Усилители на биполярных транзисторах

Электронный усилитель в общем случае состоит из отдельных каскадов, соединенных между собой последовательно, смотри рисунок 4.2.

Рисунок 4.2 – Структурная схема усилителя

Функция передачи всего усилителя равна произведению функций передачи отдельных (i -х) каскадов рассчитывается по формуле (4.14)

(4.14)

откуда следует, что амплитудно-частотная характеристика усилителя является произведением АЧХ каскадов, а фазочастотная характеристика – соответственно суммой их ФЧХ, смотри формулы (4.15)

. (4.15)

Рассмотрим усилительный каскад на биполярном транзисторе с общим эмиттером (ОЭ), показанный на рисунке 4.3 и семейства выходных вольтамперных характеристик на рисунке 4.4.

Рисунок 4.3 - Усилительный каскад на биполярном транзисторе с общим эмиттером (ОЭ)

 

 

Рисунок 4.4 – Рабочий сектор семейства выходных ВАХ

Каждый каскад состоит из одного или нескольких основных активных элементов (транзисторов) и вспомогательных элементов, обеспечивающих режим по постоянному току (режим покоя) активных элементов, что требуется для работы каскада в линейном режиме.

Усилительный каскад состоит из:

Е_П – источник постоянного тока;

Е_r - источник переменного тока;

R_К – нагрузка усилителя по постоянному току;

R_Н – нагрузка усилителя по переменному току;

R_Э – элемент для повышения стабильности рабочей точки усилителя по постоянному току; кроме того R_Э по переменному току не должно оказывать влияния на работу схемы и для этого существует С_Э – на частотах усиления сопротивление С_Э должно быть минимальным;

R_Э С_Э – цепь эмиттерной термостабилизации;

С_Р – для отделения цепей по постоянному току (гальванически);

R_Б2 – является нагрузкой предыдущего каскада по переменному току, можно обойтись и без него, но без него работа транзистора сильно зависит от температуры окружающей среды;

R_Б1 R_Б2 – делитель, используется для задания I_Б в рабочей точке, на базу с помощью делителя подается постоянное напряжение той же полярности, что и на коллектор. Также для исключения влияния внутренних токов транзистора на работу схемы. Для стабильности работы схемы при изменении температуры I_д=2,5 I_Бmax.

Расчет каскада сводится к выбору точки покоя на статической линии нагрузки, определению величин резисторов по заданным параметрам нагрузки, например, U _{m вых} и R _н, и напряжению источника питания E_П. Выбор рабочей точки осуществляется по постоянному току, но это обеспечивает работу усилительного каскада по переменному току.

Выбранная точка покоя (рабочая) должна обеспечить требуемую величину тока и напряжения на нагрузке без нелинейных искажений и удовлетворять предельным параметрам транзистора. Она характеризуется значениями тока и напряжения коллектора при отсутствии входного сигнала ( на рисунке 4.4) и должна располагаться в рабочем секторе семейства выходных характеристик.

Рабочий сектор семейства выходных ВАХ биполярного транзистора, образующего усилительный каскад, ограничивается, с одной стороны, участками с нелинейной зависимостью между выходным и входным сигналами ( – режим отсечки; – режим насыщения), а с другой стороны, участками, где возможен электрический () или тепловой пробой (при рассеиваемой транзистором мощности больше допустимой ). В пределах рабочего сектора положение рабочей точки определяется требованиями к параметрам каскада - коэффициент усиления, потребляемая мощность, максимальная выходная мощность, КПД и др.

Ток покоя находим из выражения (4.16)

I _кп³ I _mн= U _{m вых}/ R _н (4.16)

Напряжение покоя обычно выбирается из равенства (4.17) чтобы обеспечить максимальное выходное напряжение без искажений

U _кэп= E _П/2, (4.17)

Уравнение статической линии нагрузки (4.18)

I _к= (4.18)

Построение статической линии нагрузки для усилительного каскада, смотри рисунок 4.5, показано на рисунке 4.6 (линия ав). Задаем, как данные, значения Е_П и I_К в зависимости от размера предполагаемого усиления данного каскада. В рабочем секторе строим нагрузочную прямую, угол наклона которой определяется в зависимости от амплитуды выходного сигнала. На нагрузочной прямой задаем рабочую точку (покоя), причем задаем посередине, т.к. необходимо сформировать положительные и отрицательные полуволны и так, чтобы не было искажений сигнала (нарисовать зависимость U_КЭ от времени – по поводу искажений выше U_КЭмах и ниже 0).

Линию нагрузки можно построить в координатах I _к, U _кэ по двум точкам. Одна из них - точка покоя П, координаты которой определены. Вторая может быть получена согласно уравнению - если принять I _к=0, то U _кэ= E_П.

Чтобы обеспечить заданный режим покоя, надо рассчитать величины R _к по формуле (4.19), R_Б по формуле (4.20) и I_{Б п} по формуле (4.21)

R _к= ; (4.19)

R_Б = ; (4.20)

I_{Б п}= I _Кп/ h ₂₁ (4.21)

 

 

 

Рисунок 4.5 – Усилительный каскад каскад на биполярном транзисторе с общим эмиттером

 

 

Рисунок 4.6 - Линии нагрузки для усилительного каскада

При работе каскада в режиме холостого хода и i _вх= I _mвх sinwt рабочая точка перемещается по статической линии нагрузки в обе стороны от точки покоя. Амплитуда переменной составляющей напряжения коллектор-эмиттер или равного ей выходного напряжения не может быть больше E _П/2.

Ток базы и напряжение коллектор-эмиттер определяем по формулам (4.22), (4.23)

, (4.22)

(4.23)

 

При работе каскада на нагрузку в коллекторную цепь параллельно R _к включается R _н. Поэтому режим работы каскада меняется. Рабочая точка перемещается по динамической линии нагрузки, смотри уравнение (4.24)

(4.24)

Динамическая линия нагрузки должна проходить через точку покоя П (частный случай - Di _кэ=0). Вторую точку можно получить, задавшись приращением Di _к и подсчитав изменение напряжения DU_кэ относительно координат точки покоя. Динамическая линия нагрузки показана на рисунке 4.6 (c-d). Очевидно, что угол между осью U _кэ и динамической линией нагрузки тем больше, чем меньше R _н (при R _н=0 он составит 90°). В связи с этим предельная амплитуда выходного напряжения U _{вых пр} с уменьшением R _н становится меньше E _к/2. Это может вызвать появление нелинейных искажений. Если заданное значение U _{m вых}, больше, чем U _{вых пр}, чтобы избежать нелинейных искажений, надо сместить точку покоя. Увеличивают I _кп и анализ повторяют.

Динамические параметры каскада показаны в выражениях (4.25) – (4.27)

к_и = ; (4.25)

; (4.26)

к_р=к_ик_i. (4.27)

 

При увеличении температуры окружающей среды у биполярного транзистора уменьшается напряжение открытого эмиттерного p-n -перехода и увеличивается тепловой ток закрытого коллекторного p-n- перехода, а также коэффициент передачи эмиттерного тока , в результате чего увеличивается ток коллектора , т.е. смещается рабочая точка