Устройство и принцип действия предварительного каскада на транзисторе с ОЭ.

ВВЕДЕНИЕ

Каскад усиления — ступень усилителя, содержащая один или несколько усилительных элементов, цепи нагрузки и связи с предыдущими или последующими ступенями. В качестве усилительных элементов обычно используются электронные лампы или транзисторы (биполярные, полевые) , иногда, в некоторых специальных случаях, могут применяться и двухполюсники, например, туннельные диоды (используется свойство отрицательного сопротивления) и др.

Каскады предварительного усиления

Каскады предварительного усиления предназначены для усиления напряжения или тока источника сигнала (источник сигнала может быть генератором напряжения или тока). В результате такого усиления значение напряжения или тока источника сигнала получается достаточным для нормальной работы оконечного (выходного) каскада. Основные требования к каскадам предварительного усиления: максимальный коэффициент усиления; минимальные частотные, фазовые и переходные искажения.

Особенности работы каскадов предварительного усиления:

1)Коэффициенты усиления напряжения и тока каскадов предварительного усиления можно определять графически и аналитически, используя мало сигнальные параметры усилительных элементов, поскольку эти параметры не зависят от значений приложенных напряжений и токов.

2)Ток покоя I0(п) в каскадах предварительного усиления обычно превышает амплитуду усиленного сигнала. Это значит, что КПД каскада оказывается низким (≤ 25%). Но поскольку потребляемая мощность питания этих каскадов небольшая, то потери энергии в них незначительны.

3)Собственный шум транзистора первого каскада предварительного усиления должен быть минимальным.

Анализ каскадов предварительного усиления можно проводить, используя физические эквивалентные схемы усилительных элементов. Достоинством такой эквивалентной схемы является то, что она наглядно отражает физические свойства усилительного элемента, позволяет проанализировать характеристики и параметры усилительного каскада (частотную характеристику, входное и выходное сопротивление, усиление тока и напряжения).

Каскады предварительного усиления должны иметь малые габаритные размеры и массу, простую схему, обеспечивать равномерное усиление в широком диапазоне частот при минимальных искажениях. Таким требованиям удовлетворяет резисторный каскад.

Усилительный каскад с ОЭ.

Электрическая схема резистивного усилителя приведена на рисунке 1. На входе каскада действуют уси­ливаемые переменные ток iвх и напряжение uвх, поступающие от источника сигнала, а на выходе – усиленные переменные ток iн и напряжение uвых (здесь и далее аргумент t у функций токов и напряжений для упрощения опущен).

Рисунок 1.Схема усилительного каскада с ОЭ.

В этой схеме усилительного каскада конденсаторы С1 и С2 – разделительные. Конденсатор С1 препятствует протеканию постоянного тока от ис­точника питания Ек в цепь источника входного сигнала, что не позволяет шунтировать входную цепь усилительного каскада цепью источника сигнала по постоянному току. Конденсатор С2 обеспечивает выделение из коллекторного тока переменной составляющей, поступающей на резистор нагрузки Rн (в качестве сопротивления нагрузки, как правило, выступает входное сопротивление следующего каскада) и не пропускает постоянную составляющую тока источника питания Ек на базу транзистора следующего каскада. Резисторы базового делителя напряжения R1, R2 задают режим покоя транзистора, при котором в нем протекают только постоянные токи покоя базы Iбп, коллектора Iкп и эмиттера Iэп, а на его базе, коллекторе и эмиттере соответственно действуют постоян­ные напряжения (потенциалы) покоя Uбп, и Uэп. Резистор Rэ составляет цепь последовательной отрицательной обрат­ной связи (ООС) по току, предназначенной для стабилизации режима покоя транзи­стора при изменении его температуры (для термостабилизации).

Устройство и принцип действия предварительного каскада на транзисторе с ОЭ.

Рисунок 2.1 – усилитель с общей базой ОБ

Рисунок 2.2 – усилитель с общим коллектором ОК (эмиттерный повторитель)

Рисунок 2.3 – усилитель с общим эмиттером - ОЭ

Существует множество вариантов выполнения схемы усилительного каскада на транзисторе ОЭ. Это обусловлено главным образом особенностями задания режима покоя каскада. Особенности усилительных каскадов и рассмотрим на примере схемы рис. 3, получившей наибольшее применение при реализации каскада на дискретных компонентах.

Основными элементами схемы являются источник питания , управляемый элемент - транзистор и резистор . Эти элементы образуют главную цепь усилительного каскада, в которой за счет протекания управляемого по цепи базы коллекторного тока создается усиленное переменное напряжение на выходе схемы. Остальные элементы каскада выполняют вспомогательную роль. Конденсаторы , являются разделительными. Конденсатор исключает протекание по входной цепи каскада от цепи источника входного сигнала постоянной составляющей тока, что позволяет, во-первых, исключить протекание постоянного тока через источник входного сигнала по цепи → → и, во-вторых, обеспечить независимость от внутреннего сопротивления этого источника напряжения на базе в режиме покоя. Функция конденсатора сводится к пропусканию в цепь нагрузки переменной составляющей напряжения и задержанию постоянной составляющей.

Рис.3

Резисторы и используются для задания режима покоя каскада. Поскольку биполярный транзистор управляется током, ток покоя управляемого элемента создается заданием соответствующей величины тока базы покоя . Резистор предназначен для создания цепи протекания тока . Совместно с резистор обеспечивает исходное напряжение на базе относительно зажима ”+” источника питания.

Резистор является элементом отрицательной обратной связи, предназначенным для стабилизации режима покоя каскада при изменении температуры. Температурная зависимость параметров режима покоя обусловливается зависимостью коллекторного тока покоя от температуры. Основными причинами такой зависимости являются изменения от температуры начального тока коллектора , напряжения и коэффициента усиления по току транзистора . Температурная нестабильность указанных параметров приводит к прямой зависимости тока от температуры. При отсутствии мер по стабилизации тока , его температурные изменения вызывают изменение режима покоя каскада, что может привести, как будет показано далее, к режиму работы каскада в нелинейной области характеристик транзистора и искажению формы кривой выходного сигнала. Вероятность появления искажений повышается с увеличением амплитуды выходного сигнала.

Предположим, что под влиянием температуры ток увеличился. Это отражается на увеличении тока , повышении напряжения и соответственно снижении напряжения . Ток базы уменьшается, вызывая уменьшение тока , чем создается препятствие наметившемуся увеличению тока . Иными словами, стабилизирующее действие отрицательной обратной связи, создаваемой резистором , проявляется в том, что температурные изменения параметров режима покоя передаются цепью обратной связи в противофазе на вход каскада, препятствуя тем самым изменению тока , а, следовательно, и напряжения .

Конденсатор шунтирует резистор по переменному току, исключаятем самым проявление отрицательной обратной связи в каскаде по переменным составляющим. Отсутствие конденсатора привело бы к уменьшению коэффициентов усиления схемы.

Название схемы «с общим эмиттером» означает, что вывод эмиттера транзистора по переменному току является общим для входной и выходной цепи каскада.

Принцип действия каскада ОЭ заключается в следующем. При наличии постоянных составляющих токов и напряжений в схеме подача на вход каскада переменного напряжения приводит к появлению переменной составляющей тока базы транзистора, а, следовательно, переменной составляющей тока в выходной цепи каскада (в коллекторном токе транзистора). За счет падения напряжения на резисторе создается переменная составляющая напряжения на коллекторе, которая через конденсатор передается на выход каскада - в цепь нагрузки.

Контрольные вопросы:

Что такое каскад усиления?

Каскад усиления — ступень усилителя, содержащая один или несколько усилительных элементов, цепи нагрузки и связи с предыдущими или последующими ступенями.