И7. Схема включения и характеристики усилительного каскада с общим

Схему рис. 1, а называют каскадом с общим коллектором (OK), потому что коллекторный вывод транзистора по переменному току является общим электродом длявходной и выходной цепей каскада.

Рассмотрим параметры каскада OK по переменному току. С этой целью представим каскад его схемой замещения (рис. 1. б) и сде­лаем выкладки, подобные выполненным для схемы ОЭ.

Рис. 1. Схема усилительного каскада ОК (а) и его схема замещения в физических параметрах (б)

 

Входное сопротивление каскада OK определяется параллельно соединенными сопротивлениями R₁, R₂ и сопротив­лением входной цепи транзистора r_вх

R_вх=R₁||R₂||r_вх.

 

Электронно-дырочный переход, образованный эмиттером и базой, называется эмиттерным, коллектором и базой – коллекторным. Эмиттерный переход включается в прямом направлении, коллекторный переход – в обратном направлении. Общая точка эмиттерной и коллекторной цепей соединена с базовым электродом. Такое включение транзистора называется схемой с общей базой, рис.10.15,а. Схемы включения транзистора с общим эмиттером и общим коллектором приведены на рис.10.15,

Рис. 10.15. Схемы включения транзистора: а – с общей базой, б – с общим эмиттером, в – с общим коллектором

Биполярные транзисторы управляются током. В схеме с ОЭ — током базы. Напряжение на переходе база-эмиттер при этом остаётся почти постоянным и зависит от материала полупроводника, для германия около 0,2 В, для кремния около 0,7 В, но на сам каскад подаётся управляющее напряжение. Ток базы, коллектора и эмиттера и другие токи и напряжения в каскаде можно вычислить по закону Ома и правилам Кирхгофа для разветвлённой многоконтурной цепи.

Токи в транзисторе связаны нижеследующими соотношениями:

по правилу Кирхгофа для узлов алгебраическая сумма всех трёх токов () равна нулю

, где — коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером,
— коэффициент передачи тока эмиттера.

8. Схема включения и характеристики усилительного каскада с общей базой

Усилительный каскад по схеме с общей базой на основе npn-транзистора

Усилительный каскад с общей базой (ОБ) — одна из трёх типовых схем построения электронных усилителей на основе биполярного транзистора. Характеризуется отсутствием усиления по току (коэффициент передачи близок к единице, но меньше единицы), высоким коэффициентом усиления по напряжению и умеренным (по сравнению со схемой с общим эмиттером) коэффициентом усиления по мощности. Входной сигнал подаётся на эмиттер, а выходной снимается с коллектора. При этом входное сопротивление очень мало, а выходное — велико. Фазы входного и выходного сигнала совпадают.

Особенностью схемы с общей базой является минимальная среди трёх типовых схем усилителей «паразитная» обратная связь с выхода на вход через конструктивные элементы транзистора. Поэтому схема с общей базой наиболее часто используется для построения высокочастотных усилителей, особенно вблизи верхней границы рабочего диапазона частот транзистора. Достоинствами схемы являются стабильные температурные и частотные свойства, то есть параметры схемы(коэффициент усиления напряжения, тока и входное сопротивление) остаются неизменными при изменении температуры окружающей среды. Недостатками схемы являются малое входное сопротивление и отсутствие усиления по току.

 

Коэффициент усиления по току: I_вых/I_вх=I_к/I_э=α [α<1]

Входное сопротивление R_вх=U_вх/I_вх=U_бэ/I_э.

Входное сопротивление для схемы с общей базой мало и не превышает 100 Ом для маломощных транзисторов (для мощных - ещё меньше), так как входная цепь транзистора при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора.

Достоинства:

Хорошие температурные и частотные свойства.

Высокое допустимое напряжение

Недостатки схемы с общей базой: Малое усиление по току, так как α < 1

Малое входное сопротивление. Два разных источника напряжения для питания.

Классы работы усилителей

 

Различают три основных класса работы усилительного каскада – А, В, С. Режимы работы усилительных элементов определяются положением рабочей точки на проходной динамической характеристике.

Проходной динамической характеристикой называется зависимость выходного тока от входного напряжения. Для транзистора, включённого по схеме с ОЭ, зависимость будет I_к = f (U_бэ). Проходная динамическая характеристика может быть построена по входной и выходной характеристикам транзистора I_к = f (U_б)

В режиме работы класса А рабочая точка устанавливается на линейном участке проходной динамической характеристики (рисунок 5). Для этого между базой и эмиттером транзистора при помощи одной из схем питания цепи базы необходимо создать постоянную составляющую напряжения, которая называется величиной напряжения смещения. При отсутствии переменной составляющей усиливаемого сигнала рабочая точка называется рабочей точкой покоя. Нелинейные искажения минимальны. Угол отсечки θ = π (Углом отсечки называется половина той части периода, за которую в выходной цепи будет протекать ток). Недостатком режима класса А является низкий КПД(η = (25 – 30 %). Это объясняется тем, что энергия от источника питания затрачивается не только на усиление переменной составляющей, но и на создание постоянной составляющей I_о, которая является бесполезной и в дальнейшем отсеивается разделительным конденсатором. Режим класса А применяется, в основном, в предварительных каскадах усиления.

 

В режиме класса В рабочая точка выбирается таким образом, чтобы ток покоя был равен нулю (рисунок 6). Для режима класса В угол отсечки Θ = 90°. Характеризуется режим класса В высоким КПД η = 60. 70 %. Недостатком режима класса В являются большие нелинейные искажения. Применяется режим класса Вв выходных двухтактных усилителях мощности.

 

Рисунок 6 Режим В

Режим АВ является промежуточным между режимами А и В.

Иногда положение точки покоя в режиме класса АВ выбирается на нижнем изгибе проходной динамической характеристики (рисунок 7). В этом случае будет иметь место ток покоя, но величина его будет значительно меньше, чем в режиме класса А. Угол отсечки Θ в режиме класса АВ будет меньше 90°. Режим класса АВ имеет несколько меньший КПД, чем режим класса В (η = 50. 60 %) и несколько меньшие нелинейные искажения. Применяется так же, как и режим класса В, в двухтактных усилителях мощности.

 

В режиме С величина E_см имеет отрицательное значение (рисунок 8). Режим класса С характеризуется максимальным КПД η = 80 %, но и наибольшими нелинейными искажениями. Режим С в усилителях применяется в выходных каскадах мощных передатчиков.

10. Схема и принцип работы дифференциального усилителя

Принцип работы дифференциального усилителя заключается в том, что он усиливает дифференциальный сигнал и преобразует его в несимметричный сигнал, с которым работают простые схемы.

Схема дифференциального усилителя представлена на рис. 2. При анализе дифференциального усилителя широ­ко используют дифференциальное входное напряжениеu _вх._диф и синфазное входное напряжение и_вх.сшф. Этипонятия при обращении к операционному усилителю ис­пользуют потому, что в качестве его входного каскада при­меняется дифференциальный усилитель. Дифференциаль­ное входное напряжение определяется выражением

Пусть и_вх.диф = 0, тогда u_{вх.синф} = u_вх1 = u_вх2. Напря­жение и_{вых.диф} называют выходным дифференциальнымсигналом, причем и_вых. _диф = u_{вх1 -} u_вх2.

Основная идея, реализованная в дифференциальном каскаде, как это было показано выше, состоит в исполь­зовании в одном целом двух совершенно одинаковых по­ловин. Эта идея достаточно часто применяется в электро­нике.