Среди многочисленных вариантов усилительных каскадов на БТ самое широкое применение находит каскад с ОЭ, имеющий максимальный коэффициент передачи по мощности , вариант схемы которого приведен на рисунке 2.9.
Если входного сигнала нет, то каскад работает в режиме покоя. С помощью резистора задается ток покоя базы . Ток покоя коллектора . Напряжение коллектор-эмиттер покоя . Отметим, что в режиме покоя напряжение составляет десятки и сотни мВ (обычно 0,5…0,8 В). При подаче на вход положительной полуволны синусоидального сигнала будет возрастать ток базы, а, следовательно, и ток коллектора. В результате напряжение на возрастет, а напряжение на коллекторе уменьшится, т.е. произойдет формирование отрицательной полуволны выходного напряжения. Таким образом, каскад с ОЭ осуществляет инверсию фазы входного сигнала на .
Графически проиллюстрировать работу каскада с ОЭ можно, используя входные и выходные статические характеристики БТ, путем построения его динамических характеристик (ДХ) [5,6]. Вследствие слабой зависимости входной проводимости транзистора g от величины нагрузки, входные статические и динамические характеристики практически совпадают. Выходные ДХ - это прямые линии, которые в координатах соответствуют уравнениям, выражающим зависимости между постоянными и переменными значениями токов и напряжений на нагрузках каскада по постоянному и переменному току.
Процесс построения выходных динамических характеристик (нагрузочных прямых по постоянному - , переменному - току) понятен из рисунка 2.10.
Следует отметить, что простое построение ДХ возможно только при активной нагрузке, т.е. в области СЧ АЧХ (см. рис.2.2), в областях НЧ и ВЧ нагрузочные прямые трансформируются в сложные кривые.
Построение ДХ и их использование для графического расчета усилительного каскада подробно описано в [5,6].
Нагрузки рассматриваемого каскада по постоянному и переменному току определяются как:
Координаты рабочей точки для малосигнальных усилительных каскадов выбирают на линейных участках входной и выходной ВАХ БТ, используя в малосигнальных усилительных каскадах так называемый режим (класс) усиления А. Другие режимы работы каскадов чаще используются в усилителях мощности, и будут рассмотрены в соответствующем разделе.
При отсутствии в справочных данных ВАХ БТ, координаты рабочей точки могут быть определены аналитическим путем (см. рисунок 2.10):
,
где - напряжение нелинейного участка выходных статических ВАХ транзистора, ;
Если для малосигнальных каскадов в результате расчета по вышеприведенным формулам значения и окажутся, соответственно, меньше 2 В и 1 мА, то, если не предъявляются дополнительные требования к экономичности каскада, рекомендуется брать те значения координат рабочей точки, при которых приводятся справочные данные и гарантируются оптимальные частотные свойства транзистора.
Для расчета параметров усилительного каскада по переменному току удобно использовать методику, описанную в разделе 2.3, а БТ представлять моделью, предложенной в разделе 2.4.1.
Полная электрическая схема усилительного каскада с ОЭ приведена на рис.2.11.
В отличие от ранее рассмотренного каскада (рис.2.9) здесь применена эмиттерная схема термостабилизации (), обеспечивающая лучшую стабильность режима покоя, принцип ее работы будет рассмотрен далее. Конденсатор необходим для шунтирования с целью соединения эмиттера транзистора с общим проводом на частотах сигнала (устранения обратной связи на частотах сигнала, вид и характер этой связи будет рассмотрен в соответствующем разделе).
Приведем эквивалентную схему каскада для частот сигнала (рис.2.12).
С целью упрощения анализа каскада выделяют на АЧХ области НЧ, СЧ и ВЧ (см. рис.2.2), и проводят анализ отдельно для каждой частотной области.
Эквивалентная схема каскада в области СЧ приведена на рисунке 2.13.
Как видно, эта схема не содержит реактивных элементов, т.к. в области СЧ влиянием на АЧХ разделительных () и блокировочных () емкостей уже можно пренебречь, а влияние инерционности БТ и еще незначительно.
Проведя анализ схемы, найдем, что
,
где ;
,
где ;
.
Эти соотношения получены в предположении, что низкочастотное значение внутренней проводимости транзистора много меньше и . Это условие (если не будет оговорено особо) будет действовать и при дальнейшем анализе усилительных каскадов на БТ. Такое допущение справедливо потому, что БТ является токовым прибором и особенно эффективен при работе на низкоомную нагрузку.
Эквивалентная схема каскада в области ВЧ приведена на рисунке 2.14.
Поведение АЧХ в этой области определяется влиянием инерционности транзистора и емкости .
Проведя анализ согласно методике раздела 2.4, получим выражение для коэффициента передачи каскада в области ВЧ:
,
где - постоянная времени каскада в области ВЧ.
Постоянную времени каскада для удобства анализа представим так:
,
где - постоянная времени транзистора (),
;
- постоянная времени выходной цепи транзистора,
;
- постоянная времени нагрузки,
.
Входную проводимость представим в виде:
,
где - входная динамическая емкость каскада,
.
Выходная проводимость определится как
,
где - выходная емкость каскада, .
Выражения для относительного коэффициента передачи и коэффициента частотных искажений в комментариях не нуждаются:
,
,
,
,
По приведенным выражениям строится АЧХ и ФЧХ каскада в области ВЧ.
Связь коэффициента частотных искажений и выражается как
.
В n-каскадном усилителе с одинаковыми каскадами наблюдается эффект сужения полосы рабочих частот, который можно скомпенсировать увеличением верхней граничной частоты каскадов до
.
Эквивалентная схема каскада в области НЧ приведена на рисунке 2.15.
Поведение АЧХ в этой области определяется влиянием разделительных () и блокировочных () емкостей.
Влияние этих емкостей на коэффициент частотных искажений в области НЧ каскада можно определить отдельно, используя принцип суперпозиции. Общий коэффициент частотных искажений в области НЧ определится как
,
где N - число цепей формирующих АЧХ в области НЧ.
Рассмотрим влияние на АЧХ каскада. Проведя анализ согласно методике раздела 2.4, получим выражение для коэффициента передачи в области НЧ:
,
где - постоянная времени разделительной цепи в области НЧ.
Постоянная времени разделительных цепей в общем случае может быть определена по формуле
,
где - эквивалентное сопротивление, стоящее слева от (обычно это выходное сопротивление предыдущего каскада или внутреннее сопротивление источника сигнала), - эквивалентное сопротивление, стоящее справа от (обычно это входное сопротивление следующего каскада или сопротивление нагрузки).
Для рассматриваемой цепи постоянная времени равна:
.
Выражения для относительного коэффициента передачи и коэффициента частотных искажений в области НЧ таковы:
,
,
,
,
и в комментариях не нуждаются. По этим выражениям оценивается влияние конкретной цепи на АЧХ и ФЧХ каскада в области НЧ.
Связь между коэффициентом частотных искажений и нижней граничной частотой выражается формулой
.
Аналогичным образом учитывается влияние других разделительных и блокировочных цепей, только для блокировочной эмиттерной цепи постоянная времени приблизительно оценивается величиной т.к. сопротивление БТ со стороны эмиттера приблизительно равно (см. подраздел 2.4.1), а влиянием в большинстве случаев можно пренебречь, т.к. обычно <<.
Результирующую АЧХ и ФЧХ каскада в области НЧ можно построить, используя уже упоминавшийся принцип суперпозиции.
В n-каскадном усилителе с одинаковыми каскадами наблюдается эффект сужения полосы рабочих частот, который в области НЧ можно скомпенсировать уменьшением нижней граничной частоты каскадов до .
2.6. Термостабилизация режима каскада на биполярном
транзисторе
Параметры БТ в значительной мере подвержены влиянию внешних факторов (температуры, радиации и др.). В то же время, одним из основных параметров усилительного каскада является его стабильность. Прежде всего, важно, чтобы в усилителе обеспечивался стабильный режим покоя.
Проанализируем вопрос влияния температуры на стабильность режима покоя БТ, конкретно - .
Существуют три основных фактора, влияющих на изменении под действием температуры: при увеличении температуры, во-первых, увеличивается напряжение , во-вторых, обратный ток коллекторного перехода , и, в третьих, возрастает коэффициент .
Для анализа реальный транзистор можно представить в виде идеального, у которого параметры не зависят от температуры, а температурную зависимость смоделировать включением внешних источников напряжения и тока (рисунок 2.16).
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22
