Меню

Коэффициент усиления по току усилительного каскада

Усилительный каскад с общим коллектором

Наш следующий в изучении тип включения транзистора немного проще для вычисления коэффициентов усиления. Так называемая схема с общим коллектором показана на рисунке ниже.

В схеме с общим коллектором и вход, и выход используют коллектор В схеме с общим коллектором и вход, и выход используют коллектор (стрелками показаны направления движения потоков электронов)

Конфигурация этого каскада называется схемой с общим коллектором, потому что (игнорируя батарею источника питания) и источник сигнала, и нагрузка делят между собой вывод коллектора как общую точку (рисунок ниже).

Общий коллектор: входной сигнал подается на базу и коллектор, выходной сигнал берется со схемы эмиттер-коллектор Общий коллектор: входной сигнал подается на базу и коллектор, выходной сигнал берется со схемы эмиттер-коллектор

Должно быть очевидно, что через резистор нагрузки, помещенный в цепь эмиттера, в схеме усилителя с общим коллектором протекают как ток базы, так и ток коллектора. Поскольку через вывод эмиттера транзистора протекает самое большое значение тока (сумма токов базы и коллектора, которые всегда объединяются вместе для формирования тока эмиттера), было бы разумным предположить, что этот усилитель буде иметь очень большой коэффициент усиления по току. Это предположение действительно правильное: коэффициент усиления по току усилителя с общим коллектором довольно большой, больше, чем в любом другом типе схемы транзисторного усилителя. Однако это не совсем то, что его отличает от других типов схем транзисторных усилителей.

Давайте сразу же перейдем к SPICE анализу этой схемы усилителя, и вы сможете сразу увидеть, что уникального в этом типе включения транзистора. Схема и список соединений приведены ниже.

Схема усилительного каскада с общим коллектором для SPICE Схема усилительного каскада с общим коллектором для SPICE Общий коллектор: напряжение на выходе меньше напряжения на входе на 0,7 В (на падение напряжения VБЭ) Общий коллектор: напряжение на выходе меньше напряжения на входе на 0,7 В (на падение напряжения VБЭ)

В отличие от усилительного каскада с общим эмиттером из предыдущего раздела, схема с общим коллектором создает выходное напряжение в прямой, а не в обратной пропорции к возрастающему входному напряжению. Смотрите рисунок выше. По мере увеличения входного напряжения увеличивается и выходное напряжение. Более того, тщательный анализ показывает, что выходное напряжение почти идентично входному, отставая от него примерно на 0,7 вольта.

Это уникальная особенность усилительного каскада с общим коллектором: выходное напряжение, которое почти равно входному напряжению. При рассмотрении с точки зрения изменения выходного напряжения для заданного изменения величины входного напряжения, этот усилитель имеет коэффициент усиления по напряжению, равный почти единице (1), или 0 дБ. Это справедливо для транзисторов с любым значением β и для любых сопротивлений нагрузки.

Понять, почему выходное напряжение в схеме с общим коллектором всегда почти равно входному напряжению, очень просто. Обратившись к модели транзистора на базе диода и источника тока (рисунок ниже), мы увидим, что ток базы должен протекать через PN-переход база-эмиттер, который эквивалентен обычному выпрямляющему диоду. Если этот переход смещен в прямом направлении (транзистор проводит ток в активном режиме или режиме насыщения), падение напряжения на нем будет равно примерно 0,7 вольта (предполагаем, что транзистор кремниевый). Это падение 0,7 вольта во многом не зависит от реальной величины тока базы; таким образом, мы можем считать его постоянным.

Эмиттерный повторитель: напряжение на эмиттере повторяет напряжение на базе (меньше на величину падения напряжения база-эмиттер, 0,7 вольта) Эмиттерный повторитель: напряжение на эмиттере повторяет напряжение на базе (меньше на величину падения напряжения база-эмиттер, 0,7 вольта) (стрелками показаны направления движения потоков электронов)

Учитывая полярности напряжений на PN-переходе база-эмиттер и на резисторе нагрузки, мы видим, что одни должны складываться вместе, чтобы в соответствии с законом напряжений Кирхгофа равняться входному напряжению. Другими словами, напряжение на нагрузке всегда будет примерно на 0,7 вольта меньше входного напряжения при всех условиях, когда транзистор проводит ток. Отсечка происходит при входном напряжении ниже 0,7 вольта, а насыщение – при входном напряжении выше напряжения батареи (источника питания) плюс 0,7 вольта.

Поэтому схема усилителя с общим коллектором также известна как повторитель напряжения или эмиттерный повторитель, поскольку напряжения на эмиттерной нагрузке почти повторяют напряжения на входе.

Применение схемы с общим коллектором для усиления сигналов переменного напряжения также требует использования «смещения» входного сигнала: постоянное напряжение должно быть добавлено к входному сигналу переменного напряжения, чтобы удерживать транзистор в активном режим в течение всего периода синусоиды входного сигнала. Когда смещение будет добавлено, в результате получится неинвертирующий усилитель, показанный на рисунке ниже.

Усилительный каскад с общим коллектором (эмиттерный повторитель) Усилительный каскад с общим коллектором (эмиттерный повторитель)

Результаты моделирования SPICE на рисунке ниже показывают, что выходной сигнал повторяет входной. Амплитуда выходного сигнала такая же, как и у входного. Тем не менее, уровень постоянной составляющей смещается вниз на падение напряжения VБЭ.

Схема каскада с общим коллектором (эмиттерный повторитель): выход V(3) повторяет вход V(1), но ниже на VБЭ = 0,7 вольта Схема каскада с общим коллектором (эмиттерный повторитель): выход V(3) повторяет вход V(1), но ниже на VБЭ = 0,7 вольта

Вот еще один вид схемы (рисунок ниже) с осциллографами, подключенным к нескольким интересным точкам.

Коэффициент усиления по напряжению каскада с общим коллектором равен 1 Коэффициент усиления по напряжению каскада с общим коллектором равен 1

Поскольку эта конфигурация усилителя не обеспечивает никакого усиления по напряжению (на самом деле, коэффициент усиления по напряжению у нее чуть меньше 1), ее единственным усиливающим фактором является ток. Коэффициент усиления по току схемы усилителя с общим эмиттером, рассмотренной в предыдущем разделе, равен β транзистора, поскольку входной ток проходит через базу, а выходной ток (ток нагрузки) – через коллектор, а β – это и есть отношение тока коллектора к току базы. Однако в схеме с общим коллектором нагрузка расположена последовательно с эмиттером, и, следовательно, ток через неё равен току эмиттера. В схеме протекает два тока: ток от эмиттера к коллектору и ток базы. Через нагрузку в этом типе схемы усилителя протекают оба этих тока: ток коллектора плюс ток базы. Это дает коэффициент усиления по току, равный β плюс 1.

Опять же, PNP транзисторы так же можно использовать в схеме с общим коллектором, как и NPN транзисторы. Расчеты усиления одинаковы, равно как и неинвертирование усиленного сигнала. Единственное различие заключается в полярностях напряжений и направлениях токов (рисунок ниже).

PNP версия усилительного каскада с общим коллектором PNP версия усилительного каскада с общим коллектором

Популярное применение усилителя с общим коллектором – стабилизированные источники питания постоянного напряжения, где нестабилизированное (изменяющееся) постоянное напряжение источника фиксируется на заданном уровне для подачи стабилизированного (устойчивого) напряжения на нагрузку. Конечно, стабилитроны уже выполняют эту функцию по стабилизации напряжения (рисунок ниже).

Стабилизатор напряжения на стабилитроне Стабилизатор напряжения на стабилитроне

Однако при использовании этой схемы стабилизатора непосредственно для питания нагрузки величина тока, которая может быть подана на нагрузку, обычно очень сильно ограничена. По сути, эта схема стабилизирует напряжение на нагрузке, поддерживая ток на последовательном резисторе на уровне достаточно высоком, чтобы на нем упало всё избыточное напряжение источника, при этом и стабилитрон, если необходимо, потребляет ток, чтобы напряжение на нем было постоянным. Для сильноточных нагрузок простой стабилизатор напряжения на стабилитроне должен будет пропускать через стабилитрон большой ток, чтобы эффективно стабилизировать напряжение на нагрузке в случае сильных изменений сопротивления нагрузки или напряжения источника.

Одним из популярных способов увеличения допустимой величины тока, подаваемого на нагрузку, в подобных схемах является использование транзистора, включенного по схеме с общим коллектором, для усиления тока нагрузки так, чтобы цепь стабилитрона работала только с той величиной тока, которая необходима для подачи на базу транзистора (рисунок ниже).

Применение схемы с общим коллектором: стабилизатор напряжения Применение схемы с общим коллектором: стабилизатор напряжения (стрелками показаны направления движения потоков электронов)

Есть только одна оговорка: напряжение на нагрузке будет примерно на 0,7 вольта меньше напряжения стабилитрона из-за падения напряжения на PN переходе транзистора база-эмиттера. Так как эта разница в 0,7 вольта довольно постоянна в широком диапазоне токов нагрузки, в реальной схеме стабилитрон может быть выбран с номинальным напряжением на 0,7 вольта выше, чем необходимое выходное напряжение стабилизатора.

Иногда в конкретном приложении со схемой с общим коллектором бывает недостаточно высокого коэффициента усиления по току одиночного транзистора. Если это так, то несколько транзисторов могут быть объединены в популярную схему, известную как пара Дарлингтона, являющуюся просто расширением концепции схемы с общим коллектором (рисунок ниже).

NPN пара Дарлингтона NPN пара Дарлингтона

Пары Дарлингтона, по сути, ставят один транзистор в качестве нагрузки другого транзистора по схеме с общим коллектором, тем самым перемножая их собственные коэффициенты усиления по току. Ток базы верхнего левого транзистора усиливается на эмиттере этого транзистора, который напрямую соединен с базой нижнего правого транзистора, где ток снова усиливается. Общий коэффициент усиления по току выглядит следующим образом:

Коэффициент усиления по току пары Дарлингтона:

\[A_I = (\beta_1 + 1)(\beta_2 + 1)\]

  • β1 – бета первого транзистора;
  • β2 – бета второго транзистора;

Если вся сборка включена по схеме с общим коллектором, коэффициент усиления по напряжению по-прежнему равен почти 1, хотя напряжение на нагрузке будет на 1,4 вольта меньше входного напряжения (рисунок ниже).

В схеме усилителя с общим коллектором на паре Дарлингтона теряется удвоенное напряжение VБЭ, падение напряжение на PN переходах В схеме усилителя с общим коллектором на паре Дарлингтона теряется удвоенное напряжение VБЭ, падение напряжение на PN переходах

Пары Дарлингтона могут быть приобретены как отдельные устройства (два транзистора в одном корпусе) или могут быть собраны из пары отдельных транзисторов. Конечно, если требуется еще большее усиление по току, чем то, что может быть получено на паре, можно собрать и триплет, и квадруплет Дарлингтона.

Источник

Типовые усилительные каскады

date image2015-04-01
views image20643

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Каскад с общим эмиттером

Усилительные каскады, в которых транзистор включен по схеме с ОЭ, наиболее часто применяются в качестве предварительных каскадов усилителей, а также в качестве выходных каскадов в усилителях малой мощности. Этому способствует то, что каскад с ОЭ характеризуется наибольшими значениями коэффициентов усиления напряжения, тока и мощности по сравнению со схемами включения транзистора с ОК и ОБ.

Читайте также:  От чего зависит сила индукционного тока возникающая при изменении магнитного поля

Типовая схема усилительного каскада на биполярном транзисторе с ОЭ (с нагрузкой, включенной в коллекторную цепь транзистора) приведена на рисунке 2.30. Назначение большинства элементов схемы изложено в подразделе 2.5, а блокировочного конденсатора Сб – в подразделе 2.6.

Входное переменное напряжение подается на базу транзистора через разделительный конденсатор Ср1. С выхода усилителя в нагрузку с сопротивлением Rн усиленное переменное напряжение подается через разделительный конденсатор Ср2.

Все конденсаторы в схеме выбирают таким образом, чтобы для переменного тока их сопротивление на частотах в пределах полосы пропускания усилителя было незначительным.

Для определения основных параметров усилительного каскада, собранного по схеме с ОЭ, воспользуемся его эквивалентной схемой в области средних частот, когда параметры всех элементов схемы имеют только действительные значения (рисунок 2.31).


Рисунок 2.31 – Эквивалентная схема каскада с ОЭ для области средних частот

Используя эквивалентную схему, запишем аналитические выражения для определения основных параметров усилительного каскада на средних частотах (в пределах полосы пропускания): KU, KI, Rвх и Rвых.

Если не учитывать внутреннее сопротивление источника сигнала Rг, то входное сопротивление каскада с ОЭ на переменном токе будет определяться параллельным соединением резисторов базового делителя R1, R2 и входного сопротивления транзистора h11Э.

Таким образом, можно записать:

Для нахождения входного сопротивления транзистора h11Э можно воспользоваться формулой:

где – дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода, зависящее от тока эмиттера;

– омическое сопротивление базовой области транзистора;

h21Э = bст – статический коэффициент передачи тока базы транзистора, численное значение которого для транзисторов разных типов приводится в справочной литературе.

Обычно входное сопротивление транзистора h11Э и сопротивление резистора R2 составляют сотни ом – единицы килоом. Следовательно, входное сопротивление каскада с ОЭ является относительно низким.

Выходное сопротивление каскада с ОЭ на переменном токе определяется параллельным соединением резисторов Rк, Rн и выходного сопротивления транзистора, то есть

Выходное сопротивление транзистора на практике составляет десятки – сотни килоом, сопротивление резистора Rк – сотни ом – единицы килоом. Поэтому для выполнения примерного равенства (2.61) должно выполняться неравенство Rн >> Rк.

Коэффициент усиления напряжения каскада определяется выражением

где RК экв – эквивалентное сопротивление коллекторной нагрузки транзистора на переменном токе, которое может быть определено по формуле

Коэффициент усиления тока каскада равен:

Проанализируем работу каскада в области низких (НЧ) и высоких (ВЧ) частот (рисунок 2.32).

Рисунок 2.32 – АЧХ усилительного каскада

В области низких частот необходимо учитывать влияние на коэффициент усиления каскада сопротивления разделительных конденсаторов Ср1 и Ср2, а также блокировочного конденсатора Сб.

Для оценки частотных свойств каскада используем комплексный коэффициент усиления напряжения, который в области низких частот будет иметь вид

В выражении (2.65) буквами и обозначены входное комплексное сопротивление каскада и комплексное сопротивление нагрузки. Комплексный характер данных сопротивлений обусловлен наличием разделительных Ср1, Ср2 и блокировочного Сб конденсаторов. С учетом наличия этих конденсаторов, полагая, что Сб >> Ср, для коэффициента усиления напряжения можно получить выражение

где KU – коэффициент усиления каскада на средних частотах (рисунок 2.32);

w – значение текущей угловой частоты от 0 до wн.

Как видно из рисунка, в области низких частот имеет место спад АЧХ (уменьшение коэффициента усиления напряжения), обусловленный наличием разделительных и блокировочного конденсаторов. Для определения нижней граничной частоты полосы пропускания усилителя можно воспользоваться выражением

С учетом усилительных свойств транзистора емкость блокировочного конденсатора Cб должна быть приблизительно в h21Э раз больше, чем емкости разделительных конденсаторов Ср1 и Ср2, то есть Сб » Cр×h21э (на практике Сб выбирают емкостью сотни микрофарад).

Рассмотрим работу резисторного каскада в области высоких частот. На частотах, превышающих wн, сопротивлением разделительных и блокировочных конденсаторов можно пренебречь. Однако на этих частотах существенную роль на усилительные свойства каскада оказывает емкость коллекторного перехода СК. С учетом этого выражение для коэффициента усиления каскада в области ВЧ можно записать в виде

tвн = СК(Rк // Rн) – постоянная времени, учитывающая влияние нагрузки, где СК = 1 . 80 пФ и зависит от типа транзистора;

tвVT = 0,05-5 микросекунд – постояннаявремени, учитывающая частотные свойства транзистора;

w – значение текущей угловой частоты от wв до ¥.

Верхнюю граничную частоту полосы пропускания усилителя wв (рисунок 2.32) можно найти из выражения

Из анализа каскада с ОЭ можно сделать ряд выводов:

— усилительный каскад с ОЭ позволяет получить высокий коэффициент усиления напряжения и тока (а, следовательно, и мощности);

— каскад имеет относительно небольшое входное и, наоборот, относительно большое выходное сопротивления (это можно отнести к недостаткам усилителя с ОЭ);

— в пределах полосы пропускания каскад обеспечивает изменение фазы сигнала на 180°;

— ширина полосы пропускания усилителя существенно зависит от правильного выбора емкости разделительных и блокировочных конденсаторов (область НЧ), а также от частотных свойств транзистора (область ВЧ).

Каскад с общей базой

Усилительный каскад с общей базой носит название повторителя тока. Повторителем тока называют усилитель с коэффициентом усиления по току KI = 1. Повторители тока, не обеспечивая усиления по току, имеют достаточно высокий коэффициент усиления по напряжению и, следовательно, по мощности. Типовая схема повторителя тока на биполярном транзисторе (каскад с ОБ) приведена на рисунке 2.33.


Рисунок 2.33 – Усилительный каскад с ОБ

Отсутствие усиления тока в усилительном каскаде с ОБ является главным недостатком данной схемы. Поэтому схема с ОБ в каскадах предварительного усиления применяется реже, чем схема с ОЭ. Однако схема с ОБ обладает и рядом преимуществ. Во-первых, каскад с ОБне инвертирует входного сигнала (то есть в пределах полосы пропускания фазы сигналов на входе и выходе усилителя совпадают). Во-вторых, ширина полосы пропускания в каскаде с ОБ больше, чем в каскаде с ОЭ (за счет расширения в область ВЧ).

Эквивалентная схема каскада с ОБ представлена на рисунке 2.34. Воспользуемся этой схемой для составления математических соотношений, позволяющих определять основные параметры каскада с ОБ.


Рисунок 2.34 – Эквивалентная схема каскада с ОБ для области средних частот

Входное сопротивление каскада равно:

где h21Б – коэффициент передачи тока со входа на выход транзистора в схеме с ОБ (h21Б = aст = 0,95 … 0,998).

Значения дифференциального сопротивления эмиттерной области rЭ, как правило, не превышают несколько десятков ом, поэтому входное сопротивление каскада с ОБ, как минимум в (1 + h21Э) раз, меньше, чем каскада с ОЭ.

Выходное сопротивление каскада такое же, как и в каскаде с ОЭ (то есть определяется выражением (2.61)):

Коэффициент усиления напряжения каскада с ОБ в области средних частот равен

Из выражения (2.72) следует, что поскольку aст > Rн коэффициент усиления тока KI » aст. Из выражения (2.73) следует, что в каскаде с ОБ коэффициент усиления тока всегда меньше единицы.

Как видно из схемы (рисунок 2.33), каскад охвачен глубокой отрицательной обратной связью по току, поскольку выходной коллекторный ток полностью протекает через входную эмиттерную цепь. Благодаря этому повторитель тока по схеме с общей базой имеет очень низкое входное сопротивление, практически равное rЭ.

Низкоомный вход повторителя тока по схеме с общей базой имеет ряд преимуществ:

— уменьшаются частотные искажения, связанные с наличием входной емкости каскада;

— более эффективно используется источник сигнала, который практически работает в режиме короткого замыкания;

— глубокая отрицательная обратная связь приводит к увеличению выходного сопротивления и снижению выходной емкости;

— нейтрализуется паразитная обратная связь через проходную емкость СКБ;

— входной сигнал передается на выход без изменения фазы.

Каскад с общим коллектором

Каскад, в котором транзистор включен по схеме с ОК, еще известен как эмиттерный повторитель (повторитель напряжения). Эмиттерным повторителем называется усилительный каскад, охваченный 100% последовательной ООС по напряжению. Типовая схема эмиттерного повторителя приведена на рисунке 2.35.


Рисунок 2.35 – Усилительный каскад с ОК

В схеме с ОК назначение элементов R1, R2, Cp1 и Cp2 то же, что и в схеме с ОЭ. Резистор Rэ выполняет одновременно роль нагрузки в выходной цепи транзистора и элемента ООС по напряжению.

Наличие 100%-ной ООС по напряжению означает, что в эмиттерном повторителе выходной сигнал и сигнал обратной связи равны.

В отличие от усилителя по схеме с общим эмиттером, схема с общим коллектором не инвертирует входной сигнал. Действительно, если ко входу эмиттерного повторителя приложить увеличивающееся по уровню напряжение, то это приведет к увеличению базового, а, соответственно, и эмиттерного тока транзистора. В результате этого будет увеличиваться падение напряжения на сопротивлении нагрузки каскада и, соответственно, его выходное напряжение. Таким образом, входной и выходной сигналы в схеме будут изменяться в фазе.

Эквивалентная схема каскада с ОК представлена на рисунке 2.36. Воспользуемся схемой и получим математические соотношения для расчета основных параметров каскада.


Рисунок 2.36 – Эквивалентная схема повторителя напряжения для области средних частот

Обозначим через Rэкв сопротивление в выходной цепи каскада: . Тогда входное сопротивление каскада с ОК равно

Если Rэ > Rвх. Поэтому на практике приходится либо использовать непосредственную связь с источником сигнала (без делителя), либо искусственно повышать сопротивление цепи смещения за счет введения отрицательной ОС.

Выходное сопротивление каскада можно найти, используя выражение:

В частном случае при достаточно большом значении коэффициента передачи тока базы и низкоомном источнике входного сигнала можно полагать

Поскольку дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода rЭ сильно зависит от тока эмиттера iЭ, то с увеличением тока эмиттера сопротивление rЭ существенно уменьшается и, соответственно, существенно уменьшается Rвых. В используемых на практике каскадах повторителей напряжения, как правило, Rвых = 100 . 200 Ом.

Читайте также:  Что такое ток прг

Коэффициент усиления напряжения каскада найдем с учетом того, что rЭ > Rн, при выполнении условия Rн > Rэ выражение (2.78) можно записать в виде

Анализ выражения (2.79) показывает, что коэффициент усиления напряжения каскада с ОЭ всегда меньше единицы. В реальных схемах эмиттерных повторителей наибольшее значение коэффициента усиления может достигать значений KU = 0,9 . 0,9995.

Коэффициент усиления тока в каскаде с ОК может быть найден с учетом допущений: rЭ > Rэ÷çRн. При этом выражение для коэффициента усиления тока примет вид

Как видно из (2.80), коэффициент усиления тока каскада с ОК значительно больше единицы, но меньше, чем каскада с ОЭ при использовании того же транзистора. За счет большого усиления по току в каскаде с ОК обеспечивается усиление мощности.

Частотные свойства эмиттерного повторителя полностью определяются частотными свойствами применяемого транзистора и емкостью разделительных конденсаторов. Благодаря наличию 100 %-ой ООС каскад с ОК является более высокочастотным, по сравнению с каскадом с ОЭ.

Таким образом, усилительный каскад с ОК характеризуется следующими параметрами:

высоким входным и низким выходным сопротивлением;

— коэффициент усиления напряжения меньше единицы;

— коэффициентом усиления тока почти таким же, как и в схеме с ОЭ;

— полосой пропускания большей, чем в каскаде с ОЭ (за счет расширения в область НЧ).

Одним из достоинств эмиттерного повторителя является то, что амплитуда входного сигнала для режима класса А может достигать половины напряжения источника питания, не приводя к искажению выходного сигнала. Данное свойство и низкое выходное сопротивление и определили их применение в качестве согласующих (буферных) каскадов.

Источник

Схемотехника усилителей: Типовой усилительный каскад на биполярном транзисторе по схеме с ОБ и его анализ

Cхема усилительного каскада на биполярном транзисторе \(n\)-\(p\)-\(n\)-типа во включении с общей базой (ОБ) показана на рис. 5.21 (для транзистора \(p\)-\(n\)-\(p\)-типа все останется прежним, только полярность источника питания, а соответственно, и направления токов изменятся на противоположные). Полная эквивалентная схема для переменных составляющих токов и напряжений в рабочем диапазоне частот для данного каскада имеет вид, представленный на рис. 5.22. Опираясь на эту эквивалентную схему, мы можем провести подробный анализ работы усилительного каскада с ОБ в режиме малого переменного сигнала и вывести выражения для вычисления его основных характеристик.

Схема усилительного каскада с ОБ

Рис. 5.21. Схема усилительного каскада с ОБ

Эквивалентная схема каскада с ОБ

Рис. 5.22. Эквивалентная схема каскада с ОБ

Входное сопротивление (\(R_<вх>\)) эквивалентной схемы на рис. 5.22 определяется параллельным включением резистора \(R_Э\) в цепи эмиттера и входного сопротивления транзистора \(r_<вх>\):

Уравнение Кирхгофа для переменного сигнала в точке Э (эмиттер транзистора \(VT1\)) имеет вид:

\( _\sim = _\sim r_э + _\sim r_б = _\sim r_э + _\sim \left( 1 — \alpha \right) r_б \).

\( r_ <вх>= r_э + \left( 1 — \alpha \right) r_б \approx r_э\). (5.19)

Сравнивая полученное выражение с формулой (5.1), отражающей входное сопротивление транзистора при включении с ОЭ, можно видеть, что во включении с ОБ этот же транзистор (при сохранении неизменными значений всех прочих элементов схемы) иногда имеет более чем на порядок меньшее входное сопротивление.

Может показаться, что низкое входное сопротивление предопределяет малую эффективность усилительного каскада с ОБ. Однако это верно лишь отчасти. Действительно, на низких частотах, когда важнейшим параметром усилителя является его КПД, малое входное сопротивление может создать некоторые проблемы, но в высокочастотных каскадах, где большее значение имеет не КПД, а коэффициент передачи мощности (определяется качеством согласования выходного и входного импедансов сопрягаемых каскадов), входное сопротивление усилительного каскада с ОБ обычно оказывается именно в тех пределах (20. 100 Ом), которые и необходимы для оптимального режима работы.

Кроме того, отметим, что высокий входной ток усилительного каскада с ОБ обусловливает еще одно несколько нестандартное применение данного вида включения транзистора. Речь идет об использовании каскадов с ОБ в качестве динамической нагрузки различных схем. Подключая такую нагрузку, иногда можно значительно улучшить параметры усилителей, построенных по схеме с ОЭ или с ОК.

Выходное сопротивление (\(R_<вых>\)) эквивалентной схемы на рис. 5.22 определяется при отключенной нагрузке по переменному току \(R_Н\) и в режиме холостого хода на входе, т.е. при \(_\sim = 0\):

\( R_ <вых>= R_К || \left( r_к + r_б \right) \approx R_К \). (5.20)

Вернемся теперь к формуле (5.2), выражающей выходное сопротивление усилительного каскада с ОЭ. Учитывая, что значение дифференциального сопротивления rк коллекторной области транзистора в схеме с ОБ значительно выше этого же значения в схеме с ОЭ \(r_к^* \approx \cfrac<\beta + 1>\), а величина сопротивления \(R_К\) обычно по порядку близка к \(r_к^*\), полное выходное сопротивления усилительного каскада, построенного по схеме с ОБ, оказывается в 1,5. 2 раза выше аналогичного показателя каскада с ОЭ. Это означает, что в низкочастотных усилителях при использовании схемы с ОБ мы сталкиваемся с проблемой некоторого падения КПД, а при построении высокочастотных усилителей по схеме с ОБ на их выходе неизбежно должны включаться цепи согласования, обеспечивающие оптимальную передачу полезной мощности сигнала в последующий каскад, имеющий низкое входное сопротивление.

Коэффициент усиления по току (\(_\sim\)) находится как отношение токов выходной и входной цепей. Таким образом, сначала необходимо найти общие выражения для этих токов.

Подобно схеме с ОЭ, входной ток в схеме с ОБ также содержит две составляющие:

\(_\sim\) — ток в резисторе RЭ, определяющий часть мощности входного сигнала, рассеиваемой этим резистором;

\(_\sim\) — ток эмиттера, определяющий часть мощности входного сигнала, затрачиваемой на управление выходным током.

\( _\sim R_Э = _\sim r_ <вх>\Rightarrow \cfrac<_\sim ><_\sim> = \cfrac> \Rightarrow _\sim = _\sim \cfrac> \);

И далее получаем:

где \( \gamma_ <вх>= \cfrac> \) — коэффициент передачи тока входной цепи.

Выходная цепь оценивается аналогично:

где \( \gamma_ <вых>= \cfrac \) — коэффициент передачи тока выходной цепи.

И далее, коэффициент усиления по току для каскада с ОБ выражается следующим образом:

\( _\sim = \cfrac<_\sim><>_\sim> = \gamma_ <вых>\gamma_ <вх>\cfrac<_\sim><_\sim> = \gamma_ <вых>\gamma_ <вх>\alpha \). (5.21)

Учитывая, что дифференциальный коэффициент передачи тока эмиттера a всегда меньше единицы, приходим к выводу, что общий коэффициент усиления по току в схеме с ОБ в любом случае также оказывается меньше единицы. Данное свойство практически исключает возможность построения многокаскадных усилителей только лишь на базе схемы с ОБ (кроме случаев применения трансформаторов в межкаскадных связях). Т.е., когда мы используем усилитель с ОБ, то всегда должны следить за тем, чтобы сигнальный ток не падал ниже допустимых пределов. Это, как правило, обеспечивается включением каскада с ОЭ или с ОК последовательно (перед или после) с усилителем с ОБ.

Коэффициент усиления по напряжению (\(_\sim\)) равен отношению выходного напряжения (напряжения на нагрузке) к входному напряжению (напряжению источника сигнала).

\( _\sim = _\sim R_Н = \alpha _\sim R_ <КН>\) , где \(R_ <КН>= R_К || R_Н\).

Из формулы (5.22) следует несколько очевидных заключений.

Источник



Коэффициент усиления по току усилительного каскада

Типовые схемы и основные показатели каскадов усиления

Дата распечатки 27.04.2021 09:50

Усилительные свойства биполярного транзистора обусловлены тем, что слабый ток Iб, протекающий в промежутке база-эмиттер транзистора, управляет во много раз большим током Iк, протекающим в промежутке эмиттер-коллектор, или близким нему (по значению) током в цепи эмиттера Iэ=Iк+Iб. Обычно источник сигнала подлежащего усилению, подключается ко входным электродам «база» и «эмиттер», нагрузку Rн в выходной цепи присоединяют так, чтобы через нее протекал ток Iк или Iэ, не превышающий допустимого тока Iк доп (рис 1a,б). Для нормальной работы транзистора необходимо подать на его электроды начальное напряжение постоянного тока соответствующей полярности. Относительно эмиттера оно должно составлять на базе около 0,15—0,25 В (для германиевых транзисторов) и 0,6—0,7 В (для кремниевых), а на коллекторе — не превышать напряжения Uкэ.доп. В отмеченных условиях транзистор в общем случае обладает способностью усиливать напряжение, ток и мощность. Предельные значения параметров Uк.доп и Uкэ.доп, а также максимально допустимой рассеиваемой на коллекторе мощности Рк.доп, обычно приводятся в справочниках.

У полевого транзистора (ПТ) управление током истока или равным ему током стока осуществляется напряжением источника сигнала, приложенным к промежутку затвор—исток или затвор—сток. При включении нагрузки в цепь, по которой протекает ток истока, у ПТ, как и у БТ, создается возможность усиливать напряжение, ток и мощность.

В каскаде усиления сигналов транзистор подключается к остальным цепям с помощью трех выводов. Один из них, как правило, общий для входной и выходной цепей усилителя. Смотря по тому, какой вывод является общим, различают типовые схемы включения транзистора в усилительный каскад. Применяются три схемы включения: с общим эмиттером (ОЭ), с общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК)—для БТ и аналогично с общим истоком (ОИ), общим затвором (ОЗ) и общим стоком—для ПТ. Обычно параметры БТ соответственно способам его включения принято помечать дополнительным индексом «Э», «Б», «К». Поскольку наиболее распространена схема с ОЭ, то для упрощения в дальнейшем тексте в большинстве случаев индекс «Э» опускается.

Усилительные свойства каскадов чаще всего характеризуются следующими основными показателями: способностью поворачивать фазу выходного сигнала относительно входного на 180° (инвертирующий каскад) или оставлять ее неизменной (неинвертирующий каскад); значениями коэффициента усиления по напряжению, по току и по мощности; значениями входного и выходного сопротивлений; формой амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик; уровнем нелинейных искажений.

Читайте также:  Что из себя представляет двигатель постоянного тока

Определим эти характеристики и параметры усилительного каскада для малых сигналов при различных способах включения АЭ.

Наиболее распространенная схема резисторного каскада с ОЭ приведена на рис. 2. Входное напряжение здесь приложено к выводам базы и эмиттера, а выходное напряжение снимается с коллектора и эмиттера; входным током являетсятся ток базы, а выходным — ток коллектора.

При подаче на базу n-p-n транзистора переменного напряжения Uс полное напряжение на базе (при мгновенной положительной полярности сигнала) Uc+Eбэ увеличивается. Это приводит к возрастанию коллекторного тока и напряжения на сопротивлении нагрузки Rн. Следовательно, напряжение на коллекторе, равное E0-IкRн, уменьшается. Это указывает на то, что фаза выходного напряжения Uвых противоположна фазе напряжения Uс. Отсюда следует, что каскад с ОЭ и аналогичный ему каскад с ОИ являются инвертирующими.

Коэффициент усиления по току Кт каскада с ОЭ в режиме короткого замыкания выходных зажимов, т. е. при Rн=0, Кт=Iк/Iб=h21, где h21—коэффициент передачи тока базы при Rн=0; он приводится в справочных данных параметров транзисторов и составляет десятки, иногда сотни единиц.

Если Rн не равен нулю, то для любого Rн коэффициент усиления по току (динамический)

где Rвых — выходное сопротивление транзистора при обрыве входной цепи (режим холостого хода на входе).

Наибольший коэффициент усиления по току в каскаде с ОЭ Кт.д=h21 получается в режиме короткого замыкания выходных зажимов; при Rн, стремящемся к бесконечности (режим холостого хода) .Кт.д→0.

При любом сопротивлении нагрузки коэффициент усиления по напряжению:

где Rвх — входное сопротивление транзистора при короткозамкнутом выходе, равное 1/39 Iб или, с учетом того, что Iб=Iк/Kт, Kт/39 Iк, где Iк — в миллиамперах;

для ПТ (при выполнении условия Rвых>>Rн)

(1)

где S — крутизна характеристики ПТ.

При Rн=0 также и К=0, а при Rн→∞ теоретически (при сделанных допущениях) К→∞. Практически К можно получить от нескольких десятков до нескольких сотен единиц.

При оценке усилительных свойств каскада в установившемся режиме работы представляет интерес определение отношения его выходного напряжения Uвых к напряжению источника внешнего сигнала Еи, поступающего на вход каскада, т. е. так называемый сквозной коэффициент усиления Кскв. Этот показатель наиболее полно характеризует усилительные свойства каскада, так как учитывает ослабление внешнего сигнала, возникающее при передаче его во входную цепь усилителя из-за того, что внутреннее сопротивление источника сигнала Rи не равно 0. По определению

(2)

где Uвх — напряжение сигнала на входе усилительного каскада.

Отношение Uвх/Еи, показывающее ослабление сигнала во входной цепи каскада, определяется выражением:

где Rвх— входное сопротивление усилительного каскада.

Для каскада с БТ оно чаще всего равно входному сопротивлению транзистора. В усилителях на ПТ входное сопротивление каскада с ОИ (обычно равное сопротивлению резистора, включаемого во входную цепь для обеспечения режима работы каскада по постоянному току) значительно превышает Rи и, как следствие, Uвх=Eи (или а=1) и Кскв=К. Для усилителей на БТ Кскв всегда меньше К.

Таким образом, каскад с ОЭ, обладая способностью усиливать напряжение и ток, позволяет получить значительный коэффициент усиления по мощности:

Его значение достигает нескольких тысяч и даже десятков тысяч единиц.

Входное сопротивление Rвх БТ, как это было сказано при определении К каскада с ОЭ, равно

где h11—входное сопротивление транзистора при короткозамкнутом выходе. У маломощных БТ оно составляет несколько сотен ом, а у мощных—менее 10 Ом. Полевые транзисторы имеют входное сопротивление 10 6 —10 12 Ом.

Выходное сопротивление Rвых транзистора в каскаде с ОЭ можно определить приближенно по формуле Rвыx=Uвых/Iк=1/h22, где h22 — выходная проводимость при разомкнутом входе, значение которой приводится в справочниках параметров транзисторов.

У маломощных БТ выходное сопротивление составляет несколько десятков килоом. Выходное сопротивление ПТ в режиме насыщения или (что то же) его внутреннее сопротивление переменному току Ri равно нескольким сотням килоом. Так как оно обычно значительно превышает сопротивление нагрузки, то для определения коэффициента усиления по напряжению необходимо знать лишь крутизну характеристики, которая и приводится в справочниках.

Выходное сопротивление АЭ не следует путать с выходным сопротивлением усилительного каскада. Последнее равно сопротивлению R’вых параллельно соединенных Rвых и Rн. В многокаскадных усилителях это сопротивление служит сопротивлением источника сигнала Rи для последующего каскада.

Амплитудно-частотная характеристика позволяет определить полосу пропускания усилителя. Ограничение полосы пропускания усилителя со стороны высоких частот f’в обусловлено в основном двумя причинами: инерционностью физических процессов, происходящих в транзисторе, и шунтирующим действием проходных (между выводами транзистора) емкостей, в частности, коллекторного перехода Ск в БТ и емкости Сзс в ПТ.

В каскадах на БТ коэффициент Кт и, следовательно, h21 с повышением частоты уменьшаются и становятся равными единице на частоте fт, характеризующей предельную частоту усиления тока. Другим параметром, ограничивающим верхний предел полосы пропускания, является параметр fh21. Это—верхняя граничная частота, на которой значение h21 в 1,41 раз меньше (или составляет 0,707) своего номинального значения, взятого вблизи нулевой частоты. Эти параметры связаны между собой следующим соотношением: fh21=fт/h21. Иногда в справочных таблицах вместо fт или fh21 приводится минимальное значение h’21 на частоте f’, много большей fh21. Тогда fт определяется по формуле: fт=h’21 f’. Для ПТ fт можно определить по следующей формуле: fт=S/2πСзс.

Следует отметать, что значения fт, fh21, h’21 определяются при Rн=0. Если Rн не равно 0, то на f’в сказывается влияние емкости коллекторного перехода Ск. Хотя емкость Ск обычно во много раз меньше емкости база — эмиттер Сбэ, но при Rн>0 благодаря действию возникающей ООС по напряжению между коллектором и базой часть входной емкости каскада, вносимой транзистором, воз­растает со значения (Сбэ+Ск) (при Rн=0) до значения Свх.ос=Сбэ+(1+К)Ск, т. е. приблизительно в КСк/Cбэ раз.

Таким образом, при выборе транзистора с fт, больше заданной f’в, ограничение последней, например в резисторных усилителях звуковых и видеочастот, может наступить из-за большой емкости Свх.ос, включенной параллельно входному сопротивлению каскада, как это обычно представляется эквивалентной схемой транзистора в области высоких частот. То же ограничение практичес­ки наблюдается и в каскадах усиления с ОИ на ПТ. Для них (по аналогии с ВТ) Cвх.oc=Cзи+(1+К)Сзс и возрастает в КСзс/Сзи раз. В справочниках приведены значения входной емкости С11и=Сзи+Сзс, измеренной между затвором и истоком при коротком замыкании по переменному току на выходе в схеме с ОИ.

В каскаде с ОБ напряжение приложено к эмиттеру и базе, а выходное напряжение снимается с коллектора и базы (рис. 3). Каскад является неинвертирующим.

Работу каскада с ОБ как усилителя легче понять, если представить его как каскад с ОЭ, охваченный 100%-ной параллельной ООС по току. Поскольку здесь нет делителя тока, то весь выходной ток Iк протекает и во входной цепи, т. е. коэффициент передачи тока по цепи ОС βт=1.

Такое представление дает возможность определить параметры каскада с ОБ через параметры каскада с ОЭ с учетом действия ОС.

При любом сопротивлении нагрузки коэффициент усиления по току каскада с ОБ

(3)

Из (3) видно, что при Rн=0 коэффициент Kт.д становится максимальным, но меньшим единицы, а при увеличении Rн до бесконечно большого значения он убывает до нуля. Следовательно, такой каскад не дает усиления тока, а наоборот несколько ослабляет его.

Коэффициент усиления по напряжению Кб каскада с ОБ на единицу больше, чем у каскада с ОЭ (при равных параметрах транзистора и Rн):

Соответственно для каскада с общим затвором на ПТ коэффициент усиления напряжения

Коэффициент усиления по мощности каскада с ОБ

(4)

В схеме с ОБ коэффициент усиления мощности Крб больше, чем в схеме с ОЭ.

Входное сопротивление транзистора

достаточно мало вследствие потребления большого тока от источника сигнала, и практически не зависит от Rн. Оно существенно меньше, чем входное сопротивление транзистора в каскаде с ОЭ: у маломощных транзисторов Rвх.б составляет несколько десятков Ом, а у мощных — меньше 1 Ом.

При включении ПТ по схеме с ОЗ входное сопротивленяе Rвх.з=1/S.

Выходное сопротивление каскада с ОБ несколько больше, чем у каскада с ОЭ:

Выходное сопротивление каскада с ОЭ

Значение верхней границы полосы пропускания f’в каскада с ОБ и каскада с ОЗ наибольшее по сравнению с другими схемами и приближается к fт. С увеличением Rи (при Rвх=const) действие ООС усиливается, что способствует расширению полосы пропускания, верхнюю границу которой можно принять равной fт.

В каскаде с ОК (рис. 4) входное напряжение приложено к базе и коллектоpy, а выходное снимается с эмиттера и коллектора. Этот и аналогичный ему каскад с общим стоком являются неинвертирующими. Его так же как и каскад с ОБ можно представить в виде усилительного каскада с ОЭ, охваченного 100%-ной последовательной ООС по напряжению. Коэффициент усиления по току каскада с ОК Кт.д к=1+Кт.д. Он всегда превышает единицу и максимален при Rн=0. Коэффициент усиления по напряжению

(5)

каскада с общим стоком

(6)

Из формул (5) и (6) следует, что такие каскады не способны усиливать напряжение.

Так как Кк=1, а Кт.д к>>1, то для БТ коэффициент усиления по мощности Крк каскада с ОК может быть больше единицы. Определим его как

Входное сопротивление БТ в каскаде с ОК

(7)

Оно сравнительно велико и заметно превышает Rвх каскада с ОЭ, при условии, что Rн не слишком мало.

Входное сопротивление ПТ в каскаде с общим стоком очень велико, значительно больше, чем для каскада с ОИ.

Источник