Усилительные каскады на биполярных транзисторах

~ ЛЕКЦИЯ 11 ~

УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Процесс усиления основывается на преобразовании энергии источника постоянного напряжения в энергию переменного сигнала в выходной цепи за счет изменения сопротивления усилительного элемента по закону, задаваемому входным сигналом.

Для обеспечения работы усилительного каскада при переменном входном сигнале в его выходной цепи должны быть созданы постоянные составляющие тока I_P и напряженияU_P. Задачу решают путем подачи во входную цепь каскада помимо усиливаемого сигнала соответствующего постоянного напряжения U_ВХ.Р  (или тока I_{ВХ. Р}).

Постоянные составляющие тока и напряжения определяют режим покоя усилительного каскада.

Показатели усилителя зависят от способа включения транзистора – с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ).

Режим покоя усилителя фиксируют различными способами.

Рассмотрим способы фиксации режима покоя в транзисторных усилителях:

-  фиксация автономным источником питания;

-  фиксация схемами автоматического смещения.

Для фиксации автономным источником питания используем усилитель ОБ (рис. 8).

Рис. 8. Фиксация режима покоя автономным источником питания в усилителе ОБ.

Ток покоя I_ЭР протекает по резисторуR_Э

,

где Е_Э – автономный источник питания;

R_Э – сопротивление в цепи эмиттера, задает величину тока I_ЭР покоя и положение точки покоя Р на входной статической характеристике (рис. 9).

Рис. 9. Графическое определение режима покоя на входной статической характеристике.

К недостаткам фиксации режима покоя автономным источником питания можно отнести снижение КПД и увеличение веса устройства.

Фиксацию режима покоя автоматическим смещением осуществляют делителем напряжения во входной цепи и входным током покоя.

Для примера рассмотрим усилитель ОЭ, фиксацию режима покоя в котором осуществим базовым делителем (рис. 10) и током базы покоя (рис. 12).

Рис. 10. Схема усилителя ОЭ с фиксацией режима покоя базовым делителем.

По сопротивлениям R1 и R2 (базовый делитель) протекает постоянный ток делителя I_ДЕЛ:

.

R1 и R2 выбираем такими, чтобы I_ДЕЛ=(2¸5)I_{Б Р} . Рассчитав I_ДЕЛ, определим напряжение на базе в режиме покоя U_{БЭ Р}

U_{БЭ Р}= I_ДЕЛ×R2.

Проверку осуществим по статической входной характеристике (рис. 11).

Кроме того, при расчете R1 и R2 вводят ограничение , где r_ВХ – входное сопротивление транзистора. R1 проверяют по соотношению.

Рис. 11. Фиксация режима покоя на статической входной характеристике (схема ОЭ).

Фиксация режима покоя током базы покоя представлена на рис. 12.

Рис. 12. Схема усилителя ОЭ с фиксацией режима покоя током базы покоя.

Для этой схемы .

Поскольку транзистор – полупроводниковый прибор, его параметры зависят от температуры, что может приводить к росту нелинейных искажений. Это происходит, прежде всего, из-за влияния температуры на токи в транзисторе, в том числе и токи покоя (рис. 13). С ростом температуры увеличиваются токи покоя и точка покоя Р перемещается по входной статической характеристике (рис. 13, а) и в выходной динамической характеристике (рис. 13, б) из положения Р в положение Р¢.

Рис. 13. Характеристики транзистора: статическая входная (а) и динамическая выходная (б).

Такое перемещение точки покоя Р приводит к работе усилительного прибора на нелинейных участках вольт-амперных характеристик (режимы отсечки и насыщения) и увеличению уровня нелинейных искажений.

Защитить усилитель от влияния температуры можно термостабилизацией режима покоя.

Существуют три способа термостабилизации:

-  эмиттерная термостабилизация или последовательная термостабилизация по току;

-  коллекторная термостабилизацияили параллельная термостабилизация по напряжению;

-  комбинированная термостабилизация.

При эмиттерной термостабилизации (рис. 14) в цепь эмиттера включают резистор R_Э, который создает отрицательную обратную связь по току относительно входной цепи. При росте температуры падение напряжения на этом резисторе уменьшает напряжение U_{БЭ Р}  и возвращает точку покоя примерно в прежнее положение Р.

U_{БЭ Р}=I_ДЕЛ ×R2 – I_{Э Р}×R_Э.

Конденсатор C_Э в схеме эмиттерной термостабилизации шунтирует (закорачивает) резистор R_Э по переменной составляющей эмиттерного тока I_Э.

Рис. 14. Усилитель ОЭ с фиксацией режима покоя базовым делителем и

эмиттерной термостабилизацией.

Схема коллекторной термостабилизации выполняет две функции: фиксирует и термостабилизирует режим покоя (рис. 15).

Рис 15. Усилитель ОЭ с коллекторной термостабилизацией.

Резистор R_Б, включенный параллельно транзистору VT осуществляет отрицательную обратную связь по напряжению U_{КЭ Р} или коллекторную термостабилизацию и фиксирует величину I_{Б Р:}

,

U_{БЭ Р}=E_К - U_{КЭ Р} - I_{Б Р}×R_Б.

При увеличении температуры растет ток I_{К Р}, что приводит к уменьшению напряжения U_{КЭ Р} и тока I_{Б Р}. Точка покоя Р возвращается на прежнее место (рис. 13).

Для защиты коллекторной термостабилизации от переменной составляющей тока I_Б используют конденсатор С_Ф.

Если схемы термостабилизации не справляются с поддержанием режима покоя при сильном изменении температуры, используют  цепи термокомпенсации (рис. 16):

-  ручная термокомпенсация переменным резистором;

-  автоматическая термокомпенсация полупроводниковым резистором.

а)

б)

Рис. 16. Фрагменты усилителя ОЭ:

а – с ручной термокомпенсацией; б – с автоматической термокомпенсацией.