Усилительный каскад на биполярном транзисторе с общим эмиттером

За счет величины E_K происходит усиление выходного сигнала. Разделительные конденсаторы С 1, С 2 на переменном токе имеют сопротивления Х_{С 1}, Х_{С 2} близкие к нулю, их назначение: С 1 не пропускает постоянный ток во входной источник U _вх (от E_K через R₁) (рис. 2.48).

 

Схема усилителя с ОЭ

Конденсатор С 2 не пропускает постоянный ток в нагрузку; R_Э, С_Э − звено автоматической термостабилизации (для компенсации влияния температуры), которое обеспечивает отрицательную обратную связь, т. е. часть U _вых подается на вход вызывая уменьшение U _вх; R 1, R 2 − делитель напряжения, для задания нужного напряжения U _БЭП покоя (І _в течет через R 1), он создает постоянное смещение на переходе Б−Э, который приоткрывается и создает коллекторный ток покоя І_кп (чтобы транзистор работал, не искажая форму U _вх).

Для статического режима (U _вх = 0).

Расчет параметров резисторов:

Е_к = (R _э + R _к) I _кп + U _кэп

R _э + R _к= (Е_к – U _кэп)/ I _кп

 

Схема усилителя в статическом режиме

R ₂ = (U _бэп + R_эI _эп)/ I ₁, где I ₁ = (2…5) I _бп; R ₁ = (Е _к + R₂I ₁)/(I ₁ + I_бп) Амплитудная, амплитудно-частотная и фазочастотная

Характеристики каскада усилителя с общим эмиттером

Если изменения U _вх, i _б, i _k укладываются в линейные участки переходной и входной характеристик, то форма U _вых соответствует форме U _вх.

При больших U _вх возможны искажения U выхода. Для оценки диапазона изменения U _вх, усиливаемых без искажения, используют амплитудную характеристику U _вых (U _вхмах).

Амплитудная характеристика

Зависимость параметров усилителя от частоты определяют:

1. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) − K_U (f) или K_U (w). Полоса пропускания – это диапазон частот сигнала, f_H … f_B, при котором , т. е. усилитель обеспечивает заданное значение коэффициента усиления K_U.

Амплитудно-частотная характеристика

2. Фазочастотная характеристика (ФЧХ) j(f), где j − угол cдвига фаз между входным и выходным напряжениями.

Недостаток усилителей на биполярных транзисторах с ОЭ – низкое R _вх и высокое R _вых, что создает трудности при работе каскада с высокоомным источником и низкоомной нагрузкой.

 

 

Графоаналитический анализ работы каскада на биполярном транзисторе с общим эмиттером

Пренебрегаем влиянием вспомогательных элементов (R _Э, R _Э, R ₁, R ₂). Расчет нелинейной цепи (определение I_K, U_RK, U_K для различных I _Б, R_K) выполняем графически Для этого на семействе выходных характеристик проводим ВАХ резистора R_K, удовлетворяющую уравнению

U _кэп = Е _к – (R_K + R _Э) I _кп

или

U _кэ Е _к – R_K I _к

Характеристики усилителей с ОЭ

Этот график называют статической линией нагрузки и строят по двум точкам:

1) I _к = 0; Е _к = U _кэ (точка N на линии статической нагрузки);

2) U _кэ = 0; I _к = Е _к/R_к (точка М).

За счет смещения базы резисторами R 1, R 2 обеспечивают опти­мальные значения U _бп, I _бп, чтобы рабочая точка покоя А находилась на середине линейного участка переходной характеристики, которая строится по точкам пересечения линии нагрузки с выходными характеристиками. При подаче на вход U _вх ток І _Ббудет изменяться, иметь переменную составляющую. Одновременно будут изменяться эмиттерный и коллекторный токи транзистора. Перенеся изменения на линию нагрузки, получаем U _вых. Благодаря тому, что коллекторный ток i _k>> i _б, а R_K > R _вх, выходное напряжение каскада ОЭ значительно больше U _вх.

Динамический режим каскада (U _вх ¹ 0). Электрическая схема замещения

U _вх = U _махsinωt

(пренебрегаем)

R ; .

Схема усилителей в динамическом режиме

Температурная стабилизация

Недостаток усилителей − зависимость параметров транзисторов от температуры. Цепь уменьшает влияние температуры на режим. создает отрицательную обратную связь по постоянному току: с ростом температуры увеличиваются , увеличивается и уменьшается , значит уменьшится . Конденсатор устраняет отрицательную обратную связь по переменному току: так как ,то , тогда . (Введение при отсутствии за счет падения напряжения привело бы к уменьшению и к снижению коэффициента усиления . Явление уменьшения усиливаемого напряжения называют отрицательной обратной связью. Для ослабления отрицательной ОС включают , чтобы , тогда падение напряжения на незначительно и ).

1. Усиление сигнала связано с некоторыми отклонениями формы выходного сигнала от формы входного, т. е. усилитель вносит искажения.

Зависимость величины выходного напряжения от входного определяют по амплитудной характеристике, обозначающей динамический диапазон усилителя. При малых U _вх.min и больших U _вх.max значениях входного напряжения характеристика отклоняется от прямолинейной. Рабочим сигналом является диапазон от U _вх.min до U _вх.max.

2. Амплитудно-частотная характеристика – это зависимость модуля коэффициента усиления от частоты тока пропускаемого сигнала или . Если бы не было искажения, то эта характеристика представляла бы прямую линию, т. е. одинаково усиливались бы сигналы с частотой от 0 до ¥. Диапазон частот усилителя, в пределах которого он обеспечивает заданное значение K, называют полосой пропускания. Существует нижняя f _нч и верхняя f _вч границы частот. Например, полоса пропускания звуковых частот находится в пределах 50÷10 000 Гц и обеспечивает хорошее качество звучания. В телефонной связи используется диапазон частот 300÷3400 Гц. Те частоты, которые находятся за пределами диапазона приводят к частотным искажениям сигнала, которые определяются коэффициентом частотных искажений М:

М = К _ср._ч/ К, если М = 1, то искажений нет.

3. Фазочастотная характеристика − это зависимость угла сдвига фазы j между выходным и входным напряжениями усилителя от частоты f сигнала и

Характеристики каскадов ОЭ усилителя

Пунктиром показана ФЧХ усилителя без фазовых искажений. В усилителях звуковых частот фазовые искажения не играют существенного значения, так как не воспринимаются на слух при прослушивании речи или музыки. В импульсных усилителях фазовые искажения влияют на форму усиливаемых сигналов.

19. Обратные связи в усилителях. Под обратной связью в усилителях понимают воздействие электрической цепи усилителя, при котором часть выходного сигнала подается на вход усилителя. Обратные связи в усилителях обычно создают специально, но иногда они возникают за счет паразитных ёмкостей, внутренних сопротивлений источников питания и др. Такие обратные связи называют паразитными. Если при наличии обратной связи входной сигнал складывается с сигналом обратной связи, в результате чего в усилитель поступает увеличенный сигнал, то такую обратную связь называют положительной. Если после введения обратной связи сигналы на входе и на выходе усилителя уменьшаются, что обусловлено вычитанием сигнала обратной связи из входного сигнала, то такую обратную связь называют отрицательной.

Различают последовательные обратные связи, когда цепи обратной связи включают последовательно с входными цепями усилителя, и параллельные обратные связи, когда цепи обратной связи включают параллельно входным цепям усилителя.

Обратные связи подразделяют на обратные связи по напряжению и по току.

Положительная обратная связь повышает коэффициент усиления усилителя, но практически не применяют в электронных усилителях т.к. ухудшается стабильность коэффициента усиления. Отрицательную обратную связь, несмотря на снижение коэффициента усиления, широко используют в усилителях, т.к. 1) повышается стабильность коэффициента усиления усилителя при изменениях параметров транзисторов; 2) снижается уровень нелинейных искажений; 3) увеличивается входное и уменьшается выходное сопротивления усилителя.