2 Аналитический обзор

Питание цепей транзистора. Источник питания выбирают в зависимости от назначения усилителя и требуемой входной мощности (напряжения сигнала на заданной нагрузке). Если предъявляются требования к экономичности усилителя, выбирают как можно меньшее напряжение питания. Внутреннее (выходное) сопротивление источника питания должно быть достаточно малым, чтобы нежелательные обратные связи через общий источник питания каскадов не приводили к нестабильности характеристик усилителя.

Основным назначением каскадов предварительного усиления является усиление напряжения сигнала до величины, необходимой для подачи на вход мощного оконечного каскада, или другого исполнительного органа, работающего при больших уровнях мощности. Поэтому при проектировании каскадов предварительного усиления необходимо таким образом выбирать активные усилительные элементы, их режим работы и пассивные детали схемы, чтобы получить возможно большее усиление.

В качестве активных элементов в каскадах предварительного усиления наиболее широко используются биполярные и полевые транзисторы как в дискретном, так и в интегральном исполнении, а в области высоких частот – экономичные и малошумящие туннельные диоды. Транзисторы в каскадах предварительного усиления чаще всего включают по схеме с ОЭ, обладающей наибольшим усилением.

На рисунках 2.1-2.5 приведены простейшие схемы резистивных усилителей усилительных каскадов на биполярных транзисторах, включенных по схеме ОЭ. Необходимое напряжение на базу можно подавать через резистор R_б (рисунок 2.1) или делителя R_б1, R_б2 (рисунок 2.2). Сопротивление R_б во много раз превышает сопротивление перехода база–эмиттер для постоянного тока, поэтому смещение через резистор R_б называют смещением фиксированным током базы. Смещение с помощью делителя напряжения меньше изменяется при изменении температуры, износе и замене транзисторов, поэтому называется смещением фиксированным напряжением база–эмиттер.

- Ек

Rк

Rб

Свых

Свх

Uвых

VT

Рисунок 2.1 – Каскад с общим эмиттером

Напряжение смещения на базу можно подавать параллельно с напряжением сигнала рисунок 2.1 и последовательно с напряжением сигнала, если сигнал подается через трансформатор. Смещение на базу с делителя напряжения также можно подавать и последовательно с напряжением сигнала. Для этого в схеме на рисунке 2.2 нужно параллельно конденсатору С_вх подключить резистор. При последовательном включении напряжения сигнала и смещения на базу, входное сопротивление каскада будет больше, чем при параллельном включении.

Стабилизация режима работы транзистора необходима вследствие зависимости статических характеристик транзистора от температуры и разброса этих характеристик для разных транзисторов. Простейшим способом стабилизации режима является введение ООС по постоянному току с тем, чтобы изменения входного тока или напряжения, вызванные ООС, противодействовали влиянию дестабилизирующих факторов. Однако при таком режиме стабилизации снижается КПД каскада, вследствие потерь энергии источника питания в цепях обратной связи. Лучшая стабилизация достигается применением термокомпенсации. В цепи питания вводят элементы, сопротивления которых зависят от температуры, например терморезистор (рисунок 2.3) или диод (рисунок 2.4). Основной недостаток этого способа – необходимость тщательного подбора температурных характеристик термокомпенсирующей цепи. Температурная стабильность усилителей на транзисторах значительно уменьшается при использовании кремниевых транзисторов.

Rб1

Uвых

Rб2

- Ек

VT

Rк

Свых

Свх

Рисунок 2.2 – Схема подачи смещения в цепь база – эмиттер через делитель напряжения

Схемы коллекторной стабилизации режима являются наиболее простыми схемами стабилизации путем введения ООС.

При включении транзистора с ОЭ коллекторная стабилизация снижает коэффициент усиления каскада и его входное сопротивление, так как напряжение сигнала с выхода каскада через резистор R_б поступает на вход, создавая в каскаде ООС по переменному току. Для устранения этой обратной связи вместо резистора R_б включают два резистора и между ними блокировочный конденсатор С_б достаточно большой емкости .

Схема эмиттерной стабилизации режима позволяет достичь более высокой стабильности рабочей точки, чем схемы коллекторной стабилизации. Стабильность повышается при увеличении сопротивления резистора R_э и уменьшении сопротивления резисторов R_б1 и R_б2. Однако выбирать R_э очень большим не следует, так как напряжение коллектор–эмиттер может оказаться слишком малым. При очень малых сопротивлениях R_б1 и R_б2 увеличивается мощность, потребляемая от источника питания, и уменьшается входное сопротивление каскада (при включении транзистора с ОЭ). Для устранения воздействия ООС при включении транзистора с ОЭ, резистор зашунтирован конденсатором (рисунок 2.5).

Uвых

- Ек

VT

Rк

Rб¹

Свых

Свх

Rб²

t⁰

Rк

Рисунок 2.3

Uвых

- Ек

VT

Rк

Rб¹

Свых

Свх

VD

Rб²

Рисунок 2.4

Схема комбинированной стабилизации режима позволяет достичь наиболее высокой стабилизации режима.

Р исунок 2.5

Если увеличивать сопротивление R_э и одновременно уменьшать сопротивление R_к, оставляя неизменным ток коллектора (для этого необходимо уменьшить сопротивление R_б1), то стабильность режима повышается, а коэффициент усиления каскада снижается.