Каскад усиления

4.5.1. Введение

Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель
напряжения,  имеющий  большой коэффициент усиления и высокое входное сопротивление.
В настоящее время операционные усилители выпускают в виде интегральных
микросхем. Они содержат большое число элементов (транзисторов и диодов), но по
размерам и стоимости близки к отдельным транзисторам. Типичные параметры
интегрального ОУ следующие:

, коэффициент усиления напряжения

KU
= 104–106.

Благодаря совершенным характеристикам операционных
усилителей на их основе возможна реализация большого числа как линейных, так и
нелинейных устройств. Вследствие  своей надежности и универсальности операционный
усилитель стал самым массовым элементом аналоговой схемотехники.

Типовая структура ОУ показана на рис. 4.5.1. Как
правило, в ОУ используются расщепленные источники питания (напряжение питания
составляет обычно от  
до  В). За счет
использования расщепленных источников выходное напряжение может принимать как положительные,
так и отрицательные значения.

Рис. 4.5.1

Входным каскадом ОУ является дифференциальный усилитель. Его основное назначение –
предварительное усиление дифференциального сигнала и ослабление синфазной составляющей.
Наличие дифференциального входа позволяет легко включать внешние цепи обратной связи.
Коэффициент усиления входного каскада не превышает нескольких десятков.

Второй каскад реализуется на основе схемы с общим эмиттером. Он обеспечивает основную долю
коэффициента усиления напряжения. Третий, выходной каскад – повторитель напряжения. Его назначение –
усиление мощности выходного сигнала. Выходное сопротивление повторителя напряжения
низкое и не превышает 100 Ом.

В интегральных усилителях для смещения рабочих точек
транзисторов используют источники тока. Такие источники реализуют на основе
отражателей тока. Преимущество таких цепей смещения заключается в том, что
отражатели тока имеют большее внутреннее сопротивление и при этом занимают
меньшую площадь, чем резисторы большого номинала. Один отражатель тока может
формировать токи смещения нескольких каскадов усиления.

Рассмотрим примеры простейших операционных усилителей на
биполярных транзисторах, характеризующие основные особенности схемотехники
интегральных ОУ.

Характеристики биполярного транзистора.

Выделяют несколько основных характеристик транзистора, которые позволяют понять, как он работает, и как его использовать для решения задач.

И первая на очереди – входная характеристика, которая представляет из себя зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер при определенном значении напряжения коллектор-эмиттер:

I_{б} = f(U_{бэ}), \medspace при \medspace U_{кэ} = const

В документации на конкретный транзистор обычно указывают семейство входных характеристик (для разных значений U_{кэ}):

Входная характеристика, в целом, очень похожа на прямую ветвь . При U_{кэ} = 0 характеристика соответствует зависимости тока от напряжения для двух p-n переходов включенных параллельно (и смещенных в прямом направлении). При увеличении U_{кэ} ветвь будет смещаться вправо.

Переходим ко второй крайне важной характеристике биполярного транзистора – выходной! Выходная характеристика – это зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при постоянном токе базы. I_{к} = f(U_{кэ}), \medspace при \medspace I_{б} = const

I_{к} = f(U_{кэ}), \medspace при \medspace I_{б} = const

Для нее также указывается семейство характеристик для разных значений тока базы:

Видим, что при небольших значениях U_{кэ} коллекторный ток увеличивается очень быстро, а при дальнейшем увеличении напряжения – изменение тока очень мало и фактически не зависит от U_{кэ} (зато пропорционально току базы). Эти участки соответствуют разным .

Для наглядности можно изобразить эти режимы на семействе выходных характеристик:

Участок 1 соответствует активному режиму работы транзистора, когда эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. Как вы помните, в данном режиме незначительный ток базы управляет током коллектора, имеющим бОльшую величину.

Для управления током базы мы увеличиваем напряжение U_{бэ}, что в соответствии со входными характеристиками приводит к увеличению тока базы. А это уже в соответствии с выходной характеристикой в активном режиме приводит к росту тока коллектора. Все взаимосвязано

Небольшое дополнение. На этом участке выходной характеристики ток коллектора все-таки незначительно зависит от напряжения U_{кэ} (возрастает с увеличением напряжения). Это связано с процессами, протекающими в биполярном транзисторе. А именно – при росте напряжения на коллекторном переходе его область расширяется, а соответственно, толщина слоя базы уменьшается. Чем меньше толщина базы, тем меньше вероятность рекомбинации носителей в ней. А это, в свою очередь, приводит к тому, что коэффициент передачи тока \beta, несколько увеличивается. Это и приводит к увеличению тока коллектора, ведь:

I_к = \beta I_б

Двигаемся дальше!

На участке 2 транзистор находится в режиме насыщения. При уменьшении U_{кэ} уменьшается и напряжение на коллекторном переходе U_{кб}. И при определенном значении U_{кэ} = U_{кэ \medspace нас} напряжение на коллекторном переходе меняет знак и переход оказывается смещенным в прямом направлении. То есть в активном режиме у нас была такая картина – эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. В режиме же насыщения оба перехода смещены в прямом направлении.

В этом режиме основные носители заряда начинают двигаться из коллектора в базу – навстречу носителям заряда, которые двигаются из эмиттера в коллектор. Поэтому при дальнейшем уменьшении U_{кэ} ток коллектора уменьшается. Кроме того, в режиме насыщения транзистор теряет свои усилительные свойства, поскольку ток коллектора перестает зависеть от тока базы.

Режим насыщения часто используется в схемах ключей на транзисторе. В одной из следующих статей мы как раз займемся практическими расчетами реальных схем и там используем рассмотренные сегодня характеристики биполярного транзистора!

И, наконец, область 3, лежащая ниже кривой, соответствующей I_{б} = 0. Оба перехода смещены в обратном направлении, протекание тока через транзистор прекращается. Это так называемый режим отсечки.

Все параметры транзисторов довольно-таки сильно зависят как друг от друга, так и от температуры, поэтому в документации приводятся характеристики для разных значений. Вот, например, зависимость коэффициента усиления по току (в зарубежной документации обозначается как h_{FE}) от тока коллектора для биполярного транзистора BC847:

Как видите, коэффициент усиления не просто зависит от тока коллектора, но и от температуры окружающей среды! Разным значениям температуры соответствуют разные кривые.

История

  • 1904 год — Ли де Форест на основе созданной им электронной лампы — триода — разработал устройство усиления электрических сигналов (усилитель), состоящее из нелинейного элемента (лампы) и статического сопротивления Ra, включенного в анодную цепь.
  • 1932 год — Гарри Найквист определил условия устойчивости (способности работать без самовозбуждения) усилителей, охваченных отрицательной обратной связью.
  • 1942 год — в США построен первый операционный усилитель — усилитель постоянного тока с симметричным (дифференциальным) входом и значительным собственным коэффициентом усиления (более 1000) как самостоятельное изделие. Основным назначением данного класса усилителей стало его использование в аналоговых вычислительных устройствах для выполнения математических операций над электрическими сигналами. Отсюда его первоначальное название — решающий.

Порядок и пример расчёта транзисторного каскада с ОЭ

Исходные данные:

Питающее напряжение Uи.п.

=12 В.

Выбираем транзистор, например: Транзистор КТ315Г, для него:

Pmax

=150 мВт;Imax =150 мА;h21 >50.

Принимаем Rк=10*Rэ

Напряжение б-э рабочей точки транзистора принимаем Uбэ

= 0,66 В

Решение:

1.

Определим максимальную статическую мощность, которая будет рассеиваться на транзисторе в моменты прохождения переменного сигнала, через рабочую точку В статического режима транзистора. Она должна составлять значение, на 20 процентов меньше (коэффициент 0,8) максимальной мощности транзистора, указанной в справочнике. Принимаем Pрас.max=0,8*Pmax =0,8*150 мВт=120 мВт

2.

Определим ток коллектора в статическом режиме (без сигнала):Iк0=Pрас.max/Uкэ0=Pрас.max/(Uи.п./2) = 120мВт/(12В/2) = 20мА.

3.

Учитывая, что на транзисторе в статическом режиме (без сигнала) падает половина напряжения питания, вторая половина напряжения питания будет падать на резисторах:(Rк+Rэ)=(Uи.п./2)/Iк0 = (12В/2)/20мА=6В/20мА = 300 Ом.

Учитывая существующий ряд номиналов резисторов, а также то, что нами выбрано соотношение Rк=10*Rэ

, находим значения резисторов : = 270 Ом; = 27 Ом.

4.

Найдем напряжение на коллекторе транзистора без сигнала.Uк0=(Uкэ0+ Iк0*Rэ)=(Uи.п.— Iк0*Rк) = (12 В — 0,02А * 270 Ом) = 6,6 В.

5.

Определим ток базы управления транзистором:Iб=Iк/h21=[Uи.п./(Rк+Rэ)]/h21 = [12 В / (270 Ом + 27 Ом)] / 50 = 0,8 мА.

6.

Полный базовый ток определяется напряжением смещения на базе, которое задается делителем напряженияRб1 ,Rб2 . Ток резистивного базового делителя должен быть на много больше (в 5-10 раз) тока управления базы , чтобы последний не влиял на напряжение смещения. Выбираем ток делителя в 10 раз большим тока управления базы:Rб1 ,Rб2 :Iдел.=10*Iб = 10 * 0,8 мА = 8,0 мА.

Тогда полное сопротивление резисторовRб1+Rб2=Uи.п./Iдел. = 12 В / 0,008 А = 1500 Ом.

7.

Найдём напряжение на эмиттере в режиме покоя (отсутствия сигнала). При расчете транзисторного каскада необходимо учитывать: напряжение база-эмиттер рабочего транзистора не может превысить 0,7 вольта! Напряжение на эмиттере в режиме без входного сигнала примерно равно:Uэ=Iк0*Rэ = 0,02 А * 27 Ом= 0,54 В,

где Iк0

— ток покоя транзистора.

8.

Определяем напряжение на базеUб=Uэ+Uбэ =0,54 В+0,66 В=1,2 В

Отсюда, через формулу делителя напряжения находим:Rб2= (Rб1+Rб2)*Uб/Uи.п. = 1500 Ом * 1,2 В / 12В = 150 ОмRб1= (Rб1+Rб2)-Rб2 = 1500 Ом — 150 Ом = 1350 Ом = 1,35 кОм.

По резисторному ряду , в связи с тем, что через резистор Rб1

течёт ещё и ток базы, выбираем резистор в сторону уменьшения:Rб1 =1,3 кОм.

9.

Разделительные конденсаторы выбирают исходя из требуемой амплитудно-частотной характеристики (полосы пропускания) каскада. Для нормальной работы транзисторных каскадов на частотах до 1000 Гц необходимо выбирать конденсаторы номиналом не менее 5 мкФ.

На нижних частотах амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) каскада зависит от времени перезаряда разделительных конденсаторов через другие элементы каскада, в том числе и элементы соседних каскадов. Ёмкость должна быть такой, чтобы конденсаторы не успевали перезаряжаться. Входное сопротивление транзисторного каскада много больше выходного сопротивления. АЧХ каскада в области нижних частот определяется постоянной времени tн=Rвх*Cвх

, гдеRвх=Rэ*h21 ,Cвх — разделительная входная емкость каскада.Cвых транзисторного каскада, этоCвх следующего каскада и рассчитывается она так же. Нижняя частота среза каскада (граничная частота среза АЧХ)fн=1/tн . Для качественного усиления, при конструировании транзисторного каскада необходимо выбирать, чтобы соотношение1/tн=1/(Rвх*Cвх)<н в 30-100 раз для всех каскадов. При этом чем больше каскадов, тем больше должна быть разница. Каждый каскад со своим конденсатором добавляет свой спад АЧХ. Обычно, достаточно разделительной емкости 5,0 мкФ. Но последний каскад, через Cвых обычно нагружен низкоомным сопротивлением динамических головок, поэтому емкость увеличивают до 500,0-2000,0 мкФ, бывает и больше.

Спад АЧХ в области верхних частот определяется постоянной времени перезаряда tв=Rвых*Cк=RкCк

, где — паразитная емкость коллекторного перехода (указывается в справочниках). Для звуковых частот, емкость коллекторного перехода незначительна, поэтому паразитной ёмкостью можно пренебречь.

Основные характеристики многокаскадных усилителей

Приведем основные характеристики
многокаскадных усилителей.

1. Амплитудная характеристика,
показывающая зависимость величины выходного напряжения усилителя от
величины входного напряжения при постоянной частоте усиливаемого
сигнала, то есть Uвых = f(Uвх) при f = = соnst
400 или
1000 Гц (рис. 2, а). Чтобы нелинейные  искажения не
превышали допустимой величины, используется только линейный участок
амплитудной характеристики.

Наличие внутренних шумовых помех
приводит к тому, что при отсутствии входного сигнала (Uвх
= 0) на выходе усилителя имеется выходное напряжение Uвых
= Uшума.

2. Частотная (или
амплитудно-частотная) характеристика, показывающая зависимость
величины коэффициента усиления усилителя от частоты входного сигнала
при неизменной величине входного напряжения, то есть К = Uвых
/ Uвх = j(f) при
Uвх = соnst.

На частотной характеристике,
показанной на рис. 2, б, различают три области: а) область
низкой частоты; б) область средней частоты; в) область верхней
частоты.

Рис. 2. Характеристики усилителей:
а — амплитудная; б — частотная
(или амплитудно-частотная); в — фазовая

Эта характеристика показывает, что
наибольшее усиление полезного сигнала происходит в области средних
частот, а в областях низкой и верхней частот происходит завал
характеристики, обусловленный реактивными (емкостными) элементами в
схеме усилителя.

На этом графике показана рабочая
полоса частот в пределах от верхней граничной частоты до нижней
граничной частоты, то есть Df =
fв гран
fн
гран
, где завал частотной характеристики не превышает
допустимую величину более чем на 30% от коэффициента максимального
усиления. Обычно ось абсцисс частотной характеристики строят в
логарифмическом масштабе, чтобы очень сильно не растягивать
график.

3. Фазовая характеристика,
показывающая величину угла сдвига фазы j между
фазой выходного сигнала и фазой входного сигнала в зависимости от
частоты сигнала, то есть
j =
y(f).

На графике (рис. 2, в) видно, что
фазовый угол сдвига j между
выходным и входным напряжениями в области средних частот примерно
равен нулю, а в областях нижней и верхней частот допустимаявеличина этого угла примерно равна
jp/4 =
45
°.

Нужно иметь в виду, что фазовые
искажения связаны с наличием реактивных элементов (емкостей и
индуктивностей) в схемах усилительных устройств. Фазовые искажения
существенное значение имеют в осциллографической, телевизионной,
радиолокационной, импульсной и т. п. технике. В усилителях звуковой
частоты они не оказывают заметного влияния на восприятие звукового
сигнала человеком.

Расчёт ключевого режима транзисторного каскада

Расчёт ключевого режима транзисторного каскада производится абсолютно так же, как и ранее проведённый расчёт усилительного каскада. Отличие заключается только в том, что ключевой режим предполагает два состояния транзистора в режиме покоя (без сигнала). Он, или закрыт (но не закорочен), или открыт (но не перенасыщен). При этом, рабочие точки «покоя», находятся за пределами точек А и С изображённых на ВАХ. Когда на схеме в состоянии без сигнала транзистор должен быть закрыт, необходимо из ранее изображённой схемы каскада удалить резистор Rб1

. Если же требуется, чтобы транзистор в состоянии покоя был открыт, необходимо в схеме каскада увеличить резисторRб2 в 10 раз от расчётного значения, а в отдельных случаях, его можно удалить из схемы.

Расчёт транзисторного каскада окончен.

Схема эмиттерной стабилизации

Схема эмиттерной стабилизации — это самая распространенная
схема стабилизации режима работы транзисторного каскада в настоящее время. Усилительный каскад с эмиттерной стабилизацией обладает
наибольшей стабильностью параметров из рассмотренных нами схем. Это связано с наибольшей достижимой глубиной обратной связи по
постоянному току. Наиболее распространенная схема усилительного каскада с эмиттерной стабилизацией и включением транзистора с общим
эмиттером приведена на рисунке 5.

В настоящее время усилительные каскады с эмиттерной стабилизацией наиболее широко применяются в схемах радиоприемников и передатчиков,
входящих в состав радиоэлектронной аппаратуры. Они ставятся на входе специализированных микросхем для улучшения качественных параметров
устройства в целом. Подробнее…

Схема с фиксированным током базы

Схема с фиксированным током базы является самой простой
схемой усилительного каскада. Эта схема усилительного каскада используется в основном начинающими радиолюбителями. Кроме
того она рассматривается в учебном процессе при обучении основам схемотехники. Схема усилительного каскада с фиксированным
током базы позволяет использовать для питания цепей базы и коллектора транзистора один и тот же источник питания. Схема с
фиксированным током базы приведена на рисунке 1.

Недостатком данной схемы усилительного каскада является зависимость линейных и нелинейных параметров усилителя от температуры,
напряжения источника питания и разброса параметров транзисторов. По этой причине усилительные каскады с фиксированным током базы
в современной аппаратуре не применяется. Подробнее…

Как он работает

Полевой транзистор включает нескольких составных элементов — истока (источника носителя заряда наподобие эмиттера на биполярном элементе), стока (приемника заряда по аналогии с коллектором) и затвора (управляющего электрода наподобие сетки в лампах или базы). Работа первых двух очевидна и состоит в генерации и приеме носителя электрозаряда, среди которых электроны и дырки. Затвор же нужен в первую очередь для управления электротоком, который протекает через ПТ. То есть, получается классического вида триод с катодом, анодом и электродом управляющего типа.

Когда происходит подача напряжения на затвор, возникает электрополе, которое изменяет ширину определенных переходов и влияет на параметр электротока, протекающего от истока к стоку. Если управляющее напряжение отсутствует, то ничто не будет препятствовать потоку носителей заряда в виде электронов. Когда напряжение управления повышается, то канал, по которому движутся электроны или дырки, наоборот, уменьшается, а при достижении некоего предела закрывается совсем, и полевой транзистор входит в так называемый режим отсечки. Именно эта характеристика ПТ делает возможным их применение в качестве ключей.


Подключение нагрузки к электротранзистору для его открытия

Свойства усиления электротока этого радиокомпонента обусловлены тем, что сильный электрический ток, который протекает от истока к стоку, повторяет все динамические характеристика напряжения, прикладываемого к затвору. Другим языком, с выхода этого усилителя берется абсолютно такой же по форме сигнал, как и на электроде управления, только более сильный.

Строение ПТ (униполярного транзистора) немного отличается от биполярного. А именно тем, что электричество в нем пере пересекает определенные переходные зоны. Электрозаряды совершают движение по участку регуляции, который называется затвором. Его пропускная способность регулируется параметром напряжения.


Виды электротранзисторов полевого типа с маркировкой

Важно! Пространство зон транзистора под действием электрического поля уменьшается и увеличивается. Исходя из этого изменяется количество носителей зарядов — от их полного отсутствия до переизбытка

Расчёт транзисторного каскада с общим эмиттером (ОЭ)

Прежде чем перейти непосредственно к расчёту транзисторного каскада, обратим внимание на следующие требования и условия:

• Расчёт транзисторного каскада проводят, как правило, с конца (т.е. с выхода);

• Для расчета транзисторного каскада нужно определить падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора в режиме покоя (когда отсутствует входной сигнал). Оно выбирается таким, чтобы получить максимально неискаженный сигнал. В однотактной схеме транзисторного каскада работающего в режиме «A» это, как правило, половина значения напряжения источника питания;

• В эмиттерной цепи транзистора бежит два тока — ток коллектора (по пути коллектор-эмиттер) и ток базы (по пути база-эмиттер), но так как ток базы достаточно мал, им можно пренебречь и принять, что ток коллектора равен току эмиттера;

• Транзистор – усилительный элемент, поэтому справедливо будет заметить, что способность его усиливать сигналы должна выражаться какой-то величиной. Величина усиления выражается показателем, взятым из теории четырёхполюсников — коэффициент усиления тока базы в схеме включения с общим эмиттером (ОЭ) и обозначается он — h21

. Его значение приводится в справочниках для конкретных типов транзисторов, причём, обычно в справочниках приводится вилка (например: 50 – 200). Для расчётов обычно выбирают минимальное значение (из примера выбираем значение — 50);

• Коллекторное (

) и эмиттерное (Rэ ) сопротивления влияют на входное и выходное сопротивления транзисторного каскада. Можно считать, что входное сопротивление каскадаRвх=Rэ*h21 , а выходное равноRвых=Rк

Если Вам не важно входное сопротивление транзисторного каскада, то можно обойтись вовсе без резистораRэ ;

• Номиналы резисторов

и ограничивают токи, протекающие через транзистор и рассеиваемую на транзисторе мощность.

5.5. Схема с коллекторной стабилизацией

В схеме с коллекторной стабилизацией в цепи эмиттера отсутствует сопротивление: RЭ = 0, рис. 5.6, а вход схемы и выход соединяются сопротивлением RБ.

Рис. 5.6. Схема с коллекторной стабилизацией

Ток смещения в этой схеме равен:

;

и уменьшается при увеличении (изменение – в общем случае). В этом проявляется ООС; по способу снятия и введения это параллельная ООС. Глубина этой обратной связи равна:

; (5.4)

Данная схема отличается простотой, обеспечивает стабилизацию режима до 30°С, но имеет существенный недостаток – вследствие ООС по переменному току через сопротивление RБ, малый коэффициент усиления. Для этого в цепи базы включают RC – фильтр, устраняющий ООС по переменному току.

4.5.3. Операционный усилитель с отражателем тока во входном каскаде

В интегральных усилителях цепи смещения транзисторов
реализуют на основе отражателей тока. Преимущество таких цепей смещения
заключается в том, что отражатели тока имеют большое внутреннее сопротивление и
при этом занимают меньшую площадь, чем резисторы большого номинала.

ОУ, изображенный на рис. 4.5.4 имеет структуру,
аналогичную структуре трехкаскадного усилителя на рис. 4.5.3. Отличие
заключается в том, что цепью смещения дифференциального каскада является отражатель
тока на  транзисторах VT5, VT6. Такая схема обеспечивает значительно большее
ослабление синфазного сигнала.

Рис. 4.5.4

Требуемое значение тока смещения  
задается резистором . Его величина
рассчитывается по формуле

.

Остальные токи и напряжения рассчитываются так же, как
и в схеме на рис. 4.5.3.

5.2. Схема с эмиттерной стабилизацией

Схема эмиттерной стабилизацией (ЭС) имеет три сопротивления: R’Б, R»Б и RЭ. индексы отражают названия электродов, к которым подключены эти сопротивления, рис. 5.3:

Рис. 5.3. Схема эмиттерной стабилизации, транзистор включен по схеме с ОЭ.

Элементы одного каскада условно отделены от другого пунктирными линиями. Нагрузкой каскада может быть аналогичный каскад; тогда вместо RH будем указывать RВХ.СЛ – входное сопротивление следующего каскада.

Известно, что для БТ характерным является наличие заметного входного тока iВХ.0 = iБ0, как было отмечено выше через сопротивление RЭ приходит сумма токов: iЭ0 = iБ0 + iК0. отпирающее напряжение смещения (между базой и эмиттером) UСМ = UБ0 должно быть положительным для транзистора n-p-n, а для транзистора p-n-p – отрицательным:

UБ0 = [UR»Б – U] = iДЕЛ ·R»Б – iЭ0 ·RЭ = [iДЕЛ ·R»Б – (iK0 – iБ0)]; (5.1)

Должно выполняться условие:

|UR»Б| > |U|;

Здесь R’Б и R»Б – делитель напряжения в цепи базы. Для БТ при расчетах иногда удобнее использовать вместо напряжения UБ0, ток смещения iБ0. Эти величины однозначно связаны входной характеристикой, рис. 5.2а.

Данная схема обеспечивает не только необходимое смещение для транзистора, но и стабилизирует положение РТ при действии дестабилизирующих факторов (температуры, нестабильности источника питания, старения элементов схемы, разброса параметров транзистора и др.). Например, при увеличении тока iК0 величина UБ0 уменьшается, в управлении (5.1) и наоборот. Это стабилизирует положение РТ и можно сказать является результатом введения ООС. Напряжение обратной связи создаётся на сопротивлении RЭ:

UСВ = ∆iK0· RЭ. (5.2)

где ∆iK0 – изменение тока коллектора. С увеличением RЭ возрастает UСВ и её глубина:

; (5.3)

здесь – эквивалентное сопротивление делителя; h21Э – статический коэффициент усиления по току БТ в схеме с общим эмиттером; RВХ.Э – входное сопротивление транзистора в схеме с общим эмиттером. Из уравнения (5.2) видно, что с увеличение RЭ возрастает UСВ и её глубина, уравнение (5.3). Напряжение ООС подаётся на вход транзистора через сопротивление делителя R’Б и R»Б. Чем меньше эти сопротивления, тем эффективнее работает данная схема, тем лучше стабилизация режима. Однако выбирать очень малыми сопротивления в цепи базы нельзя, т.к. эти сопротивления шунтируют вход УЭ и уменьшают передаваемое на вход напряжение сигнала. Данная схема является одной из самых эффективных схем, используемых в радиоэлектронике.

Рекомендуемая литература

  1. Гусев, В. Г. Электроника и микропроцессорная техника: учеб. для вузов / В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев. – 3-е изд. перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 2004. – 790 с.
  2. Быстров, Ю. А. Электронные цепи и микросхемотехника: учеб. /
    Ю. А. Быстров, И. Г. Мироненко. – М.: Высш. шк., 2002. – 384 с.: ил.
  3. Степаненко, И. П. Основы микроэлектроники: учеб. пособие для вузов / И.П. Степаненко. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2003. – 488 с.: ил.
  4. Хоровиц, П. Искусство схемотехники / П. Хоровиц, У. Хилл: пер.
    с англ. – 6-е изд. – М.: Мир, 2003. – 704 с., ил.
  5. Довгун, В. П. Электротехника и электроника: учеб. Пособие: в 2-х ч. Ч. 2 / В. П. Довгун. – Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006. – 252 с.
  6. Крекрафт, Д. Аналоговая схемотехника. Схемы, системы, обработка сигнала / Д. Крекрафт, С. Джерджли. – М. Техносфера, 2005 – 360 с.

Однотактный каскад УМ.

Однотактные каскады УМ дают
возможность получить полезную выходную мощность в подключенной
нагрузке от долей ватта до 2
3
Вт.

Типовая схема такого каскада УМ с
выходным трансформатором приведена на рис. 1.9.1, а. Ввиду того, что
первичная обмотка выходного трансформатора имеет небольшое омическое
сопротивление постоянному току Iко, в режиме покоя при
Uвх = 0 почти все напряжение источника питания
Ек приложено к коллектору транзистора и равно

Ек = Uкэ0 +
Iэ0 * Rэ + Iк0 * r1
трансф
(1.1
1.25) *
Uкэ0.

Поэтому нагрузочная линия по
постоянному току проходит через рабочую точку под углом ,
значительно большим, чем нагрузочная линия для переменного тока,
соответствующая динамическому режиму работы
каскада       (рис. 1.9.1, в). Наличие
входного сигнала Uвх = Umвх * sin
wt и
базового тока iб = Iб0 + I *
sin
wt вызывает
в выходной цепи каскада пульсирующий ток коллектора  
iк = Iк0 + I * sin
wt и
пульсирующее напряжение на коллекторе    
uк = Uкэ0 + U * sin(
wt
p),
отстающее по фазе на 180
° от фазы
входного напряжения в схеме с ОЭ.

нагрузки
iн=I*sin
wt, выделяя
в нагрузке необходимую полезную мощность усиленного
сигнала

 Рвых = 0,5 *
I * U = 0,5 * I2
*Rэкв к-да = 0,5 * I2 *
Rн.

Коэффициент полезного действия
транзисторного каскада УМ

h =
вых / Р) * 100% < 45%, где Р
= Iк0 * Ек.

Коэффициент усиления по мощности
каскада УМ        

Кр = Рвых /
Рвх.

 Рис 1.9.1. Схема транзисторного однотактного каскада УМ с
ОЭ:

а — с выходным трансформатором; б — с
обмоткой э/м реле в коллекторной цепи; в — графический анализ работы
этого каскада УМ в режиме класса А

При этом индуктируемая ЭДС во
вторичной обмотке трансформатора создает ток

С учетом КПД трансформатора выходная
мощность каскада УМ в режиме класса А ограничивается
величиной

Pвых = Pдоп
трапз
*
hтрасф

Рдоп транз = Рвых
/
hтранз

Подведем итоги:

  • Посмотрите на рисунок ниже.
  • Выберите схему смещения.
  • Выберите RК и IЭ для вашего приложения. Значения RК и IЭ обычно должны устанавливать напряжение коллектора VК на 1/2 от Vпит.
  • Рассчитайте резистор базы RБ, чтобы получить необходимый ток эмиттера.
  • Если необходимо, пересчитайте ток эмиттер IЭ для стандартных номиналов резисторов.
  • Для схемы смещения с делителем напряжения выполните сначала расчет смещения эмиттера, а затем определите R1 и R2.
  • Для усилителей переменного тока: конденсатор обхода, параллельный RЭ, улучшает усиление по переменному напряжению. Выберите XC≤0,10RЭ для самой низкой частоты.

Формулы расчета смещения (вкратце) Оригинал статьи:

Biasing Calculations