Усилительный каскад на биполярном транзисторе с отрицательной обратной связью по току.

Для улучшения свойств усилительного каскада (уменьшения нелинейных искажений и повышения температурной стабильности) в схему каскада вводят отрицательную обратную связь. Схема такого каскада приведена на рис. 60. Отрицательная обратная связь введена установкой резистора Rэ в цепь эмиттера транзистора. Прежде чем анализировать схему рассмотрим работу обратной связи. Наличие обратной связи определяется возможностью передачи сигнала из выходной цепи (выходного сигнала) во входную цепь. В данной схеме напряжение, выделяемое на резисторе в цепи эмиттера Rэ определяет управляющее напряжение Uбэ.

Для базового контура запишем уравнение по второму закону Кирхгофа Uб = Uбэ + Uэ. Если Rг → 0, то напряжение на базе Uб определяется только источником сигнала. Однако известно, что напряжение на переходе уменьшается на 2мВ при нагреве перехода на один градус Цельсия. Поэтому если переход нагреется на 100­ градусов, то напряжение на базово-эмиттерном переходе должно уменьшиться на 200 мВ. Такое большое изменение обычно приводит к изменению режима работы транзистора, что нарушает нормальную работу усилительного каскада. Но напряжение на базе фиксировано источником сигнала, а напряжение на эмиттере определяется падением напряжения на резисторе Rэ и поэтому напряжение база – эмиттер измениться не может. Поэтому нагрев перехода приводит к увеличению тока базы. Влияние нагрева кристалла на ток базы транзистора при фиксации напряжений на базе и эмиттере показано на рис. 61. На рисунке кривая 1 соответствует начальной температуре примерно 25°С, а кривая 2 при нагреве на 20 градусов, т.е. при температуре 45°С. График показывает, что при таком нагреве ток базы изменяется от начального значения ≈ 0,1мА до 0,26мА.

Далее работа обратной связи состоит в том, что увеличение тока базы приводит к увеличению тока коллектора и как следствие к такому возрастанию напряжения Uэ, что напряжение Uбэ уменьшается и восстанавливается начальное значение тока базы Iбн.

Также реагирует схема и на изменение входного напряжения Uб, что приводит к уменьшению коэффициента усиления по сравнению с предыдущей схемой.

Сделаем вывод уравнения определяющего коэффициент усиления.

 

Анализируя схему, получаем соотношения:

.

Полученные выражения подставим во второе уравнение системы (2) – dIк = SdUбэ + dUкэ/r_к,.

Примем первое допущение, так как r_к>>1, то 1/r_к = 0.

 

.

Разрешим полученное выражение относительно коэффициента усиления.

.

Выражение для коэффициента усиления дает возможность выполнить оценки его значений. Так при наличии сопротивления в цепи эмиттера сделаем второе допущение: Rк>>1 и r_к>>1 следовательно 1/Rк → 0 и 1/r_к → 0 . Если же Rэ = 0, то .

Таким образом, приходим к выводу, что при наличии обратной связи коэффициент усиления не зависит от параметров транзистора и определяется только отношением резисторов. При отсутствии обратной связи коэффициент усиления соответствует предыдущей схеме, что и должно быть, так как исключение резистора в цепи эмиттера приводит нас к предыдущей схеме. Знак минус в обоих выражениях говорит о том, что выходное напряжение инвертировано относительно входного.

Входное сопротивление данной схемы определим из выражения r_вх = dUвх/dIвх, причем dUвх = dUб и dIвх = dIб.

.

Таким образом, входное сопротивление равно сумме дифференциального сопротивления базы и сопротивления в цепи эмиттера умноженного на (β + 1). Так как β обычно имеет большие значения, то входное сопротивление этой схемы по сравнению с предыдущей существенно больше.

Выходное сопротивление данной схемы практически не отличается от предыдущей схемы.

Таким образом, рассмотрены основные усилительные каскады на биполярных транзисторах, показано влияние обратной связи на основные параметры усилительных каскадов.

Эмиттерный повторитель.

Рассмотренные схемы усилительных каскадов использовали основную схему включения биполярного транзистора с общим эмиттером. Теперь рассмотрим работу и характеристики основной схемы включения с общим коллектором.

Схема усилительного устройства приведена на рис.62. Особенность построения схемы состоит в том, что коллектор транзистора подключен непосредственно к источнику напряжения питания, а выходное напряжение снимаем с резистора в эмиттерной цепи. Если не допускать режима отсечки (транзистор закрыт), то входное напряжение должно быть положительным и не менее ≈ 0,6В. При этом транзистор всегда будет открыт и выходное напряжение будет меньше входного примерно на 0,6В.

Таким образом, приходим к выводу, что коэффициент усиления по напряжению будет меньше 1, но близок к этому значению. Выполним анализ схемы для определения ее основных параметров.

Анализируя схему, составим уравнения:

dUкэ = - dUвых, dUб = dUбэ + dUэ, dUэ ≈ Rэ*dIк = dUвых, dUб = dUвх.

 

Полученные уравнения подставим во второе уравнение системы (2).

В последнем выражении необходимо учесть, что Rэ >> 1 и r_к >> 1, а это позволяет допустить 1/Rэ = 1/r_к = 0. Ку = 1. Входное сопротивление эмиттерного повторителя находится также как у усилительного каскада с отрицательной обратной связью по току r_вх = dUвх/dIвх = r_б + (β + 1)*Rэ. Выходное сопротивление определяется соотношением . Для оценки величин сопротивлений рассмотрим пример: Iк = 2мА, β = 100, Rэ = 3000оМ, Rг = 20000оМ. Учитывая, что S = Iк/φ_т и r_б = βφ_т/Iк получаем r_вх = 304,3кОм и r_вых = 198оМ. Как видим, эмиттерный повторитель имеет большое входное сопротивление и низкое выходное сопротивление. Поэтому часто эмиттерный повторитель называют – преобразователь импеданса, а из-за коэффициента усиления близкого к 1 и отсутствия инвертирования сигнала его называют – эмиттерный повторитель.

Однако оценим коэффициент усиления по току эмиттерного повторителя К_I = dIвых/dIвх = dIэ/dIб = β + 1. Это приводит к тому, что эмиттерный повторитель обладает высоким коэффициентом усиления мощности К_P = dPвых/dPвх = dUвых*dIвых/dUвх*dIвх. Но Uвых ≈ Uвх, и будем иметь К_P = K_I ≈ β. Поэтому эмиттерный повторитель очень часто используют в качестве усилителя мощности. Эмиттерный повторитель реализованный на одном транзисторе имеет низкий коэффициент полезного действия, так как через транзистор должен протекать ток даже при отсутствии сигнала. Поэтому в качестве усилителя мощности используют схему сложного эмиттерного повторителя см. рис. 63. Как видно на рисунке схема состоит из двух транзисторов разной проводимости, транзистор VT1 проводимости n-p-n, а VT2 – p-n-p. Схема питания состоит из двух источников напряжения U1 и U2, включенных последовательно с заземленной средней точкой. Базы транзисторов соединены между собой и являются входом схемы. Нагрузка включена: общая точка эмиттеров – общий провод.

При отсутствии сигнала базово - эмиттерные переходы обоих транзисторов смещены в обратном направлении, т.е. транзисторы закрыты и, следовательно, токи коллекторов равны нулю.

При подаче сигнала положительной полярности будет открываться транзистор VT1, но только тогда когда напряжение на базе станет равным или больше 0,7В. При этом будет формироваться ток коллектора транзистора VT1 по контуру: плюс источника питания U1 – коллектор транзистора – эмиттер транзистора – нагрузка – общий провод – минус источника питания U1. При подаче на вход отрицательного напряжения подобным образом работает транзистор VT2, и формирует в нагрузке ток обратного направления. Важно отметить, что при изменении входного напряжения в диапазоне ≈ (+,-) 0,7В оба транзистора закрыты и выходное напряжение равно нулю. Как видно на графике это явление формирует ступеньку в выходном напряжении, что приводит увеличению искажений. Чтобы избавиться от таких искажений необходимо на базы транзисторов подать начальное напряжение смещения и при этом не нарушить стабильность работы каскада. Этой цели добиваются установкой прямо смещенных диодов между базами транзисторов, как показано на рис. 61. В этом случае на базах формируется начальное напряжение равное напряжению на переходе, смещенном в прямом направлении. Поэтому искажения в виде ступеньки отсутствуют.

Важное свойство эмиттерного повторителя – низкое выходное сопротивление, позволяет использовать его в качестве стабилизатора напряжения, схема которого показана на рис. 65.

Источник напряжения питания включается в коллекторную цепь, а сопротивление нагрузки включается в эмиттерную цепь, напряжение на базе задается стабилитроном VD. Ток стабилитрона определяется сопротивлением. Таким образом, напряжение на нагрузке определяется уравнением Uн = Uб – Uбэ, где напряжение на базе Uб равно напряжению стабилизации стабилитрона в широком диапазоне изменения токов нагрузки и входного напряжения.

Дифференциальный усилитель.

Рассмотренные схемы усилительных каскадов обладают рядом недостатков, либо низкой стабильностью, либо низким входным сопротивлением и т.д. Поэтому был разработан дифференциальный усилитель, обладающий меньшими недостатками. Схема усилителя приведена на рис. 66. Основу схемы составляют два транзистора VT1, VT2, эмиттеры которых соединены и подключены к источнику стабильного тока Iст. В коллекторах транзисторов включены резисторы Rk1 и Rk2, с коллекторов транзисторов снимаются выходные напряжения, входные напряжения подаются на базы транзисторов. Все напряжения измеряются относительно общей точки, образованной точкой соединения источников напряжения питания Uп1 и Uп2. Для организации нормальной работы каскада необходимо |Uп1|=|Uп2|=Uп. Каскад рассчитывается так, чтобы при отсутствии сигнала Uб1=Uб2=0 и Uвых1=Uвых2= Uп/2, причем обязательно выполняется равенство Iк1=Iк2=Iст/2. Для дифференциального усилителя вводятся понятия Uд – дифференциальное входное напряжение и Uс – синфазное входное напряжение, которые определяются следующим образом, Uвх1 = Uс + 0,5Uд, Uвх2 = Uс – 0,5Uд и соответственно Uд = Uвх1 – Uвх2, Uc = 0,5(Uвх1+ Uвх2).

Рассмотрим работу каскада. При подаче синфазного сигнала положительной полярности Uвх1 = Uвх2 возрастают напряжения на базах обоих транзисторов, что должно привести к возрастанию токов баз и как следствие к возрастанию токов коллекторов. Однако одновременное возрастание токов коллекторов не возможно, так как их сумма равна стабильному току, и это приводит к увеличению напряжения на эмиттерах на туже величину, что и синфазное напряжение. Так как токи коллекторов не изменятся то, и напряжения на коллекторах не изменятся. Описанный механизм работает однозначно только при условии строгой симметрии дифференциального усилителя. Важна особенность полученного вывода состоит в том, что увеличение Uс не приводит к увеличению Uвых. Однако, учитывая, что реальный источник имеет ограниченное внутреннее сопротивление возможно незначительное увеличение тока коллекторов и изменение напряжения на коллекторах, и поэтому вводят параметр ДУ коэффициент усиления синфазного сигнала Кс = - Rк/2r_ст, где r_ст – внутреннее сопротивление источника тока. Учитывая, что Rк<<r_ст коэффициент усиления синфазного сигнала намного меньше 1, и во многих случаях Кс ≈ 1/1000.

Подача на вход дифференциального сигнала соответствует, например, возрастанию напряжения на базе VT1 и уменьшению напряжения на базе VT2, что приводит к возрастанию тока базы и тока коллектора VT1 и к уменьшению тока базы и тока коллектора VT2. Выходные напряжения при этом изменяются, но напряжение на эмиттерах остается неизменным. Описанный механизм соответствует работе усилительного каскада с заземленным эмиттером, и поэтому коэффициент усиления дифференциального сигнала определяется выражением , для транзистора VT1 и , для транзистора VT2.

Учитывая, что в идеальном случае напряжение на эмиттерах не изменяется при изменении дифференциального напряжения, а изменяются только напряжения на базах dUд = 2dUбэ входное сопротивление определиться как r_вх = dUд/dIб = 2dUбэ/dIб = 2r_бэ. Отсюда видно, что дифференциальный усилитель при работе с малыми входными напряжениями имеет низкое входное сопротивление. Для увеличения его используют разные схемотехнические и конструктивные приемы. Установка в цепь эмиттера каждого транзистора дополнительного резистора. Как известно это приводит к появлению отрицательной обратной связи, что уменьшает коэффициент усиления и увеличивает входное сопротивление. Чтобы в этом случае уменьшение коэффициента усиления было не большим, используют микротоки коллектора, что позволяет увеличить сопротивление в цепи коллектора и получить незначительное уменьшение Кд. Другим приемом является использование транзисторов Дарлингтона или транзисторов с супербетта (β = 1000 ÷ 8000).

Выходное сопротивление определяется, как и для других каскадов, у которых выходной сигнал снимается с коллектора транзистора r_вых = R_k ||r_k.

Для оценки диапазона входных сигналов воспроизводимых на выходе с незначительными искажениями рассмотрим работу каскада при больших сигналах. Выразим токи коллекторов в виде экспоненциальных зависимостей и . К тому же учтем Iст = Iк1 + Iк2, Uд = Uбэ1 – Uбэ2. Отношение токов . Окончательно выражение тока коллектора VT1 через Iст имеет вид . Далее построим график зависимости Ik1/Iст = f(Uд/φ_Т), который приведен на рис. 67. Анализируя полученную передаточную характеристику, приходим к выводу, что при Uд = 0 токи коллекторов равны между собой.

Зависимость вцелом нелинейная и близка к линейной зависимости только при Uд ≈ (1÷2)*φ_т.

Таким образом, выходной сигнал с малыми искажениями можно получить только если входное напряжение имеет амплитуду не более 52мВ. При большем входном дифференциальном напряжении будем получать выходной сигнал с большими искажениями.