ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТЫ И УГЛА СДВИГА ФАЗ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМИ ПРИБОРАМИ. 7 страница

Резистор включенный в цепь базы, обеспечивает требуемую ра­боту транзистора в режимё покоя, т.е. в отсутствие входного сигнала. Благодаря этому резистору можно получить оптимальное значение тока базы и напряжения между базой и эмиттером , соответствующие середине линейных участков входной и переходной характеристик. Эта рабочая точка (точка П и П' на рис 3.4) соответствует _п и . Для обеспечения указанного режима сопротивление резистора следует опре­делять по формуле

                                                                                                    (3.4)

Конденсатор С (см рис.3.3) служит для включения источника пере­менной входной ЭДС е_вх с внутренним сопротивлением  в цепьбазы. В отсутствие этого конденсатора в цепи источника входного сигнала создавался бы постоянный ток от источника питания Е_к, который мог бы вызвать падение напряжения на внутреннем сопротивлении источни­ка сигнала, изменяющее режим работы транзистора и приводящее к нагреву источника сигнала. Конденсатор связи С_с на выходе усили­тельного каскада обеспечивает выделение из коллекторного напряже­ния переменной составляющей, которая может подаваться на нагру­зочное устройство с сопротивлением .

При подаче на вход усилительного каскада переменного напряжения u_вх(см.рис.3.4) ток базы будет изменяться в соответствии с входной характеристикой, т е кроме постоянной составляющей  он будет иметь переменную составляющую  Одновременно с этим в транзисторе будут изменяться эмиттерныи и коллекторный токи. График переменной CO­M4ставляющей коллекторного тока  можно построить с помощью пере­ходной характеристики, зная изменения тока базы  Перенося измене­ния тока  на линию нагрузки, можно проследить за изменениями кол­лекторного напряжения и падения напряжения на коллекторном резис­торе  Переменная составляющая коллекторного напряжения пред­ставляет собой выходное напряжение усилительного каскада, которое численно равно и противоположно по фазе переменной составляющей падения напряжения на резисторе , т.е.  . Для входного напряжения справедливо соотношение

’

где  — входное сопротивление усилительного каскада, примерно равное входному сопротивлению транзистора, а . Благодаря тому, что коллекторный ток во много раз превышает ток базы, а сопротивление , как правило, больше R_вх - выходное напряжение усилительного каскада с общим эмиттером получается во много раз больше входного напряжения Если изменения входного напряжения, тока базы  и тока коллектора  укладываются в линейные участки входной и переходной характеристик, то форма выходного напряже­ния будет соответствовать форме входного напряжения В частности, при подаче на вход усилительного каскада синусоидального напря­жения выходное напряжение будет также синусоидальным

Рис 3 6 Амплитудная характеристика усилительного каскада

При больших входных напряжениях переменные составляющие то­ков выходят за пределы линейных участков входной и переходной характеристик, в результате чего форма кривой выходного напряже­ния претерпевает значительные искажения. Эти искажения, обуслов­ленные нелинейностью указанных характеристик, называют нелинейными. На рис.3.5,а—в показаны временные зависимости тока базы , тока коллектора и выходного напряжения  усилительного кас­када при большом входном напряжении. Видно, что при больших входных напряжениях рост выходного напряжения замедляется, т е коэффициент усиления уменьшается. Для оценки диапазона измене­ния входных напряжений, усиливаемых без искажений, используют амплитудную характеристику, представляющую собой зависимость амплитудного значения выходного напряжения от амплитудного зна­чения входного напряжения (рис.3.6).

При работе усилительного каскада в режиме, соответствующем линейным участкам характеристик, т.е. в отсутствие искажений, ко­эффициент усиления и другие параметры усилителя (входное и вы­ходное сопротивление) можно рассчитать аналитически с помощью h-параметров транзистора. С этой целью используют схему замеще­ния усилительного каскада с общим эмиттером (рис.3.7,а) для пере­менных составляющих токов и напряжений. Основой этой схемы яв­ляется схема замещения транзистора (обведена пунктиром). В схеме замещения усилительного каскада не учтены конденсаторы и источ­ник питания, так как переменные составляющие напряжения на них принимают равными нулю. Поэтому резистивный элемент  вклю­чен между коллектором и эмиттером транзистора, т.е. между точками К и Э. Резистивный элемент показан пунктиром, так как его обычно не учитывают вследствие того, что сопротивление резистора значи­тельно больше входного сопротивления h₁₁транзистора.

Для определения коэффициента усиления рассмотрим уравнения для входной и выходной цепей усилительного каскада с общим эмит­тером, составленные на основе схемы замещения рис.3.7,а:

 (3.6)

Считывая и  , можно записать эти уравнения в виде

(3.5а)

(3.6а)

Решая совместно эти уравнения, получим

(3.7)

Знак «минус» в выражении (3.7) означает, что выходное напряже­ние находится в противофазе с входным. Поэтому в дальнейшем на­правление  на схемах рассматриваемого усилительного каскада изменено на противоположное.

С помощью выражения (3.7) нетрудно получить формулу для ко­эффициента усиления по напряжению ненагруженного усилительного каскада с общим эммитером (

 (3.8)

Поэтому

(3.9)

Это выражение показывает, что коэффициент усиления по напряже­нию рассматриваемого усилительного каскада пропорционален коэф­фициенту усиления по току  транзистора и отношению сопротивления коллекторного резистора  и входного сопротивления  транзистора. По схеме замещения рис.3.7,а легко можно найти входное сопротивле­ние усилительного каскада с общим эмиттером на низких частотах:

(З.10)

При определении входного сопротивления на высоких частотах необходимо учитывать емкость  коллекторного p-n-перехода (см. рис. 3.7,6) Сопротивление емкостного элемента, включенного между коллектором и базой, на высоких частотах становится сравнительно небольшим. Ток через него, замыкающийся через резистор  и ис­точник питания  соизмерим с током , обусловленным входным сопротивлением транзистора. С учетом этого входной ток

 ,                                                                              (З.11)

где

Ток, обусловленный емкостью С_к коллекторного p-n-перехода (см.рис. 3.7, б):

. (3.12)

Так как в соответствии с выражением (3.8) выходное напряжение

то

                                                                        (3.12а)

Используя выражения для токов, можно получить формулу для входного сопротивления усилительного каскада с общим эмиттером:

, (3.10а)

где  — входная емкость усилительного каскада с обшим эмиттером.

Как видно из схемы замещения рис.3.7,а, выходное сопротивление усилительногокаскада с общим эмиттером определяется выражением

                                             (3.13)

Входноесопротивление усилительного каскада с общим эмиттером обычно имеет значение порядка нескольких сотен ом Выходное сопротивление обычно больше входного. Низкое входное и высокое выходное сопротивление создают значительные трудности при работе усилительного каскада с высокоомным источником усиливаемой ЭДС (см.рис.3.3) инизкоомным нагрузочным устройством. В этом случае входное напряжение усилительного каскада может быть зна­чительноменьше ЭДС е_вх , так как на входе усиливаемого каскада образуется делитель напряжения R_BT , R_BX с небольшим значением R_BX

Если сопротивление нагрузочного устройства, включенного по переменной составляющей напряжения параллельно коллекторно­му резистору  значительно меньше сопротивления , то коэффи­циент усиления по напряжению усилительного каскада существенно снижается: . Указанные обстоятельства необходимо учи­тывать при использовании усилительных каскадов с общим эмитте­ром. Следует отметить, что эти усилительные каскады усиливают не только напряжение, но также ток и мощность.

Задача 3.1. На рис.3.8,а приведена схема усилительного каскада с общим эмиттером на транзисторе ГТ322А. Рассчитать сопротивление резистора при котором рабочая точка в режиме покоя усилителябудет находиться на середине линейных участков входной и переходной характеристик, если Е_к= 10 В  = 1 кОм. Определить коэффициенты усиления по напряжению  , по току , по мощности , а также входное R_BX и выходное R_BЫX сопротивления усилительного каскада. Вход­ная и выходные характеристики транзистора ГТ322А приведены на рис.3.9. Значения его h-параметров: = 330 Ом, - 56,  = 6,25 10^-5 См.

Решение. На семействе выходных характеристик  транзистора ГТ322А (см. рис.3.9,б) проводим линию нагрузки, соот­ветствующую  = 1 кОм, с помощью которой можно построить переходную характеристику. Линейный участок этой характеристики соответствует диапазону 0 ≤I_Б≤ 200 мкА. Входная характеристика (см.рис.3.9,а) линейна при I_Б≥ 80 мкА. Таким образом, обе характе­ристики линейны при 80 ≤I_Б≤ 200 мкА. Поэтому рабочую точку вы­бираем примерно в середине линейного участка при I_БП =150 мкА, что соответствует =3,0 В и =340 мВ.

Для выбранного тока I_БП =150 мкА сопротивление

Рис 3.9 Входная (а) и выходные (б) характеристики гранзисюра ГТ322А

По схеме замещения усилительного каскада (см.рис 3.8,б) можно лег­ко рассчитать значения сопротивлений и коэффициентов усиления:

Задача 3.2.* Определить коэффициент усиления по напряжению ненагруженных (  ) усилительных каскадов на различны* биполярных транзисторах (БПТ) с общим эмиттером, если кОм а h-параметры биполярных транзисторов (БПТ) равны

Параметр	ГТ328Б	КТ348Б	КТ373Б	КТ342А
	2600 100 2 · 10-4 ?	1600 60 10-5 ?	6300 250 5 · 10-5 ?	3600 150 2 · 10-4 ?

Ответы приведены в таблице:

БПТ	ГТ328Б	КТ348Б	КТ373Б	КТ342А
	32	37	38	35

Задача 3.3. В усилительном каскаде с общим эмиттером на тран­зисторе КТ3107А коллекторный резистор имеет сопротивление R_K = 3кОм, а ЭДС E_к=15 В (см. рис 3 8,a) Определить сопротивление ре­зистораR_Б и значения
, воспользовавшись значе­ниями h-параметров транзистора КТ3107А: h₁₁ =1300 Ом; h₂₁ = 100; h₂₂=10^-4См. Входная и выходные характеристики транзистора КТ3107А приведены на рис. 3.10.

Ответ:R_Б = 100 кОм;  = 177; = 76; = 13 450;  =1300 Ом;  = 2307 Ом.

Задача 3,4. Определить доступный коэффициент усиления усилительного каскада на транзисторе типа п-р-п с общим эмиттером (рис.3.11), если R_ВТ = 1кОм, R_Б = 5 кОм, R_К = 3 кОм, h₁₁ = 1 кОмh₂₁= 20h₂₂=50 10^-6 См и h₁₂ = 0

Рис 3.11 Усилительный каскад с об­щим эмиттером (к задаче 3 4)

Решение. Доступный коэффициент усиления, учитывающий влияние внутреннего сопротивления R_ВТ источника усиливаемого сиг­нала, определяются по формуле

Задача 3.5. В усилительном каскаде с общим эмиттером (рис 3 11) используется биполярный транзистор, имеющий следующиезначения параметров h₁₁ = 900 Ом

h₂₁= 50h₂₂=16 10^-5 См Опреде­лить выходное напряжение и выходное сопротивление этого каскада, если ЭДС источника входного сигнала E_вх=8 мВ, его внутреннее сопротивление 300 Ом, сопротивление  = 3 кОм, а    .

Решение Входное напряжение

Выходное напряжение

Выходное сопротивление

Ом

3.3.ТЕМПЕРАТУРНАЯ СТАБИЛИЗАЦИЯ УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ

Существенным недостатком биполярных транзисторов является за­висимость их параметров от температуры. При повышении темпера­туры транзистора увеличивается коллекторный ток за счет возраста­ния числа неосновных носителей заряда в полупроводнике. Это при­водит к изменению коллекторных характеристик транзистора, что вы­зывает смещение рабочей точки и возможность выхода ее за пределы линейного участка переходной характеристики.

Для уменьшения влияния температуры на работу усилительного каскада с общим эмиттером в цепь эмиттера включают резистор шунтированный конденсатором С_э (рис. 3.12). В цепь базы для созда­ния начального напряжения смещения U_БЭ между базой и эмиттером применен делитель R'_Б, R"_Б. Напряжение U_БЭ зависит от сопротивле­ний резисторов

                 (3.15)

При наличии резистора увеличение эмиттерного тока  из-за повышения температуры приводит к возрастанию падения напряжения на резисторе . Это вызывает снижение потенциала базы по отношению к потенциалу эмиттера [см.формулу (3.15)], а следова­тельно, уменьшение токов  и . Ясно, что уменьшение коллектор­ного тока под действием резистора не может полностью скомпенси­ровать рост его за счет повышения температуры, но влияние темпера­туры на ток  при этом во много раз снижается

Введение резистора  при отсутствии конденсатора изменяет ра­боту усилительного каскада не только в режиме покоя, но и при нали­чии входного напряжения. Переменная составляющая эмиттерного тока создает на резисторе падение напряжения , которое умень­шает усиливаемое напряжение, подводимое к транзистору

(3.16)

Рис 3.12Усилительный каскад с эмиттерной температурной стабили- зацией

Коэффициент усиления усилительного каскада при этом будет умень­шаться. Явление уменьшения усиливаемого напряжения называется от­рицательной обратной связью. Под обратной связью понимают передачу части выходного сигнала усилителя на его вход. Если эта передача сни­жает усиливаемое напряжение, то обратную связь называют отрица­тельной. Для ослабления отрицательной обратной связи параллельно резистору включают конденсатор С_э . Емкость конденсатора С_э выби­рают таким образом, чтобы для самой низкой частоты усиливаемого напряжения его сопротивление было много меньше R_э (обычно X_cэ=0,1 R_э). При этом падение напряжения на участке R_э, С_э от перемен­ной составляющей i_э будет незначительным, поэтому усиливаемое на­пряжение практически равно входному напряжению .

Задача 3.6. Определить емкость конденсатора С_э усилительного кас­када с температурной стабилизацией (рис. 3.12), если известно, чтоR_э =3 кОм, а самая низкая частота усиливаемого напряжения f_H=50 Гц.

Ответ:С_э  10 мкФ.

3.4.УСИЛИТЕЛЬНЫЙ КАСКАД С ОБЩИМ КОЛЛЕКТОРОМ

Схема усилительного каскада с общим коллектором (каскад ОК) приведена на рис. 3.13. В этом каскаде основной резистор, с которого снимается выходное напряжение, включен в эмиттерную цепь, а кол­лектор по переменной составляющей тока и напряжения соединен не­посредственно с общей точкой усилителя, так как падение напряже­ния на внутреннем сопротивлении источника коллекторного напря­жения от переменной составляющей тока незначительно. Таким обра­зом, можно считать, что входное напряжение подается между базой и коллектором через конденсатор С, а выходное напряжение, равное падению напряжения на резисторе  от переменной составляющей эмитте^юго тока, снимается между эмиттером и коллектором через конденсатор связи С_c, т.е. коллектор является общим электродом для входа и выхода.

Рис 3 13 Схема усилительного кас­када с общим коллектором

Рис.3.14 Схема замещения усилительного каскада с общим коллектором

В режиме покоя, т.е. при и_вх= 0, между базой и эмиттером созда­ется начальное напряжение смещения, определяемое формулой (3.15). Его значение выбирают таким, чтобы рабочая точка в режиме покоя находилась примерно посередине линейного (рабочего) участка вход­ной характеристики.

При наличии переменного входного напряжения м_вх появляется переменная составляющая эмиттерного тока i_э, которая создает на резисторе R_э выходное напряжение и_вых=R_эi_э.

Для определения основных параметров усилительного каскада с общим коллектором рассмотрим его схему замещения, в которой ис­пользована схема замещения транзистора (на рис. 3.14 обведена пун­ктиром). Резисторы базовой цепи  и  учтены резистивным элементом с сопротивлением