Каскады усилителей низкой частоты

Каскады на биполярных транзисторах

В усилителях на биполярных транзисторах используют, как правило, схему включения с общим эмиттером, обеспечивающую усиление как по напряжению, так и по току (рис. 2.4). В схеме резисторы и , включенные между корпусом и точкой +ЕК, образуют делитель для напряжения питания, которое фиксирует режим работы транзистора — его рабочую точку р' (рис. 2.5). Ток Iд, текущий через , должен создавать падение напряжения, соответствующее напряжению между базой и эмиттером транзистора UБЭр, поэтому.

где Iд — ток делителя, образованного резисторами и

Рис. 2.4. Усилительный каскад с общим эмиттером.

Рис. 2.5. Влияние положения рабочей точки р на работу усилителя.

Через сопротивление R'Б течет ток I?, равный сумме тока Iд и тока, текущего в базу транзистора, поэтому.

Ток делителя выбирают Iд = (2…5)IБр. Чем больше Iд, тем стабильнее работает каскад, так как изменения токов коллектора Iк и эмиттера Iэ, а значит, и тока базы IБ = Iк — Iэ не приведут к значительному изменению напряжения на R’Б:

Таким образом, напряжение UБЭр изменится незначительно. В то же время не следует выбирать ток делителя слишком большим, потому что это снижает КПД каскада из-за потерь энергии в делителе.

Допустим сначала, что UBX = 0. Под действием напряжения UБЭр через открытый р-n-переход эмиттер-база протекает постоянный ток базы IБр. Разделительный конденсатор Ср1 не дает возможности постоянному току протекать через источник входного сигнала.

Транзистор открыт и находится в активной области. Его состояние определит точка р пересечения нагрузочной прямой, проведенной через точки Ек и EK/RK, отсекаемые на осях (см. рис. 2.5), с характеристикой, соответствующей току IБр. Постоянный коллекторный ток IКр, соответствующий точке р, определит исходное напряжение между эмиттером и коллектором UKЭp. Так как через разделительный конденсатор Ср2 постоянное напряжение не проходит, выходное напряжение Uвых = 0. Рассмотренное состояние схемы называют режимом работы по постоянному току.

Пусть теперь на вход схемы поступает сигнал в виде синусоидального напряжения с амплитудой Uвх max. Этот сигнал уже пройдет через разделительный конденсатор и вызовет изменение управляющего напряжения НБЭ. Под его действием произойдет изменение токов базы, эмиттера и коллектора. Изменение тока базы оценим по входной характеристике IБ = f (UБЭ) и определим амплитудные значения тока +IБmах и —IБmах. Если бы входная характеристика была линейной, то изменения тока базы как в большую, так и в меньшую сторону были бы одинаковы, но из-за нелинейности характеристики амплитуда +IБmах больше, чем —IБmах. Поскольку выходные характеристики Iк = f (Uкэ) строят для разных токов базы, по ним можно определить токи коллектора, соответствующие токам +IВmах и —IБmах. Изменения тока коллектора относительно среднего значения IКр от (IКр+ IКmах) до (IКр — IКmах) приведут к колебаниям напряжения на сопротивлении RK и, следовательно, на коллекторе транзистора. Эти колебания легко оценить с помощью нагрузочной прямой. Действительно, рабочая точка р будет перемещаться по нагрузочной прямой между точками пересечения этой прямой с выходными характеристиками, соответствующими токам базы (IБр + IБmах) и (IБmin — IБmax). Таким образом, колебания входного сигнала привели к пропорциональным колебаниям напряжения коллектор-эмиттер Uкэ с амплитудой UKЭmax = IКmахRк. Через конденсатор Cp2 эти колебания поступают на выход усилителя. Выходной сигнал, таким образом, равен.

Этот режим называют режимом работы по переменному току.

Из приведенных на характеристиках построений видно, что Uвx. max = 0,1 В, Uвых. mах = 5 В и, значит, коэффициент усиления по напряжению такого каскада.

Следует обратить внимание, что положительному полу-периоду входного напряжения (когда UБЭр+ Uвx. max) соответствует отрицательный полупериод выходного напряжения (т.е. UКЭр — Uвых. max). Иначе говоря, между входным и выходным напряжениями существует сдвиг фаз, равный 180°. Для получения наименьших искажений усиливаемого сигнала рабочую точку р следует располагать на середине линейного участка входной характеристики.