Усилительные каскады на биполярных транзисторах с ОЭ, с одним источником питания Е_к, с автоматическим смещением рабочей точки в режиме класса А, без температурной стабилизации рабочего режима.

Рассмотрим две простейшие схемы усилительных каскадов с общим эмиттером без температурной стабилизации рабочего режима в классе А с одним источником питания Е_к (рис. 1.5.1).

 1.5.1. Режим покоя. Все транзисторные каскады предварительного усиления, подобно аналогичным ламповым вариантам, работают в режиме класса А, при котором положение рабочей точки в режиме покоя (при U_вх = 0) выбирается на середине линейного участка динамической переходной характеристики. При этом постоянное напряжение смещения между базой и эмиттером U_бэ0 = const составляет доли вольта: (0,2 - 0,4) В для германиевых транзисторов и (0,4 - 0,7) В для кремниевых транзисторов, оно создается в режиме покоя в первой схеме����� (рис. 1.5.1, а) фиксированным током базы I_об = (Е_к - U_бэ0) / R_б � Е_к / R_б, проходящим в базовой цепи через входное сопротивление транзистора r_{вх тр-ра} = r_б + (1 + b) * r_э, резистор R_б � Е_к / I_б0 и источник питания Е_к.

Рис. 1.5.1. Две схемы транзисторных усилительных каскадов (а, б), работающих без температурной стабилизации, с одним источником питания в режиме класса А

Во второй схеме усилительного каскада (рис. 1.5.1, б) положение рабочей точки в режиме покоя фиксируется постоянным напряжением смещения U_бэ0 = Е_к * R₁ / (R₁ + R₂) с помощью делителя напряжения R₁ и R₂, через которые проходит ток делителя I_д=(2 - 5)*I_бо, создавая на R₁ необходимую величину U_бэ0 = доли вольта.

Если в первой схеме на неизменность величины U_бэ0 влияет изменение I_б0 вследствие изменяющегося температурного режима, то во второй схеме величина тока делителя I_д не изменяется при колебании температуры.

Однако второй способ фиксации рабочей точки с делителем напряжения имеет недостаток, заключающийся в том, что для переменной составляющей входного тока уменьшается суммарная величина входного эквивалентного��� сопротивления � каскада R_{вх к-да} = R_б || r_{вх тр-ра} �так как R_б = R₁ || R₂, шунтируя входную цепь каскада, уменьшает его входное сопротивление. Это обстоятельство требует увеличения сопротивлений R₁ и R₂, вызывая нежелательное уменьшение необходимой величины тока делителя I_д, и соответственно уменьшая I_бо.

Учитывая это, на практике берут (R₁ || R₂) > r_{вх тр-ра}. При этом

R₁=U_бэ0/I_д, R₂ = (Е_к - U_бэ0)/(I_б0 + I_д).

Анализ работы транзисторного усилительного каскада осуществляется графоаналитическим методом, подобно ламповому варианту (рис 1.5.2).

На графике (рис 1.5.2) видно, что в режиме покоя при U_вх = 0, когда во входной базовой цепи течет базовый ток покоя I_б0 в выходной коллекторной цепи течет постоянный ток покоя коллектора I_к0 = (Е_к - U_кэ0)/R_к, где U_кэ0 = Е_к - I_к0 * R_к является нагрузочной линией по постоянному току, а сопротивление нагрузочного резистора в коллекторной цепи R_к = (Е_к - U_кэ0)/I_к0, определяется графоаналитическим способом и выбирается такой величины, чтобы линия нагрузки проходила под углом a = arctg(1/R_к) ниже гиперболической кривой допустимой мощности, рассеиваемой на коллекторе транзистора I_к = P_к / U_{к э}.

Таким образом, нагрузочная линия будет построена в отрезках на осях координат по двум точкам. Первая точка в режиме холостого хода при I_к = 0,��������� U_кэ = - Е_к, а вторая точка в режиме короткого замыкания на выходе при U_кэ = 0;����������� I_к = Е_к / R_к.

1.5.2. Динамический режим.

В динамическом, т. е. рабочем, режиме усилительный каскад с общим эмиттером без температурной стабилизации работает следующим образом. При подаче входного сигнала u_вх = U_mвх*sinwt во входной цепи будет изменяться базовый ток i_б = I_б0 + I_mб * sinwt, вызывая изменение коллекторного тока i_к = I_к0 + I_mк * sinwt и соответствующее изменение выходного напряжения, снимаемое с коллектора и равное u_вых = u_кэ = U_кэо + U_mкэ * sin(wt - p), отстающее по фазе от входного напряжения на 180�.

Рис. 1.5.2. Графический анализ работы транзисторного усилительного каскада с ОЭ в классе А, с одним источником питания

Коэффициент усиления каскада при R_к = R_н без дополнительной внешней нагрузки и без учета влияния датчика входного сигнала е_г и R_г

а) по напряжению�

б) по току

в) по мощности

Входное и выходное сопротивления каскада при указанных выше ограничениях и без учета малой величины емкостного сопротивления конденсатора, включенного во входную цепь каскада, можно определить по следующим формулам:

�так как� R_б � r_{вх тр-ра};

так как дифференциальное сопротивление обратно смещенного коллекторного n-р-перехода r_к >> R_к.

Полезная выходная мощность усиленного сигнала, выделяемая на резисторе R_к, будет равна

Р_ролезн = Р_вых �= I_кU_кэ = �U_mкэ = 0.5 I²_mк R_к

1.5.3. Динамические параметры транзисторного усилительного каскада с �учетом датчика и внешней нагрузки.

Если к выходу усилительного каскада через разделительный конденсатор С_р2 подключить дополнительную внешнюю нагрузку R_н, а на вход каскада датчик входного сигнала с ЭДС е_г и внутренним сопротивлением R_г, как это показано на рис. 25, то эквивалентная величина сопротивления нагрузки R_{н экв} будет равна R_{н экв} = R_к || R_н = R_к * R_н / (R_к + R_н). При этом показанная на графике (рис. 1.5.2) пунктиром нагрузочная линия, проходящая через фиксированную рабочую точку Р_т при заданных значениях I_бо и I_ко, будет иметь больший угол наклона j величина I_mк несколько увеличится, но U_{m кэ} уменьшится.

На рис 1.5.3, б приведена эквивалентная Т-образная схема этого каскада по переменным составляющим токов и напряжений в области средних частот, а на рис. 1.5.3, в показана Т-образная эквивалентная схема этого усилительного каскада с h-параметрами.

Рис 15.3. Схема транзисторного каскада с ОЭ с датчиком входного сигнала с дополнительной нагрузкой R_н, с одним источником питания Е_к (а) ; его Т-образная эквивалентная схема в области средних частот (б); его эквивалентная Т-образная схема с h-парзметрами в области средних частот (в)

Во входной цепи этой схемы усилителя изображен эквивалентный генератор входного переменного напряжения с ЭДС е_г и внутренним сопротивлением R_г, а также эквивалентный генератор напряжения обратной связи (h_{12э *} U_кэ), а в выходной цепи изображен эквивалентный генератор усиленного переменного тока (h_21э*I_б) с внутренним сопротивлением r_к = 1 / h_22э, работающий на эквивалентную нагрузку R_{н экв} = R_к || R_н. Во входной цепи усилителя показаны еще входное сопротивление транзистора h_11э и эквивалентное сопротивление делителя напряжения R_б = R₁ || R₂. В этой схеме пунктиром обозначена Т-образная эквивалентная схема транзистора.

Такие эквивалентные схемы дают возможность рассчитать К_i, К_u, К_р, R_{вх к-да}, R_{вых к-да} в рабочем режиме каскада в области средних частот, где пренебрегают влиянием разделительных конденсаторов и паразитных межэлектродных емкостей.

Имея в виду, что активный четырехполюсник транзистора при R_{н экв} << r_к в h-параметрах описывается двумя основными уравнениями действующих значений входных и выходных напряжений и токов низкой частоты

��������������������������������������������� U₁ = h_11э * I₁ + h_12э * U₂;��������������������������������� (1.5.1)

������������� ���� �����������������I₂ = h_21э * I₁ + h_22э * U₂���������������������������������� (1.5.2)

и учтя при этом влияние внешних элементов е_г, r_г, r_б во входной цепи и дополнительную нагрузку R_н в выходной цепи усилительного каскада, при которых входное напряжение, подаваемое на вход транзистора, равно U_вх = U₁ = e_г*R_б / (R_б + R_г) = e_г - I_г*R_г), где I_г = е_г / [R_г + (R_б || h_11э)]; I₁ = U₁ / h_11э, а выходное напряжение, снимаемое с эквивалентной нагрузки, равно U_вых = U₂ = I₂ * R_экв, где выходной ток I₂ = U₂ / R_экв; R_экв = R_к || R_н || r_к � R_{н экв} = R_к || R_н, получим следующие расчетные формулы этого каскада:

1) входное сопротивление каскада с учетом R_г относительно е_г

R_{вх к-да} = R_г + (R_б || h_11э)

и входное сопротивление каскада относительно U_вх = U₁ после R_г

R_{вх к-да} = U_вх/I_вх = U₁/I₁= R_б || h_11э � h_11э = r_б + (1 + b) * r_э = r_{вх тр-ра}, так как R_б >> h_11э;

2) выходное сопротивление усилительного каскада с учетом R_н и R_г

R_{вх к-да} = U_вых / I_вых = U₂ / I₂ = r_{вых тр-ра} || R_{н экв} = R_{н экв} / (1 + h_22э * R_{н экв}) � R_{н экв},

так как малой величиной h_22э * R_{н экв} можно пренебречь;

�3) коэффициент усиления по току

или приближенно при R_б >> r_{вх тр-ра} = h_11э можно принять

. При R_н = 0; К_i @ b.

4) коэффициент усиления каскада по напряжению

�т. е. чем больше R_{н экв} и меньше R_г, тем больше K_u;

5) коэффициент усиления каскада по мощности

K_p = R_вых / P_г = K_i * K_u.