Усилительные каскады переменного тока на биполярных транзисторах (стр. 2 из 6)
Рисунок 4.2. Эквивалентная схема цепи с нелинейным элементом
В системе координат Uнэ и Iнэ [2] выражение (4.1) представляет собой линию (рисунок 4.2, б):
Iнэ = –Uнэ / R + Еп / R. (4.2)
Она проходит через точки на осях координат Еп и Еп / R. Из этого следует, что при определенном токе нелинейного элемента падение напряжения на нем всегда будет соотвествокать значению, определяемому по нагрузочной прямой вне зависимости от параметров и характеристик нелинейного элемента (см. связь между IнэР и UнэР на рисунке 4.2, б). Эта линия носит наименования линии назрузки или нагрузочной прямой. Связь с характеристиками нелинейного элемента определяется зависимостью тока НЭ от входного управляющего сигнала Uвх.
При анализе режимов работы аналоговых и импульсных электронных устройств, когда на входе цепи действуют одновременно постоянная и переменная составляющие тока, пользуются методом наложения для нелинейных цепей. В этом случае сначала ведут расчет цепи с учетом только источников постоянного тока, определяя режим работы устройства на постоянном токе. Затем уже для этих характеристик (без учета постоянных составляющих тока) рассчитывают режим работы устройства на переменном токе. На практике постоянные составляющие электрического сигнала усилителя, как правило, называют напряжением и током покоя.
Усилитель ОЭ с фиксированным током базы
Напомним, что наименование «усилитель ОЭ» означает, что это усилитель, в котором используется биполярный транзистор (Э – означает эмиттер). Причем последний включен так, что эмиттер является общим (буква О в наименовании) для входной цепи и цепи нагрузки. Простейшая схема такого усилителя (усилительного каскада в многокаскадном усилителе) приведена на рисунке 4.3, а. Соединение эмиттера к входной цепи и цепи нагрузки в схеме видно явно (через общую точку, «землю»).
Рисунок 4.3. Усилитель с фиксированным током базы
Для обеспечения режима работы класса А, необходимо установить соответствующие этому режиму токи электродов. Наиболее просто это получается, если задаться расположением рабочей точки, точки покоя, примерно на середине линии нагрузки (рисунок 4.3, б). Линия нагрузки данной схемы проводится в системе координат выходной характеристики пранзистора Uкэ и Iк через точки на осях координат Еп и Еп / Rк. Рабочая точка Р характеризуется коллекторным током IкР и напряжением на коллекторе UкэР.
На основании выражения (4.1), с учетом используемых обозначений рисунка 4.3, имеем:
Еп = URк + UкэР.
Откуда, для получения выбранного распределения падений напряжений величина сопротивления
. (4.3)На рисунке 4.3, б нанесены выходные характеристики используемого транзистора VT. Из них следует, что для того, чтобы в цепи коллектора протекал ток IкР в цепи базы должен протекать ток IбР. Для получения этого тока в цепи базы должен стоять резистор сопротивлением
, (4.4)где UбэР – напряжение на базе, при котором через базу идет ток IбР. Это напряжение определяется по входной характеристике используемого транзистора. Однако, в связи с тем, что обычно
UбэР << Еп, (4.5)
то при определении сопротивления резистора в цепи базы пользуются более простой формулой:
.При невыполнении неравенства (4.5) и отсутствии входных характеристик исползуемого транзистора можно ориентировочно принять следующие значения UбэР для маломощных транзисторов:
0,2 – 0,3 В – для германиевого транзистора;
0,3 – 0,5 В – для кремниевого транзистора.
Можно также ориентировочно определить рабочий ток базы не прибегая к использованию выходной характеристики транзистора:
,(4.6)где h21Э – статический коэффициент передачи тока[3], который приводится в справочных данных на транзистор. Обычно необходимо использовать среднее значение величин, приводимых в справочнике.
Номиналы используемых резисторов уточняют в соответствии с выбранным рядом по точности.
Практически расчет цепей постоянного тока закончен: если поставить в цепи базы и коллектора резисторы с найденным сопротивлением, то можно ожидать, что цепях от источнка питания потекут токи и установятся выбранное распределение напряжения. Некоторые комментарии к сказанному будут приведены в следующем параграфе.
Схема рисунка 4.3, а очень удобна для объяснения принципа работы усилителя и процесса усиления сигнала.
Представим, что в схеме использованы резисторы в соответствии с приведенным выше расчетом, что обеспечит выбранный режим работы усилителя. На рисунке 4.4. он повторен, и дополненн графиком для входной цепи базы (рисунке 4.4, а): в базу тра6нзистора поступает ток IбР при падении напряжения на ней UбэР.
Рисунок 4.4. Прохождение сигнала во входной и выходной цепях
Разделительные емкости Ср1 и Ср2 препятствуют проникновению постоянного напряжения источника питания в цепи источника сигнала Uвх и нагрузки Rн. Вместе с тем, они пропускают переменные составляющие сигнала.
Пусть реактивное сопротивление ХС1 емкости Ср1 при самой низкой частоте входного сигнала значительно меньше входного сопротивления усилителя. В этом случае практически весь входной сигнал пройдет через емкость, что приведет к изменению напряжения базы транзистора. Начнет изменяться и ток базы. Чтобы отобразить этот процесс на рисунке 4.4, а проведены две оси времени О1 и О2. До момента t1 напряжение и ток базы определяются постоянным напряжением источника питания. Поступающий переменный сигнал амплитудой Uвх приводит к изменению тока базы в пределе от iб мин до iб мак. На рисунке показан один период изменения сигнала за время от t1 до t2.
Согласно с изменением тока базы будет изменяться ток и напряжение коллектора. При этом точка, соответствующая изменяемому значению тока базы, будет перемещаться по линии нагрузки (рисунок 4.4, б) в пределах, определяемых токами базы iб мин и iб мак. Изменения тока и напряжения коллектора во времени отображены на осях О3 и О4. При отсутствии выходной характеристики используемого транзистора, измененные значения тока коллектора можно определить из выражений
iк мак = h21Э iб мак; iк мин = h21Э iб мин,(4.7)
а значения напряжения на коллекторе транзистора:
Uкэ мин = Еп – Rн iк мак; Uкэ мин = Еп – Rкэ iк мин. (4.8)
Изменение напряжения на коллекторе транзистора является источником изменения напряжения в нагрузке: переменная составляющая проходит через второй разделительный конденсатор С1Р и появляется на сопротивлении нагрузки. Если реактивное сопротивление ХС2 емкости Ср2 при самой низкой частоте входного сигнала значительно меньше эквивалентного сопротивления нагрузки Rнэ,
,(4.9)то практически вся переменная составляющая напряжения коллектора выделится на нагрузке.
Необходимо обратить внимание на изменение фазы сигнала в нагрузке. Увеличение входного сигнала приводит к росту тока базы и, соответственно, коллектора, росту падения напряжения на Rк и уменьшению падения напряжения на транзисторе. Уменьшение входного сигнала приводит к росту напряжения на транзисторе. Таким образом, выходной сигнал оказывается сдвинутым на 1800 (на p радиан) относительно входного. Необходимо отметить, что в некоторых случаях нагрузка располагается в коллекторной цепи вместо Rк. В этом случае изменение ее напряжения совпадает с описанным выше изменением напряжения на Rк и инверсии выходного сигнала не происходит.
По полученным данным можно определить коэффициенты усиления усилителя:
.Приведенный расчет получил наименование графоаналитического. Обычно же определение коэффициентов усиления проводят при проведении расчета усилителя по переменному току. Для этого, прежде всего, необходимо на основании принципиальной составить эквивалентную схему усилителя. Это будет выполнено несколько позднее для более сложной схемы усилителя ОЭ, эквивалентная схема которого практически не отличается от эквивалентной схемы рассмотренного усилителя.
На основе построений рисунка 4.4. сформулируем требования к предельно допустимым параметрам транзистора. Напоминаем, что предельно допустимыми параметрами называются параметры, значения которых не должны быть превышены в процессе работы прибора.
В состоянии покоя через транзистор, на коллекторе которого имеется напряжение UкР, протекает ток IкР. Поэтому на нем выделяется мощность, равная
РкР = IкР * UкР,(4.10)
которую транзистор должен быть способен рассеять в окружающее пространство. Следовательно, постоянная рассеиваемая мощность транзистора (мощность коллектора транзистора – в соответствии с наименованием, применяемым в справочной литературе) Рк должна удовлетворять неравенству:
Рк ³ Кзап * РкР(4.11)
где Кзап – коэффициент запаса по мощности, использование которого обеспечивает надежную работу прибора в реальных условиях. Обычно Кзап выбирается из диапазона 1,2 … 1,5, хотя могут быть и иные значения, обусловленные особенностями эксплуатации и назначения разрабатываемой аппаратуры.
Необходимо отметить, что расчет выделяемой мощности для усилителя класса А ведется по напряжению и току покоя. Их изменение в результате воздействия сигнала не учитывается, т.к при увеличении тока коллектора уменьшается падение напряжения и наоборот.д.ля усилителей, работающих в режиме иных классов, в качестве расчетной величины РкР берется средняя мощность.