Работа каскада с ОЭ по переменному току

Рассмотрим работу каскада по переменному току в режиме холостого хода, т.е. R_н = ∞. Напряжение синусоидального входного сигнала (рис. 6.23) подают на участок «база – эмиттер» транзистора, через разделительный конденсатор С_р1, что создает пульсацию тока базы относительно постоянной составляющей I_бп. Изменение тока базы вызывает соответствующее изменение тока коллектора (I_к), протекающего по сопротивлению нагрузки R_к (i_к~ = β·i_б~ ). Переменная составляющая тока коллектора (I_к~) создает на сопротивлении R_к усиленное по амплитуде напряжение, при этом появляется на выходе cхемы напряжение U_кэ~ = U_вых.

Увеличение входного напряжения вызывает увеличение тока базы (I_б), увеличение тока коллектора (I_к) и уменьшение напряжения U_кэ, т.е. каскад с ОЭ осуществляет инверсию напряжения, выходной сигнал находится в противофазе к входному. Это обусловлено подключением нагрузки R_н параллельно транзистору, на сопротивлении R_к сигнал синфазен входному. Несмотря на сдвиг фаз между выходным (U_вых) и входным (U_вх) напряжениями, в рабочем диапазоне частот не возникает фазовых искажений, так как все гармоники сдвигаются на 180º и форма выходного сигнала соответствует входному.

Процесс усиления сигнала можно пояснить графически с помощью входных и выходных статических характеристик транзистора (рис. 6.24)

Подключим к выходу цепи усилителя сопротивление внешней нагрузки R_н (см. рис. 1.23). Переменная составляющая тока коллектора (I_к~) делится в этом случае на две составляющие: ток через сопротивление (R_к), который далее замыкается через источник питания E_к, и ток нагрузки (I_вых).

Сопротивления R_к и R_н для переменного тока включены параллельно, так как внутреннее сопротивление источника питания по переменному току можно считать равным нулю. Поэтому

U_кэ~= I_к~ = I_к~· R_н.

Линия нагрузки по переменному току идет круче (см. рис. 6.24), так как сопротивление выходной цепи транзистора уменьшилось, и проходит через точку покоя под углом ψ = arctg R_н.

В режиме усиления малых сигналов (в каскадах предварительного усиления) расчет основных динамических параметров можно производить аналитически. В этом случае составляют эквивалентную схему усилительного каскада по переменному току (рис. 6.25).

;                  ;

;

Каскад с ОК

В усилительном каскаде с ОК (рис. 6.26) входной сигнал поступает на базу транзистора по отношению к общей точке, с которым через малое сопротивление источника питания E_к по переменному току соединен коллектор. Выходной сигнал снимается с эмиттера и через разделительный конденсатор C_р2 подается в нагрузку. В схеме действует 100 %-я ООС по напряжению.

Транзистор каскада работает в активном режиме. Сопротивления R₁, R₂ и R_э задают режим покоя каскада. Кроме того, резистор R_э является сопротивлением нагрузки транзистора по постоянному току. Сопротивление нагрузки каскада по переменному току определяется из соотношения:

R_к~ = R_э·R_н / (R_э + R_н).

В отличие от схемы с ОЭ входное и выходное напряжения каскада с ОК совпадают по фазе, при подаче входного сигнала базовый ток увеличивается, вызывая возрастание эмиттерного тока. Это приводит к увеличению падения напряжения на сопротивлении R_э и, следовательно, на сопротивлении нагрузки R_н.

Из схемы (см. рис. 6.26) видно, что

U_вх = U_бэ + U_вых,

так как R_н~ много больше сопротивления эмиттерного перехода (U_вых >> U_бэ). Поэтому K_u = U_вых / U_вх близок к единице, однако меньше ее. Таким образом, в схеме с ОК выходной сигнал повторяет входной по уровню напряжения и по фазе. Поэтому схема с ОК называется «эмиттерный повторитель». Эта схема не обеспечивает усиления по напряжению, но имеет достаточно высокий коэффициент усиления по току и, следовательно, по мощности.

С помощью схемы замещения каскада с ОК (рис. 6.27) довольно просто получить основные параметры усилителя:

;

;

;

;

.

Входное сопротивление достаточно велико (десятки килоом), что является одним из важнейших преимуществ каскада ОК. Выходное сопротивление ЭП небольшое и составляет десятки ом

Таким образом, основными особенностями эмиттерного повторителя являются следующие:

· коэффициент усиления по напряжению меньше единицы;

· усиление по току и мощности больше единицы;

· малые частотные искажения;

· входное сопротивление каскада значительно больше, чем у каскада с ОЭ;

· выходное сопротивление значительно меньше, чем у каскада с ОЭ и практически не зависит от сопротивления резистора выходной цепи каскада в достаточно широком диапазоне его изменения;

· большой динамический диапазон входных сигналов при низком уровне нелинейных искажений, это объясняется тем, что потенциал эмиттера практически повторяет потенциал базы (U_бэ → 0), который может изменяться от 0 до напряжений близких к E_к.

Эмиттерный повторитель широко используется в качестве:

· входного каскада при работе от источника входного сигнала с высоким внутренним сопротивлением;

· промежуточного каскада для согласования высокого выходного сопротивления с малым входным сопротивлением последнего каскада;

· выходного каскада при работе на низкоомную нагрузку.

1.5.5. Усилительный каскад на полевом транзисторе

Усилительный каскад на полевом транзисторе (ПТ) имеет такую же структуру, как и усилительный каскад на биполярном транзисторе (БТ). Отличительными особенностями ПТ являются:

· чрезвычайно малые токи во входной цепи, а следовательно, и малая мощность, необходимая для управления прибором;

· линейная зависимость крутизны от управляющего напряжения, возможность работы в качестве сопротивления, управляемого напряжением;

· наличие термостабильной точки у транзисторов с обратносмещенным переходом затвор-исток;

· повышенная радиационная стойкость;

· малый уровень шумов;

· простота технологии при их производстве.

По аналогии с БТ в зависимости от того, какой электрод подключается к общей шине различают три схемы включения ПТ:

1) с общим истоком (ОИ);

2) с общим стоком (ОС);

3) с общим затвором (ОЗ).

Схема с ОЗ обладает низким входным сопротивлением и потому имеет ограниченное практическое применение. Основным и наиболее распространенным является каскад с ОИ.

Схема с ОИ (рис. 1.28) соответствует схеме с ОЭ для биполярного транзистора, но поскольку входная цепь полевых транзисторов не потребляет тока от источника сигнала входное сопротивление усилителя чрезвычайно велико. В этой схеме емкости C_р1, C_р2 – играют роль разделительных элементов. Сопротивление R_с является нагрузкой ПТ по постоянному току (аналогично сопротивлению R_к в схеме с ОЭ).

В усилителе применено автоматическое смещение. Цепочка R_и C_и в цепи истока служит для получения напряжения автоматического смещения и выбора рабочей точки на стоко-затворной характеристике ПТ.

Падение напряжения на R_и от тока покоя транзистора (I_сп) создает смещение потенциала истока относительно общей точки на величину

U_ип = I_сп R_и,

а потенциал затвора равен нулю, так как падение напряжения от тока затвора на сопротивлении R_з пренебрежимо мало (I_з → 0). В итоге напряжение между затвором и истоком в режиме покоя будет равно:

U_зип = I_сп R_и.

Резистор R_и, кроме функции автоматического смещения на затвор, выполняет также функцию термостабилизации режима покоя. Чтобы исключить ООС по переменному току резистор R­_и шунтируется конденсатором C_и. Для максимальной термостабилизации каскада ток I_cп желательно выбирать в термостабильной точке.

Резистор R₁, на первый взгляд, является лишним, так как делитель R₁ R_З создает смещение на переходе с полярностью, противоположной необходимой. Нужное смещение можно задать лишь с помощью R_З. Однако при замене транзистора вследствие очень большого разброса параметров транзисторов выбранная исходная рабочая точка не сохраняется.

Для стабилизации режима сопротивление в цепи истока (R_и) увеличивают до значения, большего чем необходимо для создания нужного смещения, а излишнее смещение компенсируют с помощью делителя R₁, R_З.

Линия нагрузки графически соответствует уравнению выходной цепи каскада:

U_си = E_с – I_с (R_с + R_и).

Линия нагрузки по переменному току определяется сопротивлением:

R_н~ = R_С ׀׀ R_н.

Но если R_н >> R_с (а это выполняется, когда нагрузкой на ПТ является каскад с ОЭ), в этом случае R_{вых пт} является внутренним сопротивлением источника сигнала, а от его значения зависит коэффициент усиления каскада с ОЭ:

K_{u оэ} = β·R_н~ / (R_вх + R_г).

Обычно задают R_c < 0,1 R_н.

Линия нагрузки по переменному току незначительно отличается от линии нагрузки по постоянному току.

Рассмотрим работу каскада (см. рис. 1.28) по переменному току (рис. 1.29). Входной сигнал (U_вх) поступает на затвор транзистора через разделительный конденсатор C_р1, создает токи I_R1 и I_Rз делителя. При этом в цепи затвора тока практически нет. Под действием входного напряжения изменяется сопротивление транзистора и в токе стока появляется переменная составляющая (I_c~)_, часть которой (I_Rc~), проходит через стоковый резистор R_с, а остальная через резистор нагрузки R_н. При прохождении тока I_c~ через параллельно включенные резисторы R_с и R_н на них образуется выходной усиленный сигнал:

U_вых = I_c~(R_с || R_н).

Основные параметры каскада получим также с помощью эквивалентной схемы для средних частот (рис. 1.30).

По схеме замещения определяются основные параметры каскада по переменному току
:

;       ;

.