Однокаскадные усилители

Обобщенная схема усилителя, содержащая входную и выходную цепи, управляемый источник и цепь ОС, приведена на рис. 3.2, но в реальных схемах некоторые из этих узлов могут отсутствовать. Рассмотрим сначала однокаскадные усилители, среди которых наибольшее распространение получили повторители напряжения, повторители тока и усилители напряжения.

Повторители напряжения (ПН) – это усилители с коэффициентом передачи по напряжению К_U»1. Их часто используют для усиления сигнала по току, а также в качестве буферных усилителей для исключения влияния низкоомной нагрузки на источник с высоким выходным сопротивлением. ПН могут быть выполнены на транзисторах, электронных лампах и ОУ. Простейшей схемой ПН является эмиттерный повторитель (ЭП) – частный случай ПН на БТ, включенным по схеме с общим коллектором (ОК) (рис. 3.3 а), и эквивалентной схемой для режима малого сигнала (РМС) (рис. 3.3 б), из которой видно, что U_вых = U_вх, т.е. K_U = 1.

Из этой же схемы, полагая I_К = bI_Б, нетрудно получить

; (3.1)

(3.2)

или, с учетом влияния R_Э,

. (3.3)

В реальности, с учетом эквивалентной схемы БТ (рис. 2.8), значение K_U будет несколько меньше единицы,

, (3.4)

однако значительное усиление по току (b = 50…200), большое входное (сотни кОм) и малое выходное (доли Ома) сопротивления обеспечивают этому ПН неплохие буферные свойства.

Аналогично, в качестве ПН могут использоваться катодный (ПН на ЭВТ, рис. 3.4 а) и истоковый (ПН на ПТУП, рис. 3.4 б) повторители, имеющие практически одинаковую схему замещения (рис. 3.4 в), из которой

, (3.5)

где S – крутизна выходной ВАХ. Следует заметить, что по сравнению с ЭП повторители на ЭВТ и ПТ имеют очень большое R_вх (сотни МОм) и довольно высокое R_вых (500…1000 Ом), что необходимо учитывать при их использовании в качестве буферных каскадов.

Иногда при использовании ЭП усиление по току одного транзистора (b) оказывается недостаточным. В этих случаях вместо одного БТ можно использовать составной транзистор (схему Дарлингтона, рис. 3.5), для которого эмиттерный ток Т₁ равен базовому току Т₂, а общий коэффициент усиления по току равен

, (3.6)

т.е. значения K_I, R_вх и R_вых ЭП будут определяться теми же формулами (3.1) – (3.3) с заменой b на b _S. Далее, поскольку Т₁ работает в микрорежиме (b ₁< b ₂), то быстродействие схемы будет несколько хуже. Поэтому для ускорения переходных процессов в Т₂ часто параллельно его переходу база–эмиттер включают дополнительное сопротивление R_Д (рис. 3.5).

Повторители тока (ПТ) – это усилители с коэффициентом усиления по току K_I = 1. Простейшая схема повторителя тока на БТ, включенным по схеме с общей базой (ОБ), приведена на рис. 3.6 а, а его эквивалентная схема для РМС – на рис. 3.6 б.

Из схемы замещения видно, что эмиттерный ток и коэффициент усиления ПТ по току определяются согласно

, (3.7)

а коэффициент усиления по напряжению –

. (3.8)

При этом, с учетом эквивалентной схемы БТ (рис. 2.8),

R_вх» r_Э; R_вых = r_К || R_H. (3.9)

Характеристики ПТ на ЭВТ и полевых транзисторах аналогичны (3.7) – (3.9), т.е. обеспечивают низкое R_вх, высокое R_вых и K_I» 1, а также отсутствие фазового сдвига между U_вх (I_вх) и U_вых (I_вых).

Усилители напряжения (УН) – могут быть выполнены на БТ, ПТ, электронных лампах, а также на ИС операционных усилителей (ОУ). Простейшая схема однокаскадного усилителя напряжения на БТ, включенным по схеме с общим эмиттером (ОЭ), представлена на рис. 3.7 а, а его эквивалентная схема для РМС – на рис. 3.7 б, из которой (без учета С_Э) следует

, т.е. в предположении I_Б» 0 коэффициент усиления схемы

, (3.10)

или, с учетом внутреннего сопротивления эмиттера r_Э,

. (3.11)

Из (3.11) следует, что при R_Э = 0 К_U будет иметь конечное значение . Следует отметить, что знак минус в формулах (3.10), (3.11) соответствует сдвигу фазы U_вых по сравнению с U_вх на 180°.

Если использовать Т–образную схему замещения БТ (рис. 2.8), то без учета С_Б, С_Э можно получить

. (3.12)

Учет влияния С_Б, С_Э и частотных свойств самого БТ приводит к «завалу» АЧХ усилителя напряжения на нижних и верхних частотах (рис. 3.8), поскольку R_вх и r_Э приобретают комплексный характер, отражающийся на поведении , который на низких частотах приобретает вид