован в виде автотрансформатора с одним или двумя отводами, причем последний случай используется для уменьшения влияния на добротность выходного сопротивления транзистора. Пример схемы такого типа показан ниже.