Особенности усилительного каскада с общим эмиттером

~ ЛЕКЦИЯ 12 ~

УСИЛИТЕЛЬНЫЙ КАСКАД ОЭ

Особенности усилительного каскада ОЭ рассмотрим на примере схемы (рис. 17).

Рис. 17. Схема усилительного каскада ОЭ.

Назначение элементов схемы:

С_Р – разделительный конденсатор, разделяет источник входного сигнала е_Г и усилитель по постоянной составляющей входного тока i_ВХ;

С_С – конденсатор связи, соединяет усилитель (коллекторную цепь) с нагрузкой по переменной составляющей тока;

C_Э – шунтирующий конденсатор в эмиттерной цепи, закорачивает резистор R_Э по переменной составляющей тока i_Э ;

R₁, R₂ – базовый делитель для фиксации режима покоя во входной цепи;

R_Э – элемент последовательной термостабилизации по току;

R_К – коллекторная нагрузка;

R_Н  – нагрузка усилителя;

Е_К – источник питания;

VT – усилительный прибор (биполярный транзистор).

Анализ каскада по постоянному току проводят графо-аналитическим методом, который основан на графических построениях, результаты которых используются в расчетах. Графическая часть метода реализуется на входных и выходных статических характеристиках транзистора. Начинают построения с динамической выходной характеристики или линии недогрузки по постоянному току, которая является геометрическим местом рабочих точек или точек покоя каскада по постоянным току I_{К Р} и напряжению U_{КЭ Р}. Динамическая выходная характеристика транзистора U_{КЭ Р}=F(I_{К Р}) аналитически может быть представлена уравнением линии нагрузки:

U_{КЭ Р}=Е_К-I_{К Р}×R_К.

Это уравнение является уравнением прямой линии, что позволяет построить линию нагрузки по двум точкам (рис. 18): точке холостого хода на оси абсцисс (т. а) и точке короткого замыкания на оси ординат (т. б). Для точки а I_{К Р}=0, U_{КЭ Р}=-Е_К, для точки б U_{КЭ Р}=0, I_{К Р}=Е_К/R_Ки I_{К Р}®I_{К max}.

Рис. 18. Графическое определение режима покоя каскада ОЭ на статических

характеристиках транзистора: а – входной; б – выходной.

Точки с 1 по 7 – рабочие точки каскада. Положение точки покоя Р определяем в средней части линии нагрузки. Для уменьшения нелинейных искажений транзистор будет работать в активном режиме, исключая режимы отсечки и насыщения. Для этого зададим ток базы I_Б1£I_Б £I_Бmax, I_Б1 = I_Бmin.

Анализируя каскад по постоянному току, графически определяем I_{Б Р}, U_{БЭ Р}, U_{БЭ max}, U_{БЭ min}, I_{Б min}, I_{Б max}, I_{К Р}, U_{КЭ Р}, I_{Э Р}=I_{К Р}+ I_{Б Р}.

При появлении на входе усилителя напряжения U_ВХ в базовой цепи транзистора потечет переменный ток i_ВХ, который связан с U_ВХ входной статической характеристикой. В цепи коллектора, появится переменный ток i_ВЫХ и переменное напряжение U_ВЫХ, связанное с током i_ВЫХ линией нагрузки.

Исходными параметрами при расчете усилителя являются амплитуды переменных тока нагрузки I_{H m} и напряжения U_{ВЫХ m}, мощность нагрузки Р_H и сопротивление нагрузки R_H. Для расчета усилителя достаточно знать два из них, например U_ВЫХи R_H.

Для исключения нелинейных искажений параметры режима покоя должны удовлетворять следующим условиям:

U_{КЭ Р}>U_{ВЫХ m}+DU_{КЭ Р},

I_{К Р}>I_{K m}+I_{К 0},

где DU_{КЭ Р} – напряжение на коллекторе, соответствующее области нелинейных участков выходных характеристик транзистора;

I_{К 0} – начальный ток коллектора, соответствующий максимальной температуре.

Ток I_{K m} связан с выходным напряжением каскада соотношением:

.

Чтобы увеличить коэффициенты усиления каскада, величину R_K выбирают в 3-5 раз больше R_Н, R_K=(3¸5)R_Н.

По выбранному току I_{К Р} находят ток базы покоя I_{Б Р}:

,

а по входным характеристикам транзистора (рис. 18, а) – напряжение U_{БЭ Р}.

При выборе величины Е_К (если она не задана) необходимо выполнить условие:

Е_К=U_{КЭ Р}+I_{К Р}×R_К+U_{Э Р},

U_{Э Р}=I_{Э Р}×R_Э»I_{К Р}×R_Э.

Для достижения хорошей температурной стабильности каскада без значительного повышения Е_К U_{Э Р} выбирают равным (0,1¸0,3)Е_К. С учетом этого получаем:

.

Практически Е_К выбирают как Е_К»(1,2¸1,5)2U_{ВЫХ m}.

Сопротивление R_Э определяют из отношения:

.

При расчете элементов входного делителя, фиксирующих режим покоя, необходимо, чтобы ток делителя I_ДЕЛ, протекающий через резисторы R1 и R2 (I_ДЕЛ=E_K/(R1+R2)), превышал ток I_{Б Р}, а резисторы R1 и R2 не шунтировали входную цепь транзистора. Поэтому вводят ограничения:

где r_ВХ – входное сопротивление транзистора переменному току.

Его находят по входной статической характеристике r_ВХ=DU_{Б Э}/DI_Б или через физические параметры r_ВХ=r_Б+(1+b)r_Э.

Соотношения для расчета сопротивлений R1 и R2 получаем из схемы (рис. 17):

Тип транзистора выбирают с учетом граничной частоты f_a или f_b и допустимых тока, напряжения и мощности:

I_К.ДОП>I_{K max}=I_{K P}+I_{K m},

U_КЭ.ДОП>E_­K,

P_К.ДОП>U_{КЭ Р}×I_{К Р}.

Кривая предельно допустимой мощности представляет собой гиперболу, для каждой точки которой U_КЭ×I_К=P_К.ДОП (рис. 18,б).

Таким образом, расчет каскада по постоянному току позволяет выбрать элементы схемы для получения в нагрузке необходимых параметров выходного сигнала.

Для определения коэффициентов усиления по току K_I, напряжению K_U и мощности K_P, а также входного R_ВХ и выходного R_ВЫХ сопротивлений каскада рассчитывают усилительный каскад по переменному току.

В расчете каскада по переменному току допускаем, что сопротивление источника питания переменному току равно нулю, токи и напряжения в схеме характеризуются их действующими значениями, связанными с амплитудными значениями коэффициентом .

Входное сопротивление каскада R_BX зависит от включенных параллельно R1, R2, r_ВХ.

Коэффициент усиления по току  находим как:

если

где r_К(Э) – дифференциальное сопротивление закрытого коллекторного перехода.

Для ориентировочной оценки K_I можно принять R_BX »r_BX и . Тогда K_Iопределим из выражения:

Если , K_Iстремится b.

Коэффициент усиления каскада по напряжениюможно найти, выразив напряжение источника входного сигнала е_Г через входной ток каскада

или

Для увеличения K_U необходимо выбирать усилительный прибор с высоким b и добиваться увеличения R_ВЫХ  () по сравнению с R_ВХ. Коэффициент усиления по напряжению возрастает с уменьшением внутреннего сопротивления источника сигнала R_Г. Коэффициент K_U в схеме ОЭ составляет 20-100.