Файл: С.Н. Гринфельд Физические основы электроники уч. пособие.doc

азрешенная область надежной работы транзистора (рис. 6.21) ограничивается максимально допустимыми током коллектора (I_к_max), напряжением (U_кэ_max) и рассеиваемой мощностью (P_к_max). Режим транзистора по постоянному току выбирают так, чтобы под действием максимального входного сигнала ни один из этих параметров не был превышен даже на короткое время.

Линия нагрузки (рис. 6.21) ограничивается точками 1 и 2. За пределами участка 1 – 2 процесс усиления сопровождается значительными нелинейными искажениями. Выше точки 1 наступает насыщение транзистора, и он перестает управляться током базы. Ниже точки 2 транзистор оказывается в режиме отсечки, т.е. также перестает управляться.

6 Рис. 6.21. График разрешенной области надежной работы транзистора.5.2. Стабилизация режима покоя каскада с оэ

Ранее было показано, что изменение температуры вызывает изменение параметров транзистора, в результате чего изменяются его характеристики. Таким образом, при изменении температуры изменяется положение рабочей точки покоя относительно ее первоначального положения, а следовательно, изменяется режим работы транзистора.

Большие изменения тока коллектора покоя могут привести к существенным нелинейным искажениям. Поэтому в практических схемах применяются меры для стабилизации режима покоя.

Рис. 6.22. Каскад с цепью параллельной ООС

по напряжению

аиболее широко применяются ООС по постоянному току или напряжению. Схема с ООС по напряжению или схема с коллекторной температурной стабилизацией (рис. 6.22) отличается от схемы с фиксированным током базы тем, что резисторR_бподключен к коллектору транзистора с напряжениемU_кэ=U_кэп, а не к источнику питания. Поэтому сопротивлениеR_бопределяется по формуле:

R_б.

Стабилизация режима покоя происходит следующим образом: при повышении температуры увеличиваются токи I_бпиI_кп, что приводит к изменению потенциала коллектора

U_кэп= Е_к– (I_бп+I_кп)R_к,

а следовательно, и тока базы, и тока коллектора:

I_бп=;I_кп= βI_бп.

Схема коллекторной температурной стабилизации проста, но имеет ограниченное применение из-за следующего недостатка. Наличие нежелательной ООС по переменному току через резистор R_б, уменьшает входное сопротивление и коэффициент усиления, поэтому эффективность стабилизации будет тем выше, чем больше сопротивлениеR_к, а это требует увеличения напряжения источника питания (Е_к).

Более эффективной является схема усилительного каскада с ООС по постоянному току (схема с эмиттерной температурной стабилизацией), которая сохраняет работоспособность при колебаниях температуры на (70...100) ^○С (рис. 6.23).

Рис. 6.23. Каскад с цепью последовательной ООС по току

табилизация режима по току происходит следующим образом. При увеличении температуры, постоянная составляющая коллекторного тока возрастает. Так какI_э=I_к/ α, то увеличение токаI_kприведет к увеличению тока эмиттера (I_э) и падения напряжения на резисторе (R_э). В результате, напряжениеU_бэуменьшится, что приведет к уменьшению тока базы (I_б), а следовательно, и тока коллектора (I_к). Для устранения ООС по переменному току резисторR_эшунтирует конденсатором С_э, сопротивление которого на частоте сигнала должно быть много меньше сопротивленияR_э.

Сопротивление резисторов R₁,R₂иR_эобычно рассчитывают в следующей последовательности:

определяют сопротивление резистора

R_э= (0,1...0,3);

затем, задаваясь значением тока делителя I_д= (2...5)I_бп, определяют сопротивления резисторов:

; .

Уравнение нагрузочной прямой в этом случае имеет вид:

При жестких требованиях к температурной стабильности каскадов усиления применяют ООС как по напряжению, так и по току (комбинированную ОС).

6.5.3. 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 составляющейI_бп. Изменение тока базы вызывает соответствующее изменение тока коллектора (I_к), протекающего по сопротивлению нагрузкиR_к(i_к~= β·i_б~). Переменная составляющая тока коллектора (I_к~) создает на сопротивленииR_кусиленное по амплитуде напряжение, при этом появляется на выходеcхемы напряжениеU_кэ~=U_вых.

Увеличение входного напряжения вызывает увеличение тока базы (I_б), увеличение тока коллектора (I_к) и уменьшение напряженияU_кэ, т.е. каскад с ОЭ осуществляет инверсию напряжения, выходной сигнал находится в противофазе к входному. Это обусловлено подключением нагрузкиR_нпараллельно транзистору, на сопротивленииR_ксигнал 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 нагрузкиR_н(см. рис. 6.23). Переменная составляющая тока коллектора (I_к~) делится в этом случае на две составляющие: ток через сопротивление (R_к), который далее замыкается через источник питанияE_к, и ток нагрузки (I_вых).

Сопротивления R_киR_ндля 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 = arctgR_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).

Рис. 6.25. Эквивалентная схема замещения усилителя с ОЭ

по переменному току

о схеме замещения (рис. 6.25) определяются основные параметры каскада по переменному току:

; ;

;

6.5.4. 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_кпо переменному току соединен коллектор. Выходной сигнал снимается с эмиттера и через разделительный конденсаторC_р2подается в нагрузку. В схеме действует 100 %-я ООС по напряжению.

Рис. 6.26. Усилительный каскад с ОК

ранзистор каскада работает в активном режиме. СопротивленияR₁,R₂иR_эзадают режим покоя каскада. Кроме того, резисторR_эявляется 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_эи, следовательно, на сопротивлении нагрузкиR_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). ПоэтомуK_u=U_вых/U_вхблизок 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.