Усилительные свойства одиночных каскадов (стр. 2 из 3)
Коэффициент усиления схемы с ОБ практически совпадает с соответствующей характеристикой схемы с ОЭ с точностью до знака – схема с ОБ не инвертирует входной сигнал (см. (2)). Действительно, при положительном приращении сигнала в эмиттере и фиксированном потенциале базы транзистор подзапирается, ток его эмиттера и, следовательно, ток коллектора уменьшается, что вызывает положительное приращение напряжения на коллекторе, то есть фаза выходного сигнала не инвертируется по отношению ко входному.
Выходное сопротивление схемы с ОБ практически такое же, как и у схемы с ОЭ. Следует отметить только, что выходное сопротивление собственно транзистора в схеме с ОБ примерно в b раз выше, чем в схеме с ОЭ.
Вследствие малого входного сопротивления схема с ОБ очень редко используется на низких и средних частотах. В высокочастотной области схема с ОБ имеет преимущества перед схемой с ОЭ, так как имеет более широкую полосу пропускания.
Коэффициент усиления по мощности в схеме с ОБ практически совпадает с коэффициентом усиления по напряжению, так как коэффициент передачи тока эмиттера a»1:
3. Включение транзистора по схеме с общим коллектором
Схема с общим коллекторомпредставлена на рисунке 4. Принцип работы схемы с ОК состоит в следующем. Если на входе схемы действует приращение напряжения ЕС (например, положительное), то возникает приращение эмиттерного тока и напряжение на эмиттерном резисторе R4 увеличивается. Следовательно, выходное напряжение повышается почти так же, как и входное. Поэтому такая схема носит название эмиттерный повторитель, так как её коэффициент усиления близок к единице. Заметим, что резистор R3 в схеме может отсутствовать – коллектор непосредственно подключается к шине питания.
Входное сопротивление схемы с ОК совпадает с входным сопротивлением схемы с ОЭ, при наличии отрицательной обратной связи по току (6), если сопротивление R4 заменить на эквивалентное, определяемое параллельным сопротивлением резисторов R4 и RН. Особо нужно отметить достижение предельно возможного входного сопротивления. Из выражения (6) следует, что при увеличении сопротивления R4 входное сопротивление неограниченно возрастает. На самом деле, параллельно входному сопротивлению установлено конечное сопротивление делителя напряжения, задающего режим по постоянному току, поэтому часто входное сопротивление определяется цепями смещения. Даже в том случае, когда эмиттерный повторитель получает смещение от предыдущего каскада (делитель напряжения в цепи базы отсутствует), входное сопротивление ограничено дифференциальным сопротивлением коллектор-база транзистора.
Выходное сопротивление зависит не только от параметров транзистора, но и от внутреннего сопротивления источника сигна-ла RC:
. 
Рис. 4. Усилительный каскад с включением транзистора по схеме с ОК
Коэффициент усиления по току KI = b+1 и в случае применения составных транзисторов может быть весьма большим – до 2500–5000.
Воспользовавшись общим для любого четырёхполюсника выражением для определения коэффициента передачи, найдём коэффициент передачи по напряжению KUэмиттерного повторителя:
где RЭКВ = R4|| RН– эквивалентное сопротивление нагрузки эмиттерного повторителя.
Коэффициент усиления по мощности, что вполне очевидно, определяется коэффициентом усиления тока базы:KP»b+1.
Из приведённых выражений видно, что каскад на транзисторе, включённом по схеме с ОЭ, усиливает как ток, так и напряжение при относительно небольших входном и выходном сопротивлениях, то есть обладает самым большим коэффициентом усиления по мощности.
Схема с ОБ обладает очень низким входным и относительно высоким выходным сопротивлением, при этом имеет одинаковый (с точностью до знака) со схемой ОЭ коэффициент усиления по напряжению и не усиливает входной ток.
Схема с ОК обладает самым высоким входным и самым низким выходным сопротивлениями, близким к единице коэффициентом усиления по напряжению и примерно в b раз усиливает ток и мощность.
4. Работа усилительных каскадов в области низких частот
В области низких частот работа усилительных каскадовопределяется наличием разделительных и блокировочных конденсаторов, каждый из которых образует фильтр верхних частот совместно с определённым сопротивлением, причём можно считать, что эти фильтры соединены последовательно. В этом случае результирующая частота среза амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) может быть определена как:
или, для случая когда все nфильтров имеют одинаковую частоту среза f0 :
.Каждая частота среза может быть определена как:
,где Ri.экв– эквивалентное сопротивление схемы относительно зажимов i-го конденсатора, при условии, что остальные конденсаторы закорочены.
5. Работа усилительных каскадов в области высоких частот
В области высоких частот работа усилительных каскадовв основном определяется двумя факторами:
- частотной зависимостью коэффициента усиления по току транзисторов, которая определяется их физико-химическими и технологическими параметрами;
- наличием паразитных ёмкостей или специально установленных конденсаторов, образующих с внешними сопротивлениями фильтры нижних частот.
Эти факторы приводят к снижению усиления в области высоких частот, и их необходимо принимать во внимание при проектировании усилителей, граничная частота которых превышает 100 кГц .
6. Дифференциальный каскад
Дифференциальный каскад – это симметричный усилитель постоянного напряжения с двумя входами и двумя выходами. Основная его схема представлена на рисунке 5. В общую эмиттерную цепь включён источник тока на транзисторе VT2. За счёт этого обеспечивается постоянство эмиттерных токов транзисторов VT1 и VT3: IЭ1 IЭ3 = IK2. Если ЕС1 = ЕС2 = 0, вследствие симметрии схемы ток IK2 равномерно распределяется между транзисторами VT1 и VT3:
IЭ1 = IЭ3 = IK2 /2,
откуда, пренебрегая базовым током, найдём, что:
IК1 + IК3 = IK2 .
Рис. 5. Основная схема дифференциального усилителя
Эти соотношения не изменятся, если входные сигналы получат одинаковые приращения (синфазный сигнал). Поскольку резисторы RК2 и RК1 одинаковы, коллекторные токи транзисторов дифференциальной пары остаются равными друг другу, не изменяется и разность выходных напряжений: UВЫХ1 - UВЫХ2» 0,то есть коэффициент усиления синфазного сигнала в первом приближении равен нулю.
Если для определённости положить, что ЕС1 > ЕС2 , то изменяется распределение токов в дифференциальной паре:IК1увеличивается, а IК3 соответственно уменьшается, а их сумма остаётся равной IK2. Поэтому приращения коллекторных токов транзисторов VT1 и VT3 равны по абсолютной величине и противоположны по знаку:DIК1 = -DIК2.
Приращения токов IК1 и IК3вызывают соответствующие приращения напряжений на резисторах RK1 и RK2. Таким образом, в отличие от синфазного управления, разность входных напряжений вызывает изменение выходных напряжений.
Заметим, что изменение напряжений база-эмиттер под воздействием температуры действует как синфазный сигнал и, следовательно, не влияет на работу схемы. Поэтому усилитель на основе дифференциального каскада хорошо приспособлен для усиления сигналов постоянного тока и является основой для создания операционных усилителей.
В том случае, когда необходимо усилить не разность напряжений, а только одно входное напряжение, другой вход каскада можно заземлить, в результате чего дифференциальное напряжение будет равно ЕС1 либо –ЕС2, в зависимости от того, какой из входов заземлён.
Коэффициенты усиления для дифференциального сигнала по выходам 1 и 2 отличаются только знаком, так как один из транзисторов работает в схеме включения с ОЭ, другой – с ОБ:
то есть приращения коллекторных напряжений равны, но имеют противоположные знаки.
На самом деле дифференциальный каскад реагирует и на изменение синфазного сигнала. Чтобы определить коэффициент усиления синфазного сигналаKU.СФ, будем считать, что в эмиттерные цепи дифференциальной пары включён источник тока с сопротивлением rИТ. Если к обоим входам приложить одно и то же напряжение UСФ, то ток равномерно распределится между транзисторами VT1 и VT2. При этом их можно рассматривать как два параллельно включённых эмиттерных повторителя с общим эмиттерным сопротивлением rИТ. Задавая приращение DUСФ, найдём приращение тока коллектора транзистора VT1 или VT2:
Тогда для коэффициента усиления синфазного сигнала получим:
то есть КU.СФ может быть сделан много меньше единицы, но не равен нулю.
Одним из параметров качества дифференциального усилителя является коэффициент ослабления синфазного сигнала:
,