6.4. Усилительный каскад на биполярном транзисторе

Как правило, все усилительные каскады предварительного усилителя, кроме входного, выполняют на биполярных транзисто­рах. В усилителях напряжения, к которым относятся основные кас­кады предварительного усилителя, биполярные транзисторы обеспе­чивают большее усиление по сравнению с полевыми. Кроме того, их стоимость ниже.

Если в усилителях на полевых транзисторах искажения в об­ласти высоких частот определяются нагрузкой каскада, то в схе­мах на биполярных транзисторах приходится учитывать и инерци­онность самих транзисторов.

Рассмотрим усилительный каскад на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером (рис. 6).

Биполярный транзистор управляется током базы. Поэтому свойства каскада будут зависеть от внутреннего сопротивления генератора (источника сигнала). При последовательном включении усилительных каскадов источником сигнала для транзистора (рис. 7) будет каскад на транзисторе . На рис. 7 изобра­жена упрощенная схема, показывающая связь по переменному току.

В первом приближении, выходное сопротивление каскада будет равно , причем, каскад по переменному то­ку включен параллельно .сопротивлению нагрузки . Отсюда видно, что при определении коэффициента усиления каскада на транзисторе неудобно пользоваться распространенной схемой (рис. 6), на которой генератор включен последова­тельно с сопротивлением .

Поэтому, при нахождении коэффициента усиления каскада по напряжению будем пользоваться определением

Такое определение удобно и при проведении экспериментов, посколь­ку технически проще измерить соответствующее напряжение.

Тогда коэффициент усиления каскада

(19)

Здесь - коэффициент усиления тока в схеме с об­щим эмиттером.

В общем случае, когда в цепи эмиттера имеется внешнее со­противление , коэффициент усиления каскада будет

(20)

Величина объемного сопротивления базы может быть найдена из приводимой в справочниках постоянной времени обрат­ной связи . Например, у транзистора КТ325 постоянная времени обратной связи пс и емкость коллекторного перехода пф. Отсюда

Ом.

Следует отметить, что параметры биполярного транзистора сущест­венно зависят от режима, тока, напряжения. Поэтому не следует преувеличивать достоверность результатов. Постоянная времени в зависимости от тока эмиттера может изменяться на 30 - 50%, емкость коллекторного перехода зависит от напряжения и т.п. Учет всех этих сложных взаимных связей потребовал бы ис­пользования громоздких формул. Величина , зависит от то­ка эмиттера и была записана ранее (13).

Наибольшее усиление каскад обеспечивает при

(21)

Можно показать, что при достаточном большом сопротивлении выражение (20) превращается в

(22)

При использовании выражения (22) не следует забывать, что оно приближенное и что коэффициент усиления каскада не может быть больше величины, определенной (21). Выражением (22) допус­тимо пользоваться при условии . Оно может быть полезным при оценке усилительных свойств каскада.

Для расчета ряда параметров усилителя нужно знать величину внутреннего сопротивления источника сигнала . В общем случае оно определяется параллельно соединенными сопротивлением в цепи коллектора , базового делителя и выходным сопротивлением транзистора .

Эти элементы на рис. 7 от цепи базы транзистора отде­лены пунктирной линией.

(23)

Здесь

, рис. 6.

Если каскад (рис. 7) выполнен по схеме ОЭ или ОБ, то величина существенно больше сопротивлении нагрузки и

.

Величина коэффициента усиления тока уменьшается с ростом частоты. Эту зависимость (рис. 8) принято аппроксимировать выражением [5] , [4] .

(24)

где - коэффициент усиления тока в области низких частот,

- частота верхнего среза, на которой коэффициент усиления тока падает до 0,707 от значения на низких частотах.

Эквивалентная схема каскада в области высоких частот пока­зана на рис. 9.

Емкость находится по вырахеяию

(25)

здесь - частота, на которой (граничная час­тота) .

Величина сопротивления эмиттерного перехода зависит от тока эмиттера, и была определена ранее (13).

В справочниках обычно при­водится величина постоянной времени цепи обратной связи и емкость коллекторного пере­хода . Откуда объемное сопротивление базы

(26)

Вторая составляющая емкости - это вносимая дина­мическая емкость, зависящая от величины коэффициента усиления каскада по напряжению .

Величина определяется как

(27)

Для заданного транзистора (с известной ) величина постоянной времени , как это следует из (25) при , оказывается не зависящей от тока эмиттера

, (28)

хотя , (27) и зависят от тока.

Из эквивалентной схемы (рис. 9) видно, что постоянная вре­мени зависит от всех трех сопротивлений. Величина эквивалентно­го сопротивления

. (29)

Относительная величина коэффициента усиления каскада

(30)

Рассмотренным методом можно получить "точное" решение в той степени, в которой верны принятые допущения. В действитель­ности параметра транзистора такие, как могут заметно отличаться от приводимых в справочниках. Кроме того, они зависят от напряжения, тока, температуры.

Поэтому наряду с "точным" решением можно пользоваться более простым, изложенным ниже. Оно не учитывает влияние .

Для оценки допустимости пренебрежения влиянием сопротивления рассмотрим пример. Для транзистора КТ325 МГц. Постоянная времени цепи обратной связи пс. Емкость коллекторного перехода пФ. Коэффициент усиления то­ка 20 - 60, его расчетная величина

.

Пусть транзистор работает с током мА. Тогда Ом, сопротивление Ом, объемное сопротивление базы

Ом.

Эквивалентное сопротивление (29) при типичной величине сопротив­ления нагрузки широкополосного телевизионного усилителя кОм будет

Ом.

Если , то Ом. Из примера видно, что при реально используемых сопротивлениях на­грузки кОм, влиянием можно пренебречь.

Тогда для определения искажений в области высоких частот можно пользоваться более простым методой, считая, что относитель­ная величина коэффициента усиления каскада определяется выражением

(31)

Частота верхнего среза находится из условия

(32)

где коэффициент учитывает влияние динамической емкости. Он определяется как отношение емкости, найденной с учетом влияния из уравнения (25), к той же емкости при

.

Пример. Усилительный каскад выполнен на транзисторе КТ315А с параметрами МГц, , пФ, пс.

Пусть ток эмиттера мА и . Сопротивление Ом. Расчетная величина

.

Найдем емкость (24)

пФ,

МГц.

Частота верхнего среза

МГц.

Если желательно пользоваться более точным методом, то частота верхнего среза может быть найдена из (30)

.

Усилительный каскад на биполярном транзисторе может иметь входное сопротивление, соизмеримое с сопротивлением, включенным в цепь коллектора предыдущего каскада. Поэтому необходимо учиты­вать влияние последующего каскада на предыдущий.

Например, эквивалентное сопротивление нагрузки для транзис­тора (рис. 7) будет

.

Входное сопротивление каскада (без учета влияния базового делителя)

(33)

Соображения по выбору сопротивлений делителя (рис. 6) были приведены ранее (16) - (18). Величину падения напряжения на со­противлении в цепи эмиттера желательно иметь не менее (1 - 1,5) В. При меньших величинах ухудшается термостабильность. Если, напри­мер, ток транзистора мА и по условиям получения задан­ного усиления, коррекции и т.п. Ом, то падение напря­жения будет В. Тогда последовательно с Ом следует включить резистор , шунтированный емкостью (рис. 6). Если выбрать Ом, то падение напряжения бу­дет В. Емкость должна выбираться достаточно большой, чтобы заметно не изменять величину в рабочем диапазоне частот .

Величина напряжения (база-корпус) складывается из напряжения база-эмиттер (в рабочей точке) и падения напряжения в цепи эмиттера.