Материал: Аналоговая и цифровая электроника. Учебное пособие. 2000
При поступлении на вход сигнала Uвх он усиливается в КU раз и |
||||||
снимается с выхода в противофазе по отношению к входному сигналу. |
||||||
|
|
|
|
|
Uвх |
Uвх |
|
|
Iк |
Rк |
Uп |
|
Uсм |
R1 |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
Сg |
|
Iк |
|
|
|
|
|
|
|
|
Сg |
Iб |
|
|
|
Iк мах |
|
|
|
|
VT |
|
Iк0 |
|
Uвх |
|
|
Rн |
Iк мin |
|
|
|
Uбэ |
|
|
|||
|
|
|
|
|||
Uвх |
R2 |
|
Uвых |
Uвых |
t |
|
Uвх |
|
Iэ |
|
|
Uвых0 |
|
RГ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uвых мin |
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
а) |
|
|
|
|
б) |
Рис. 52. Усилительный каскад с ОЭ (а), временная диаграмма его работы (б). |
||||||
Для |
усилителя с |
ОЭ |
R вх |
= R1 R 2 |
R вх.э , |
где |
R вх.э βR вх.б . |
Обычно |
||
R1 R 2 |
³ (2 ¸ 5)R вх.б |
Rвх б |
не превышает 1 ÷ 3 кОм. |
|
|
|
||||
Коэффициент усиления по току KI |
= β R K |
R H . |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
R H |
|
|
|
|
Iб |
|
|
|
|
Iк |
|
|
Iб1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В |
Iб(t) |
|
|
B' |
|
Iб мах |
|
iк(t) |
Iб мах |
|
|
|
Iк мах |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
А |
|
мах |
|
Iк0 |
|
A' |
Iб0 |
|
iкмах |
|
|
iб |
|
|
|
|
|
t |
||
Iб 0 |
|
|
t |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
C' |
Iб min |
||||
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
Iк min |
|
|
|
||
Iб min С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Iб2 |
|
|
Uсм |
|
|
Uбэ |
|
|
Uвых 0 |
Uп |
Uкэ |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uвх(t) |
|
|
|
|
Uвых мах |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
Uвх мах |
|
|
|
|
|
Uвых(t) |
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а) |
|
|
|
|
|
б) |
|
|
|
Рис. 53. Входная(а) и выходная(б) характеристики усилителя в режиме работы А. |
||||||||||
51
Таким образом, каскад с ОЭ имеет большой коэффициент усиления по току и при Rk>>Rн стремится к β .
Коэффициент усиления по напряжению KU = β |
R K |
R H |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
R Г + R вхб |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|||||||
Коэффициент усиления |
KU возрастает |
с |
увеличением |
β и RH Обычно |
|||||||
KU » 10 ¸100 и выше. |
|
= KU × KI составляет (0,2 – 5)*103. |
|||||||||
Коэффициент усиления по мощности KP |
|||||||||||
Выходное сопротивление |
каскада с ОЭ |
R вых = R K |
|
|
|
rкэ . |
Обычно rкэ>>RK и |
||||
|
|
||||||||||
Rвых ≈ RK.
Усилительный каскад с ОЭ осуществляет поворот по фазе на 1800 выходного напряжения относительно входного.
Iб |
|
Iк |
Iб1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Iб мах |
А |
|
Iб2 |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
Iб3=Iб мах |
|
|
|
iб(t) |
Iк мах |
А' |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Iб4 |
Iк(t) |
|
|
|
|
|
Iб5 |
|
Uбэ |
|
|
|
Uкэ |
|
Uвх(t) |
|
|
Uвых мах |
|
|
|
|
|
|
Uвых(t) |
|
Uвх мах |
|
|
|
|
|
а) |
|
|
|
б) |
Рис. 54. Входная (а) и выходная (б) характеристики усилителя в режиме работы В |
|||||
Основные режимы работы усилителя. В зависимости от величины смещения на базе транзистора Uсм различают следующие режимы работы усилителя: A, B, AB, C, D.
Режим A характеризуется выбором рабочей точки на линейном участке входной характеристики (рис. 53).В исходном состоянии транзистор открыт напряжением смещения Uсм и в цепи коллектора протекает ток Iко. При
поступлении входного сигнала на выходе усилителя появляется выходной сигнал в противофазе по отношению ко входному.
52
Режим А характерен тем, что форма выходного сигнала Uвых(t) повторяет форму входного сигнала Uвх(t) за счет работы транзистора в активной зоне без захода в область насыщения и отсечки.
Режим характеризуется минимальными нелинейными искажениями.
В это же время работа усилителя в режиме А характеризуется низким КПД, который теоретически не может превышать 0,5, что объясняется постоянным током Iко вне зависимость от наличия или отсутствия входного сигнала. Поэтому такой режим используется только в маломощных каскадах, в которых необходимо иметь минимальные нелинейные искажения.
На основе характеристик рис.53, можно пояснить графикоаналитический метод расчета усилителя. По графикам можно определить:
коэффициент усиления по току KI = |
IK. max |
− IK0 |
= |
iK. max |
; |
|
|||
Iб. max |
|
|
|
|
|||||
|
- Iб0 |
iб / max |
|||||||
коэффициент усиления по напряжению KU |
= |
Uвых. max |
; |
|
|||||
|
|||||||||
|
|
|
|
Uвх. max |
|||||
коэффициент усиления по мощности KP = |
|
Uвых. max |
× iK. max |
. |
|||||
|
Uвх. max |
|
|||||||
|
|
|
× iб. max |
||||||
Режим В характеризуется тем, что напряжение смещения Uсм=0, а следовательно, рабочая точка выбирается в самом начале входной характеристики. Особенностью режима В является то, что при отсутствии входного сигнала отсутствуют базовые и коллекторные токи.
При поступлении входного сигнала ток в коллекторе имеет пульсирующий характер и протекает в течении половины периода. Режим В характеризуется высоким КПД, который может достигать 70%, однако выходной сигнал сильно искажается. Поэтому такой режим применяется только в двухтактных усилителях.
Режим АВ занимает промежуточное положение между режимом А и В. Он характеризуется небольшим напряжением смещения Uсм меньшими нелинейными искажениями по сравнению с режимом А. Режим АВ используется в высококачественных двухтактных усилителях мощности.
Режим С характеризуется тем, что рабочая точка на входной характеристике сдвинута влево от начала координат. Следовательно, более половины периода транзистор находится в закрытом состоянии. Режим С характеризуется высоким КПД, большими нелинейными искажениями и применяется в генераторах частоты.
Режим D характеризуется тем, что усилительный элемент может находится в открытом (режим насыщения) либо в закрытом (режим отсечки) состояниях.
53
Таким образом, ток в выходной цепи может принимать только два |
|||||||
значения: IK.max=Iнас. и IK.min ≈ 0. Скорость перехода из одного состояния в другое |
|||||||
характеризует |
быстродействие |
усилительного |
элемента. |
Обычно |
Uнас.<1B, |
||
Iб |
|
|
Iк |
Iб1 |
|
|
|
|
|
|
А' |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
А |
|
Iк мах |
Iб2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
iб(t) |
|
Iб3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
Iб4 |
|
Iкмак |
|
|
|
|
|
Iб5 |
|
|
|
Uбэ |
0 |
|
|
Uп |
Uкэ |
|
Uсм |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uвых(t) |
|
|
Uвх(t) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uнас |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
а) |
|
|
|
б) |
|
|
Рис. 55. Входная (а) и выходная (б) характеристики усилителя в режиме работы D |
|
||||||
поэтому КПД такого усилительного каскада близок к 1.
Режим работы D, который называют еще ключевым режимом, применяется в импульсных схемах.
Методы стабилизации работы усилителя по схеме с ОЭ.
Основные параметры каскада усилителя с ОЭ зависят от внешних возмущений и в первую очередь от температуры. При изменении температуры
изменяется обратный ток IK.обр., напряжение Uб.э., коэффициенты α и β . Все эти изменения принято характеризовать понятием дрейф нуля усилителя. Внешние воздействия, изменяя ток покоя транзистора, выводят транзистор из заданного режима. Это особенно опасно для усилителей, работающих в режиме А, т.к. транзистор может перейти в нелинейную область характеристики.
Существуют три основных метода стабилизации работы транзисторного каскада: термокомпенсация, параметрическая стабилизация и введение отрицательной обратной связи.
Метод термокомпенсации заключается в том, что отдельные
термозависимые элементы или целиком каскады помещаются в термокамеру с постоянной температурой.
54
t 0 |
R1 |
Rк |
|
|
VT1 |
t0 |
R2 |
Uвых |
|
Uп
R1 |
Rк |
|
VT1 |
R1 |
Uвых |
|
|
VT2 |
|
а) |
б) |
Рис. 56. Параметрическая стабилизация с использованием терморезистора (а) и |
|
|
полупроводникового транзистора (б). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uп |
Метод |
|
параметрической |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
R1 Iк |
|
|
|
|
|
|
|
Rк |
|
|
|
|
стабилизации основан на введении в |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
схему |
|
элементов, |
|
которые |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
VT1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
компенсируют изменение параметров |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
схемы |
при |
внешних |
воздействиях |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Uвх |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uвых |
|
|
среды. |
Например, |
воздействие |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
R2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
температуры |
может |
быть уменьшено |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Сэ |
|
|
|
|
введением в схему полупроводниковых |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Rэ |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
элементов или терморезисторов. |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Метод |
введения |
отрицательной |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Рис. 57. Транзисторный усилитель с |
обратной |
связи |
является |
более |
|||||||||||||||||||||||
распространенным. |
|
Отрицательная |
|||||||||||||||||||||||||
|
|
отрицательной ОС по току. |
обратная связь (ООС) осуществляется |
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
за счет |
введения |
в |
цепь |
эмиттера |
|
резистора Rэ. Ток эмиттера, протекая по резистору Rэ, создает на нем падение напряжения Uоос=IэRэ. Это напряжение автоматически складывается с напряжением на базе, однако, направлено встречно и компенсирует температурные изменения напряжения на базе транзистора.
Введение ООС увеличивает входное сопротивление усилительного каскада, расширяет полосу пропускания, уменьшает линейные и нелинейные искажения, делает работу схемы более устойчивой.
3.5. Усилительный каскад по схеме с общим коллектором
Усилитель на транзисторе с ОК более часто называют эмиттерным повторителем. Он представляет собой каскад со 100%-й последовательной отрицательной обратной связью по току. В отличие от усилителя по схеме с ОЭ, схема с ОК ( рис.58) не инвертирует входной сигнал.
55