книги / Электронные усилители

рез R1 Передается на базу, вызывая уменьшение тока смещения базы /*<,, что уменьшает возрастание тока коллектора /к0 Анало­ гичный Процесс происходит в схеме и при уменьшении тока кол­ лектор^.

СхеМн коллекторной стабилизации положения исходной рабо­ чей точки применяется редко. Она проста, экономична, но не обес­ печивает достаточной стабилизации положения исходной рабочей точки.

СхеМа эмиттерной стабилизации положения рабочей точки приведена на рис. 3.6, б. В этой схеме напряжение смещения меж­ ду базой и эмиттером состоит из двух встречно включенных напря­

жений: Напряжения,	снимаемого с		резистора R2	делителя	R1,
R2, и Напряжения,	снимаемого с		резистора R 3, включенного		в
цепь эМиттера. Ток	делителя	протекает по цепи: + £ к , R2,			R1,
■—Е к . Этим током создается		падение напряжения		на резисторе

R2.

Ток эмиттера протекает по цепи: + £ к, резистор R 3 , эмиттер -

база транзистора, — а далее разветвляется		на ток базы / б0	и ток
коллектора / к0. Ток базы / б0 затем	протекает через базу,		резис­
тор R1 и к —Ек. Ток коллектора / к0	затем	протекает через пере­

ход база—-коллектор, резистор R'Uи к —Е к

Ток эмиттера / эо» протекая через резистор R 3, создает на нем падение напряжения U3, которое оказывается включенным в цепь база—эмиттер последовательно с напряжением смещения на ре­ зисторе R2. Таким образом, в схеме образуется отрицательная об­

ратная связь по току, создаваемая током 13	Все напряжение		об­
ратной связи U3 = I 3 R э подается с выходной цепи во		входную.
Следовательно, результирующее напряжение смещения
R‘i—^3 0 R -j
Ток делителя / д во много раз больше тока базы / б0		Поэтому
напряжение па R2 (UR2 = I дЛг) не зависит	от тока базы 1й0 ,		и

смещение на базе при изменении тока коллектора 1 « будет изме­ няться только в результате изменения падения напряжения на ре­ зисторе R 3

Процесс стабилизации исходного положения рабочей точки за­

ключается в следующем. При возрастании			тока		эмиттера			из-за
увеличения температуры (или при смене транзистора)							увеличится
напряжение U9= I 3R 3 . что приведет к.уменьшению напряжения
смещения на базе транзистора, так как R2 и R 3				включены встреч­
но. Ток 6a3bj U,) уменьшится и,		следовательно,			уменьшится ток
эмиттера / э0. Но отрицательная		обратная	связь через R 3 приве­
дет и к уменьшению коэффициента усиления каскада.							Чтобы не
допустить этого, отрицательную обратную связь					по	переменному
току исключают	шунтированием резистора			R 3		конденсатором
С 3. Сопротивление	С9 для переменного тока сигнала						мало, и пе­
ременного падения	напряжения	на R 3 не будет,			а следовательно,
де будет и отрицательной обратной связи по				переменному				току
сигнала.

Схема эмиттерной стабилизации рабочей точки транзистора применяется часто. Она обеспечивает более высокую стабилиза­ цию положения рабочей точки транзистора.

Еще лучшую стабилизацию рабочей точки обеспечивает комби­ нированная схема (рис. 3.7), где используется отрицательная об­ ратная связь как по току, так и по напряжению. В этой схеме ре­ зисторы обратной связи Я э и R t\, шунтированы конденсаторами

С , и Сф для устранения обратной связи по переменному току.

Схемы стабилизации исходного положения рабочей точки о помощью отрицательной обратной связи применимы только в усилителях, работающих в режиме класса А, в котором постоян­ ная составляющая выходного тока транзистора не зависит от ам­ плитуды усиливаемого сигнала.

В режиме класса В, при котором среднее значение тока покоя зависит от амплитуды усиливаемого сигнала, применяют смеще­ ние фиксированным напряжением базы, а стабилизация исходно­

го положения рабочей точки осуществляется схемами термокомненсации.

1ко*1ю*и £

Недостатком схем стабилизации с применением обратной связи является дополнительный расход мощности источника питания на

элементах цепей обратной связи.

В усилителях на полевых транзисторах применяют автоматиче­ ское истоковое смещение и комбинированную схему смещения о

истоковой стабилизацией.			приведена	на
Схема	истокового	автоматического смещения
рис. 3.8, а.	Напряжением смещения здесь является		напряжение,
создаваемое током истока на резисторе R a. Оно подается на				зат­
вор через	резистор R2,	сопротивление которого можно выбирать
очень большим (1		100 МОм), поскольку ток	затвора очень

мал и падения напряжения на нем по существу нет.

Стабилизация тока покоя выходной цепи по этой схеме осуще­ ствляется следующим образом: при возрастании выходного тока покоя под действием дестабилизирующих факторов увеличивается падение напряжения на резисторе R u , транзистор начинает за­ крываться, и ток покоя выходной цепи уменьшается. Но стабили­ зация здесь получается слабой из-за малой крутизны характерис­ тик полевых транзисторов. Поэтому схема, представленная на

рис. 3.8, а, применяется при небольших изменениях	температуры.
В схемах, где вероятна замена транзистора, такая	стабилизация

яе применяется.

Комбинированная схема смещения в каскаде на полевом тран­ зисторе приведена на рис. 3.8, б. Для улучшения стабилизации в

этой схеме сопротивление резистора R,, выбирают значительно большим, чем в схеме, приведенной на рис. 3.8, а, а возросшее паде­ ние напряжения на R„ компенсируется напряжением, снимаемым

сделителя Rl, R2.

3.4.НАГРУЗОЧНЫЕ И ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Зависимости между напряжениями и токами в цепях усили­ тельного элемента, например транзистора, называются его харак­ теристиками.

В том случае, когда во внешних цепях усилительного элемента сопротивлений нет, режим его работы называется статическим и характеристики, соответственно, называются статическими.

Однако в реальных усилительных каскадах во всех цепях уси­ лительного элемента включаются сопротивления. Режим работы усилителя при наличии сопротивлений во внешних цепях усили­ тельного элемента называется динамическим режимом.

Зависимости между мгновенными значениями напряжений и то­ ков в цепях усилительного элемента при наличии в этих цепях внешних сопротивлений называются динамическими характерис­ тиками.

Усилительный элемент имеет две цепи — входную и выходную, поэтому и динамические характеристики есть входные и выходные; проходные и сквозные.

Сопротивления во внешних цепях усилительных элементов в усилительных каскадах в общем случае комплексные, т. е. вклю­ чают в себя активную и реактивные составляющие.

Так, в выходной цепи сопротивление для постоянной составля­ ющей выходного тока активное; оно называется сопротивлением

Цепи постоянному току. А динамические характеристики, показы­ вающие зависимость постоянных составляющих напряжений и то­ ков при наличии в выходной цепи сопротивления нагрузки R„, на­ зываются динамическими характеристиками постоянного тока.

Динамические характеристики, показывающие зависимость пе­ ременных составляющих токов и напряжений с частотой сигнала кри наличии в выходной цепи активного сопротивления переменно­ му току R „ , называются динамическими характеристиками пере­ менного тока.

Выходные динамические характеристики. В динамическом ре­ жиме выходной ток создает на сопротивлении нагрузки RH па­ дение напряжения. Но так как выходной ток имеет постоянную и Переменную составляющие, то Можно построить динамичес­ кую характеристику постоян­ ного и переменного тока. По­ строим динамические характе­ ристики для простейшего кас­ када с активным сопротивле­

нием нагрузки R „ в выходной Цепи- (рис. 3.9). Для этого вос­ пользуемся уравнением второ­ го закона Кирхгофа, выражаю­ щим зависимость между на­ пряжением и током выходной цепи:

Ек	—■к Як I	1
где !к и и к — мгновенные	значения	переменного коллекторного

тока и напряжения соответственно.

Для построения динамической характеристики постоянного то­ ка надо учитывать сопротивление R K только для постоянной сос­

тавляющей выходного тока	/ к . Уравнение Кирхгофа		принимает
вид
U RK +Uк = Е К или UK=£,< —A RK
где / к — постоянная составляющая коллекторного			тока; Ек —
ЭДС источника питания; Uк	— напряжение коллектора.
Это выражение является	уравнением	выходной динамической
характеристики постоянного тока.		динамической характе­
Графическое изображение уравнения

ристики постоянного тока на плоскости статических характеристик представляет собой прямую линию, называемую нагрузочной пря­ мой постоянного тока.

Построение нагрузочной характеристики на семействе выход­ ных статических характеристик tI( = f ( u K) удобно выполнить, оп­ ределив точки пересечения ее с осями координат. Так, из уравне­ ния UK *=ЕК —/ КДКпри / к = 0 получим UK= £ к . Эта точка пе­ ресечения нагрузочной прямой с горизонтальной осью. А при

С/к =0 находим точку пересечения с вертикальной осью 1 К~ Через эти точки проводим нагрузочную прямую, как по­

казано на рио. 3.10.

Наклон нагрузочной прямой зависит от значения сопротивле­ ния нагрузки R к и определяется так: a = a rc tg l/R K.

Любая точка нагрузочной прямой определяет значения напря­ жения и тока коллектора iK при заданных значениях сопротивле­

ния нагрузки RK и ЭДС источника питания.
В усилительных каскадах обычно	устанавливается постоянное
значение тока смещения базы / б= / б0	Точка пересечения		нагру­
зочной прямой со статической характеристикой при / б= / б0			назы­
вается точкой исходного режима или	точкой покоя.	Координаты
этой точки определяют ток / к0 и напряжение UK0 выходной цепи в
исходном режиме.		и выбранном
При заданном значении ЭДС источника питания

значении сопротивления нагрузки требуемое исходное положение рабочей точки достигается выбором значения тока базы / б

Выходная динамическая характеристика переменного тока строится с учетом всех сопротивлений в выходной цепи переменно­ му току сигнала. В схеме, приведенной на рис. 3.9, сопротивление

выходной цепи можно считать чисто активным.			Уравнение дина­
мической характеристики составим, учитывая то,			что	изменения
выходного тока Д*Вых	вызывают	изменения выходного		напряже­
ния Ди . Тогда цвых	^ к loRn	Д^в:лх R -—UQ	i Вчх R н~ Здесь
Uo=E—I0 R ,,.

Графическое изображение уравнения динамической характери­ стики на плоскости статических характеристик усилительного эле­

мента представляет собой прямую линию, называемую нагрузоч­ ной прямой переменного тока. Строится она тем же методом, что и нагрузочная прямая постоянного тока.

В том случае, когда активное сопротивление нагрузки одинако­ во для постоянного и переменного тока, динамическая характерис­ тика является одновременно и линией нагрузки как для постоян­ ного, так и для переменного тока.

Если сопротивление нагрузки для переменного тока отличается от сопротивления постоянному току, то линия нагрузки для пере­ менного тока пройдет через выбранную точку исходного режима под углом ось отличающимся от а. На рис. 3.10 показаны нагрузоч­

ная характеристика		постоянного тока при		сопротивлении		/?„ост
(прямая	/) и динамические		характеристики	при	сопротивлениях
нагрузки	переменному току,		большем R ^ > /?„		(прямая 2 ) и
меньшем R"„<R =		(прямая 3), чем постоянному току.
Практически построение			динамической	характеристики		пере­

менного тока выполняют по двум точкам. Первой точкой является исходная рабочая точка Ло, выбранная на нагрузочной прямой по­ стоянного тока. Через эту точку должна проходить и динамическая характеристика, так как при прохождении через нуль переменного входного сигнала мгновенная рабочая точка А должна совпасть с исходной Л0. Вторую точку динамической характеристики можно

найти, либо задавшись некоторым произвольным		приращением
тока Дi и определив соответствующее ему	приращение напряже­
ния Au=AiR, либо проведя через точку Л0	прямую -под углом
«i = arctg lfR~
Пользуясь графическим методом, можно с помощью динамиче­
ской характеристики правильно выбрать	режим	усилительного

элемента и определить значения токов и напряжений в цепях уси­ лителя.

Для примера построим графики, изображающие работу транзисторного усилителя. Сначала на семействе выходных стати­ ческих характеристик транзистора (рис. 3.10) строим нагрузочную прямую для сопротивления постоянному току, т. е. проводим пря­ мую через две точки: а — отрезок Оа равен —Е к; б — отрезок Об равен EK/R к+ Выбираем на ней положение исходной рабочей точки Ло, задавшись некоторым определенным значением /б За­ тем строим динамическую характеристику для переменного тока, проводя прямую через точку Ао под углом ai = arctg l/R~

По известному значению амплитуды входного сигнала / ьп можно установить пределы изменения тока базы в режиме усиле­ ния, а также участок динамической характеристики, по которому перемещается рабочая точка (участок ВС на рис. 3.11). Этот учас­ ток называется рабочим участком динамической характеристики.

Проекции половин рабочего участка на оси координат позволя­ ют определить амплитуды тока коллектора I Km и напряжения кол­

лектора	в положительный и отрицательный полупериоды сиг­
нала.

Входная динамическая характеристика биполярного транзисто­ ра почти совпадает со статической характеристикой.

Входные динамические характеристики используют для опре­ деления напряжения смещения, подаваемого на усилительный эле­ мент, напряжения, тока и мощности входного сигнала, а также входного сопротивления.

3.5.ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ СХЕМЫ И ПАРАМЕТРЫ УСИЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Впроцессе анализа работы усилителя необходимо определить следующие его основные параметры: коэффициент усиления по то­ ку, напряжению и по мощности; входное сопротивление; выходное

сопротивление.

Для этого пользуются эквивалентными схемами.

Эквивалентной схемой называют электрическую схему, состав­ ленную из линейных элементов электрических цепей (сопротивле­ ний, емкостей, индуктивностей, генераторов тока или напряже­ ния), свойства которых одинаковы со свойствами реального уст­ ройства (прибора).

Эквивалентная схема усилительного каскада состоит из экви­ валентной схемы усилительного элемента и подключенных к ней простых элементов (проводимостей).

Эквивалентные схемы транзисторов. Различают два вида экви­ валентных схем транзистора: формальные, физические.

Формальные эквивалентные схемы собирают на основе пред­ ставления транзистора в виде активного линейного четырехполюс­ ника, свойства которого описываются уравнениями, связывающими

токи и напряжения на входе и на выходе через г-, у- или ft-пара­ метры.

На рис. 3.12 приведены схема замещения транзистора (а) эк­ вивалентным ему четырехполюсником (б) и схема замещения че­ тырехполюсника формальной схемой (в).

Формальные схемы не раскрывают физических свойств тран­ зистора, а только отражают реакцию схемы на токи и напряжения на внешних зажимах.

физические эквивалентные схемы транзистора представляют собой Электрическую модель транзистора. Элементы этих схем отображают внутренние (физические) параметры транзистора. Физические эквивалентные схемы наглядно показывают физичес­ кие свойства транзистора, включают в себя его физические пара­ метры и делают удобным анализ влияния параметров транзистора на параметры схем усилителей. Поэтому на практике они исполь­ зуются чаще других.

Эквивалентная схема биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. Из множества разнообразных экви­ валентных схем наиболее точно структуру транзистора отражает физическая Т-образная схема, легко преобразуемая в П-образную.

П-образная эквивалентная схема транзистора (схема Джиколетто) для биполярного транзистора, включенного по схеме с об­ щим эмиттером, приведена на рис. 3.13. Она справедлива для сравнительно низких частот, на которых можно пренебрегать ин­ дуктивностями выводов транзисторов. На этой схеме приняты сле­

дующие обозначения:			(для	низкочастотных
г 6'	— объемное сопротивление базы
	транзисторов г'б «100 Ом, для		высокочастотных —
	г ' « 5 0 Ом);
Гдэ	— сопротивление между базой и эмиттером				(единицы и
г'6к	десятки ом) ;	базой и	коллектором (сотни
	— сопротивление между
г кэ	килоом);
	— сопротивление между коллектором и эмиттером;
Сдэ	— емкость между базой и эмиттером (сотни пикофарад);
С к = С б'к — емкость между базой		и коллектором		(десятки пико­
	фарад);		усилительные свойст­
UnS n — генератор тока, отображающий
U,,	ва транзистора;
	— напряжение, действующее на эмиттерном переходе;
S,,	— крутизна характеристики выходного тока				транзисто­
	ра по напряжению на эмиттерном переходе.
Эквивалентная схема входной цепи транзистора.				Для анализа

и определения свойств входной цепи транзистора нужно привести схему, представленную на рис. 3.13, к виду, удобному для анализа. Как видно из рис. 3.13, входная цепь транзистора является нагруз­ кой для источника сигнала.

и,	и.
О"	UA	JU
	■<
	о

С целью упростить входную цепь транзистора составим эквива­ лентную схему при коротком замыкании выхода. Замкнув накорот­ ко выход в схеме на рис. 3.13, получим схему, показанную на

рис. 3.14, а. Так как сопротивление гб'к			во много раз больше со­
противления r 't 3 , то можно считать, что			результирующее сопро­
тивление двух параллельно соединенных г'6у. и г бз будет пример­
но равно г'Ьэ	Емкости С ’бз	и Ск объединим. Получим схему, по­
казанную на	рис. 3.14,6. Эта	схема удобна для анализа, т е. для

определения коэффициента усиления и его зависимостей от часто­ ты.

Коэффициент усиления каскада с общим эмиттером определя­ ется так:

Ло15= /к //б

SO