logo

Схемотехника усилителей: Типовой усилительный каскад на биполярном транзисторе по схеме с ОБ и его анализ

Печать
Схемотехника - Схемотехника и конструирование схем

 

Cхема усилительного каскада на биполярном транзисторе \(n\)-\(p\)-\(n\)-типа во включении с общей базой (ОБ) показана на рис. 5.21 (для транзистора \(p\)-\(n\)-\(p\)-типа все останется прежним, только полярность источника питания, а соответственно, и направления токов изменятся на противоположные). Полная эквивалентная схема для переменных составляющих токов и напряжений в рабочем диапазоне частот для данного каскада имеет вид, представленный на рис. 5.22. Опираясь на эту эквивалентную схему, мы можем провести подробный анализ работы усилительного каскада с ОБ в режиме малого переменного сигнала и вывести выражения для вычисления его основных характеристик.

 

Схема усилительного каскада с ОБ

Рис. 5.21. Схема усилительного каскада с ОБ

 

Эквивалентная схема каскада с ОБ

Рис. 5.22. Эквивалентная схема каскада с ОБ

 

Входное сопротивление (\(R_{вх}\)) эквивалентной схемы на рис. 5.22 определяется параллельным включением резистора \(R_Э\) в цепи эмиттера и входного сопротивления транзистора \(r_{вх}\):

\(R_{вх} = R_Э || r_{вх}\), где \(r_{вх} = \cfrac{{U_Э}_\sim}{{I_Э}_\sim}\).      (5.18)

 

Уравнение Кирхгофа для переменного сигнала в точке Э (эмиттер транзистора \(VT1\)) имеет вид:

\( {U_Э}_\sim = {I_Э}_\sim r_э + {I_Б}_\sim r_б = {I_Э}_\sim r_э + {I_Э}_\sim \left( 1 - \alpha \right) r_б \).

 

Отсюда получим:

\( r_{вх} = r_э + \left( 1 - \alpha \right) r_б \approx r_э\).      (5.19)

 

Сравнивая полученное выражение с формулой (5.1), отражающей входное сопротивление транзистора при включении с ОЭ, можно видеть, что во включении с ОБ этот же транзистор (при сохранении неизменными значений всех прочих элементов схемы) иногда имеет более чем на порядок меньшее входное сопротивление.

Может показаться, что низкое входное сопротивление предопределяет малую эффективность усилительного каскада с ОБ. Однако это верно лишь отчасти. Действительно, на низких частотах, когда важнейшим параметром усилителя является его КПД, малое входное сопротивление может создать некоторые проблемы, но в высокочастотных каскадах, где большее значение имеет не КПД, а коэффициент передачи мощности (определяется качеством согласования выходного и входного импедансов сопрягаемых каскадов), входное сопротивление усилительного каскада с ОБ обычно оказывается именно в тех пределах (20...100 Ом), которые и необходимы для оптимального режима работы.

Кроме того, отметим, что высокий входной ток усилительного каскада с ОБ обусловливает еще одно несколько нестандартное применение данного вида включения транзистора. Речь идет об использовании каскадов с ОБ в качестве динамической нагрузки различных схем. Подключая такую нагрузку, иногда можно значительно улучшить параметры усилителей, построенных по схеме с ОЭ или с ОК.

 

Выходное сопротивление (\(R_{вых}\)) эквивалентной схемы на рис. 5.22 определяется при отключенной нагрузке по переменному току \(R_Н\) и в режиме холостого хода на входе, т.е. при \({I_Э}_\sim = 0\):

\( R_{вых} = R_К || \left( r_к + r_б \right) \approx R_К \).      (5.20)

 

Вернемся теперь к формуле (5.2), выражающей выходное сопротивление усилительного каскада с ОЭ. Учитывая, что значение дифференциального сопротивления rк коллекторной области транзистора в схеме с ОБ значительно выше этого же значения в схеме с ОЭ \(r_к^* \approx \cfrac{r_к}{\beta + 1}\), а величина сопротивления \(R_К\) обычно по порядку близка к \(r_к^*\), полное выходное сопротивления усилительного каскада, построенного по схеме с ОБ, оказывается в 1,5...2 раза выше аналогичного показателя каскада с ОЭ. Это означает, что в низкочастотных усилителях при использовании схемы с ОБ мы сталкиваемся с проблемой некоторого падения КПД, а при построении высокочастотных усилителей по схеме с ОБ на их выходе неизбежно должны включаться цепи согласования, обеспечивающие оптимальную передачу полезной мощности сигнала в последующий каскад, имеющий низкое входное сопротивление.

 

Коэффициент усиления по току (\({K_I}_\sim\)) находится как отношение токов выходной и входной цепей. Таким образом, сначала необходимо найти общие выражения для этих токов.

Подобно схеме с ОЭ, входной ток в схеме с ОБ также содержит две составляющие:

    \({I_1}_\sim\) — ток в резисторе RЭ, определяющий часть мощности входного сигнала, рассеиваемой этим резистором;

    \({I_Э}_\sim\) — ток эмиттера, определяющий часть мощности входного сигнала, затрачиваемой на управление выходным током.

\( {I_{вх}}_\sim = {I_Э}_\sim + {I_1}_\sim \);

\( {I_1}_\sim R_Э = {I_Э}_\sim r_{вх}     \Rightarrow     \cfrac{{I_1}_\sim }{{I_Э}_\sim} = \cfrac{r_{вх}}{R_Э}     \Rightarrow     {I_1}_\sim  = {I_Э}_\sim \cfrac{r_{вх}}{R_Э} \);

\( {I_{вх}}_\sim = {I_Э}_\sim \cfrac{R_Э + r_{вх}}{R_Э} \).

 

И далее получаем:

\( {I_Э}_\sim  = {I_{вх}}_\sim  \cfrac{R_Э}{R_Э + r_{вх}} = \gamma_{вх} {I_{вх}}_\sim     \Rightarrow     {I_{вх}}_\sim  = \cfrac{1}{\gamma_{вх}} {I_Э}_\sim \),

где \(  \gamma_{вх} = \cfrac{R_Э}{R_Э + r_{вх}} \) — коэффициент передачи тока входной цепи.

 

Выходная цепь оценивается аналогично:

\({I_Н}_\sim = \gamma_{вых} {I_К}_\sim \),

где \( \gamma_{вых} = \cfrac{R_К}{R_К + R_Н} \) — коэффициент передачи тока выходной цепи.

 

И далее, коэффициент усиления по току для каскада с ОБ выражается следующим образом:

\( {K_I}_\sim = \cfrac{{I_Н}_\sim}{{I_{вх}}_\sim} = \gamma_{вых} \gamma_{вх} \cfrac{{I_К}_\sim}{{I_Э}_\sim} = \gamma_{вых} \gamma_{вх} \alpha \).    (5.21)

 

Учитывая, что дифференциальный коэффициент передачи тока эмиттера a всегда меньше единицы, приходим к выводу, что общий коэффициент усиления по току в схеме с ОБ в любом случае также оказывается меньше единицы. Данное свойство практически исключает возможность построения многокаскадных усилителей только лишь на базе схемы с ОБ (кроме случаев применения трансформаторов в межкаскадных связях). Т.е., когда мы используем усилитель с ОБ, то всегда должны следить за тем, чтобы сигнальный ток не падал ниже допустимых пределов. Это, как правило, обеспечивается включением каскада с ОЭ или с ОК последовательно (перед или после) с усилителем с ОБ.

 

Коэффициент усиления по напряжению (\({K_U}_\sim\)) равен отношению выходного напряжения (напряжения на нагрузке) к входному напряжению (напряжению источника сигнала).

\( {U_Н}_\sim = {I_Н}_\sim R_Н = \alpha {I_Э}_\sim R_{КН} \) , где \(R_{КН} = R_К || R_Н\).

\( {U_{вх}}_\sim = {U_Э}_\sim = {I_{вх}}_\sim R_{вх} = {I_Э}_\sim \cfrac{R_{вх} }{\gamma_{вх}} \);

\( {K_U}_\sim = \cfrac{{U_Н}_\sim }{{U_{вх}}_\sim } = \cfrac{\alpha {I_Э}_\sim R_{КН}}{{I_Э}_\sim {R_{вх} }/{\gamma_{вх}} } = \alpha \cfrac{R_Н}{R_{вх}} \gamma_{вх} \gamma_{вых} \).    (5.22)

 

Из формулы (5.22) следует несколько очевидных заключений.

Во-первых, общий коэффициент усиления по напряжению двух соединенных последовательно однотипных усилительных каскадов с ОБ (когда нагрузкой \(R_Н\) первого каскада является входное сопротивление \(R_{вх}\) второго каскада) оказывается меньше единицы (\({K_U}_\sim {}_\Sigma < 1\)). А если вспомнить, что в схемах с ОБ не происходит и усиления по току, то становится очевидным, что рассматриваемая цепь фактически не является усилителем и ее реализация бессмысленна без введения дополнительных согласующих элементов (например, трансформаторов) между каскадами.

Во-вторых, для получения в каскаде с ОБ значительного усиления по напряжению (и, соответственно, по мощности) необходимо, чтобы он работал на достаточно высокое сопротивление нагрузки. И чем выше будет это сопротивление, тем большее усиление можно получить. На практике в качестве такой высокоомной нагрузки часто используют эмиттерный повторитель (разновидность каскада с ОК). Следует, однако, помнить, что повышение коэффициента усиления неизбежно приводит к падению устойчивости усилительного звена, которая в случае схемы с ОБ и так достаточно мала. Поэтому всегда приходится следить за соблюдением разумного равновесия между двумя этими факторами, компенсируя по мере надобности тот из них, который проявляется чересчур сильно. Например, чрезмерное усиление можно подавить путем введения цепей отрицательной обратной связи, а низкоомную нагрузку подключить через согласующую цепь.

 

Коэффициент усиления по мощности (\({K_P}_\sim\)) находится путем перемножения соотношений (5.21) и (5.22):

\({K_P}_\sim = \gamma_{вх}^2 \gamma_{вых}^2 \alpha^2 \cfrac{R_Н}{R_{вх}}\).      (5.23)

 

При подробном анализе формулы (5.23) видно, что для достижения максимально возможного коэффициента усиления по мощности в схеме с ОБ уже недостаточно просто повышать сопротивление нагрузки, как это было описано для коэффициента усиления по напряжению, — требуется, чтобы это сопротивление было равно некоторому оптимальному значению, при котором и обеспечивается наибольшая выходная мощность. Т.е. речь идет об уже неоднократно упоминавшемся ранее согласовании импедансов, имеющем наибольшее значение при конструировании высокочастотных усилителей, где от качества этого согласования во многом зависят устойчивость, динамический диапазон и уровень нелинейных искажений (напомним, что в низкочастотных каскадах предпочтение обычно отдается вопросам повышения КПД и согласование импедансов как таковое не производится).

Сравнивая выражение (5.23) с аналогичным выражением (5.6) для коэффициента усиления по мощности схемы с ОЭ, можно видеть, что теоретически в усилителе с ОЭ достижимо более высокое значение коэффициента усиления по мощности, чем в усилителе с ОБ. Однако не все здесь так просто. Дело в том, что для нормальной работы в широком частотном диапазоне усилитель с ОЭ приходится охватывать достаточно глубокой ООС (например, ООС по току нагрузки, обеспечиваемой резистором \(R_Э\) в цепи эмиттера транзистора), которая выравнивает частотную характеристику, но также существенно снижает общий коэффициент усиления по мощности (сильная частотная зависимость коэффициента усиления по мощности каскада с ОЭ без цепи ООС обусловлена заметным падением дифференциального коэффициента передачи тока базы \(\beta\) по мере роста частоты усиливаемого сигнала). В случае же использования усилителя по схеме с ОБ необходимость в глубокой ООС обычно отпадает (иногда это все-таки может потребоваться для обеспечения устойчивости), поскольку частотная зависимость дифференциального коэффициента передачи тока эмиттера a не выражена так явно, как в случае c коэффициентом передачи тока базы \(\beta\) (т.е. \(\omega_\alpha \gg \omega_\beta\), где \(\omega_\alpha\),\(\omega_\beta\) — граничные частоты коэффициентов передачи тока \(\alpha\) и \(\beta\) соответственно). В результате всех указанных обстоятельств на практике при конструировании широкополосных усилителей в схемах с ОБ достижим коэффициент усиления, сравнимый, а иногда и больший, чем в аналогичных усилителях с ОЭ. Для узкополосных усилителей эффективнее все-таки оказываются решения с ОЭ.

Дополнительным управляемым фактором, имеющим некоторое влияние на коэффициент усиления в каскаде с ОБ, является коэффициент передачи тока входной цепи gвх. Увеличивая величину сопротивления \(R_Э\), мы сокращаем потери на входе каскада, значение коэффициента передачи входной цепи становится ближе к единице — общий коэффициент усиления растет. Увеличение \(R_Э\), кроме того, оказывает положительное влияние на температурную стабильность каскада, поскольку при этом растет глубина ООС по постоянному току (см. Обеспечение устойчивости рабочей точки). Однако этот ресурс имеет определенный предел. Дело в том, что усилительные свойства транзистора зависят от абсолютных величин токов и напряжений, присутствующих на его электродах. И по мере увеличения сопротивления в цепи эмиттера все труднее становится удерживать транзистор в заданных рамках, корректируя значения других элементов цепей смещения. Оптимальный режим работы по постоянному току нарушается. Как следствие растут искажения и падает усиление. Бороться с этим явлением в низкочастотных усилителях довольно сложно. Помочь здесь может только замена резистора \(R_Э\) на источник тока с высоким внутренним сопротивлением (такой источник тока может быть построен с применением дополнительного транзистора). В высокочастотных же усилителях допустимо более простое решение. Оно заключается во включении последовательно с резистором \(R_Э\) некоторой индуктивности, чье сопротивление в рабочей полосе частот усилителя крайне высоко. В результате режим работы каскада по постоянному току не нарушается, а потери полезного сигнала во входной цепи становятся ничтожно малыми (\(\gamma_{вх} \approx 1\)). Заметим, что в высокочастотных усилителях минимизация потерь во всех цепях является одним из важнейших требований. Пример описанного решения можно найти на рис. 3.20,а.

В общем случае применение усилительных каскадов с ОБ наиболее рациональным оказывается именно в высокочастотных усилителях, особенно во входных трактах высокочувствительной приемной аппаратуры, в различных датчиках и измерительных приборах, где важнейшими параметрами являются чувствительность и коэффициент шума каскада. По данным показателям усилители с ОБ занимают первое место среди схем на базе биполярных транзисторов. Проблемы здесь могут возникнуть только в вопросах обеспечения устойчивости, особенно при построении узкополосных усилителей. Основным способом их преодоления является охват усилителя цепями внутрикаскадных ООС, которые хотя и снижают коэффициент усиления, но повышают общую устойчивость усилителя. В низкочастотных трактах использование усилителей с ОБ затруднено по причине низкого входного сопротивления и относительно узкого динамического диапазона. Однако и здесь можно добиться хороших показателей, используя комбинированные (т.н. каскодные) схемы, в которых каскад с ОБ включается последовательно с каскадом с ОЭ или с ОК.

Вспомним, при анализе усилителя с ОЭ мы отмечали инверсию проходящего через него сигнала. В усилителе с ОБ такого эффекта не наблюдается. Данный факт отражается и в эквивалентной схеме на рис. 5.22 — положительные направления для входного и выходного напряжений совпадают.

 

 

 



Все права защищены © 1997-2011 Перепечатка возможна только по согласованию с владельцем авторских прав. admin@club155.ru

Яндекс.Метрика               Сервер радиолюбителей России - схемы, документация,

 соревнования, дипломы, программы, форумы и многое другое!   схемы новости электроники