Транзисторные усилители

Цель: Объяснить курсантам принцип работы усилительного каскада на биполярном транзисторе. Полезные свойства отрицательной обратной связи.

План

1. Предварительные каскады усиления.

2. Резистивные усилительные каскады.

3. Резистивный каскад на биполярном транзисторе.

4. Обратная связь в усилителях.

5. Определение основных параметров усилителя.

6. Определение параметров усилителя методом активного четырехполюсника.

7. Эксплуатационные параметры транзистора.

1. Предварительные каскады усиления

Назначение усилителя в конечном итоге состоит в получении на заданном сопротивлении оконечного нагрузочного устройства тре­буемой мощности усиливаемого сигнала.

В качестве источника входного сигнала в УНЧ могут исполь­зоваться такие устройства, как микрофон, звукосниматель, фото­элемент, термопара, детектор и т. п. Типы нагрузок также весьма разнообразны. Ими могут быть, например, громкоговоритель, изме­рительный прибор, записывающая головка магнитофона, последу­ющий усилитель, осциллограф, реле.

Большинство из перечисленных выше источников входного сигнала развивают очень низкое напряжение. Подавать его не­посредственно на каскад усиления мощности не имеет смысла, так как при таком слабом управляющем напряжении невозможно по­лучить сколько-нибудь значительные изменения выходного тока, а, следовательно, и выходной мощности. Поэтому в состав струк­турной схемы усилителя, кроме выходного каскада, отдающего требуемую мощность полезного сигнала в нагрузку, как правило, входят и предварительные каскады усиления (рис. 13.1).

2. Резистивные усилительные каскады

Эти каскады принято классифицировать по характеру сопро­тивления нагрузки в выходной цепи транзистора. Наибольшее применение получили резистивные усилительные каскады, сопро­тивлением нагрузки которых служит резистор.

В качестве нагрузки транзистора может быть использован и трансформатор. Такие каскады называют трансформаторными. Однако вследствие большой стоимости, значительных размеров и массы трансформатора, а также из-за неравномерности амплитудно-частотных характеристик трансформаторные каскады предваритель­ного усиления применяются весьма редко. Основное применение эти схемы находят в выходных каскадах усилителей.

В каскадах предварительного усиления на биполярных тран­зисторах чаще других используется схема с общим эмиттером, которая, как было показано выше (см. параграф 7.3), обладает высоким коэффициентом усиления по напряжению и мощности, сравнительно большим входным сопротивлением и допускает использование одного общего источника питания для цепей эмит­тера и коллектора.

Рассмотрим принципы построения и особенности работы наи­более употребительных схем предварительного усиления.

3. Резистивный каскад на биполярном транзисторе.

Простейшая схема резистивного усилительного каскада с общим эмиттером и питанием от одного источника показана на рис. 13.2. Входной сигнал поступает на базу и изменяет ее потенциал относительно заземленного эмиттера. Это приводит к изменению тока базы, а следовательно, к изменению тока коллектора и напряжения на нагрузочном сопротивлении R_K. Разделительный конденсатор С_p1 служит для предотвращения протекания постоянной составляю­щей тока базы через источник входного сигнала. С помощью кон­денсатора С_р2 на выход каскада подается переменная составляю­щая напряжения U_КЭ, изменяющаяся по закону входного сигнала, но значительно превышающая его по величине. Важную роль играет резистор R_Б в цепи базы, обеспечивающий выбор исходной рабочей точки на характеристиках транзистора и определяющий режим работы каскада по постоянному току.

Для выяснения роли резистора R_Б обратимся к рис. 13.3, иллюстрирующему процесс усиления сигнала схемой с общим эмиттером.

Рис. 13.3. Графическое пояснение процесса усиления сигнала схемой в общим эмиттером

В принципе процесс усиления можно отразить следующей взаимосвязью электрических величин

U_m.вх→I_Бm→I_Km→I_KmR_K → (U_КЭm = E_K – I_KmR_K) = U_m.вых >> U_m.вх.

Действительно, рассматривая вначале рис. 13.3, а, а затем рис. 13.3, б, можно убедиться в том, что напряжение входного сигнала с амплитудой U_m.вх = U_БЭm синфазно изменяет величину тока базы. Эти изменения базового тока вызывают в коллекторной цепи пропорциональные изменения тока коллектора и напряжения на коллекторе, причем амплитуда коллекторного напряжения (с учетом масштаба по оси абсцисс) оказывается значительно больше амплитуды напряжения на базе¹.

Для получения наименьших искажений усиливаемого сигнала рабочую точку Р следует располагать на середине отрезка АВ на­грузочной прямой, построенной в семействе выходных характе­ристик транзистора. Из рис. 13.3, б видно, что положение рабочей точки Р соответствует току смещения в цепи базы I_Бр. Для получе­ния выбранного режима необходимо в усилителе обеспечить тре­буемую величину тока смещения в цепи базы. Для этого и служит резистор R_Б в схеме рис. 13.2. Величину сопротивления этого ре­зистора рассчитывают по формуле

(13.1)

где I_Бр и I_Kp — постоянные составляющие тока базы и коллектора в выбранных рабочих точках Р' и Р соответственно.

¹ Следует обратить внимание на то, что напряжения сигнала на входе и на выходе каскада сдвинуты между собой по фазе на 180°, т. е. находятся в противофазе. Это означает, что рассматриваемый каскад, не нарушая закон изменения сигнала (в нашем частотном случае сигнал изменяется по синусо­идальному закону), в то же время поворачивает его фазу на 180°.

Схема, приведенная на рис. 13.2, получила название схемы с фикси­рованным базовым током. Смеще­ние фиксированным током базы от­личается минимальным числом де­талей и малым потреблением тока от источника питания. Кроме того, сравнительно большое сопротивле­ние резистора R_Б (десятки килоом) практически не влияет на величи­ну входного сопротивления каска­да. Однако этот способ смещения пригоден лишь тогда, когда каскад работает при малых колебаниях температуры транзистора. Кроме того, большой разброс и неста­бильность параметра β даже у однотипных транзисторов делают режим работы каскада весьма неустойчивым при смене транзисто­ра, а также с течением времени.

Более эффективной является схема с фиксированным напряже­нием смещения на базе (рис. 13.4). В этой схеме резисторы и, подключенные параллельно источнику питания Е_К, состав­ляют делитель напряжения. Сопротивления делителя определяются из очевидных соотношений:

(13.2)

Ток делителя I_д обычно выбирают в пределах

I_Д ≈ (2 ÷ 5)I_Бр (13.4)

При этом повышается стабильность режима работы схемы, так как изменения тока в цепях эмиттера и коллектора транзистора незначительно влияют на величину напряжения смещения. Вместе с тем ток делителя не следует выбирать слишком большим из сооб­ражений экономичности, так как чем больше ток I_Д, тем более мощ­ным должен быть источник питания Е_К.

Из схемы, приведенной на рис. 13.4, видно, что сопротивление делителя включено параллельно входному сопротивлению транзистора. Кроме того, пренебрегая малым внутренним сопро­тивлением источника питания, можно считать, что и включе­ны параллельно друг другу. Поэтому необходимо, чтобы

(13.5)

т. е. делитель, образованный резисторами и, должен обла­дать достаточно большим сопротивлением (порядка нескольких килоом). В противном случае входное сопротивление каскада ока­жется недопустимо малым.

При построении схем транзисторных усилителей приходится принимать меры для стабилизации положения рабочей точки на характеристиках. Основной дестабилизирующий фактор, нарушаю­щий устойчивую работу транзисторной схемы,— влияние темпера­туры. Существуют различные способы термостабилизации режима работы транзисторных каскадов. Наиболее распространенные из них реализуются с помощью схем, показанных на рис. 13.5.

Рис. 13.5. Схема термостабилизации режима транзисторного каскада:

а – с терморезистором; б – с диодом; в – с цепочкой эмиттерной стабилизации R_ЭC_Э

В схеме на рис. 13.5, а терморезистор с отрицательным темпе­ратурным коэффициентом сопротивления включен в базовую цепь транзистора таким образом, что при повышении температуры про­исходит уменьшение отрицательного напряжения на базе за счет уменьшения сопротивления терморезистора. При этом происхо­дит уменьшение тока базы, а следовательно, и тока коллектора. В результате увеличение коллекторного тока, вызванное влиянием температуры, компенсируется его уменьшением за счет действия термозависимого смещения, т. е. общее приращение тока коллектора будет незначительным.

Одна из возможных схем термостабилизации режима транзис­тора с помощью полупроводникового диода показана на рис. 13.5,6. В этой схеме диод включен в обратном направлении, а температур­ная характеристика обратного тока диода должна быть аналогична температурной характеристике обратного тока коллектора приме­няемого транзистора. Реализовать эту возможность, однако, удается только для одного транзистора данного типа. При смене транзистора стабильность, как правило, ухудшается из-за разброса величины обратного тока коллектора (напомним, что обратный ток коллек­тора в наибольшей степени подвержен влиянию температуры).

Наибольшее распространение получила схема термостабилиза­ции режима, приведенная на рис. 13.5, в. В этой схеме навстречу фиксированному прямому напряжению смещения, снимаемому с резистора , включено напряжение, возникающее на резисторе R_Э при прохождении через него тока эмиттера.

Пусть по какой-либо причине, например при увеличении тем­пературы, постоянная составляющая коллекторного тока возрастает. Так как I_Э = I_K + I_Б, то увеличение тока I_K приведет к увеличению тока эмиттера I_Э и падению напряжения на рези­сторе R_Э. В результате напряжение между эмиттером и базой U_БЭ уменьшится, что приведет к уменьшению тока базы I_Б, а следовательно, и тока I_K. Наоборот, если по какой-либо причине коллекторный ток уменьшится, то уменьшится и напряжение на резисторе R_Э, а прямое напряжение U_БЭ возрастет. При этом увеличится ток базы и ток коллектора.

В большинстве случаев резистор R_Э шунтируется конденсато­ром С_Э достаточно большой емкости (порядка десятков микрофа­рад). Это делается для отвода переменной составляющей тока эмиттера от резистора R_Э.