Типовые схемы и основные показатели каскадов усиления

Параметры каскадов усиления при разных схемах включения транзисторов.

Усилительные свойства биполярного транзистора обусловлены тем, что слабый ток Iб, протекающий в промежутке база-эмиттер транзистора, управляет во много раз большим током Iк, протекающим в промежутке эмиттер-коллектор, или близким нему (по значению) током в цепи эмиттера Iэ=Iк+Iб. Обычно источник сигнала подлежащего усилению, подключается ко входным электродам «база» и «эмиттер», нагрузку Rн в выходной цепи присоединяют так, чтобы через нее протекал ток Iк или Iэ, не превышающий допустимого тока Iк доп (рис 1a,б). Для нормальной работы транзистора необходимо подать на его электроды начальное напряжение постоянного тока соответствующей полярности. Относительно эмиттера оно должно составлять на базе около 0,15—0,25 В (для германиевых транзисторов) и 0,6—0,7 В (для кремниевых), а на коллекторе - не превышать напряжения Uкэ.доп. В отмеченных условиях транзистор в общем случае обладает способностью усиливать напряжение, ток и мощность. Предельные значения параметров Uк.доп и Uкэ.доп, а также максимально допустимой рассеиваемой на коллекторе мощности Рк.доп, обычно приводятся в справочниках.

У полевого транзистора (ПТ) управление током истока или равным ему током стока осуществляется напряжением источника сигнала, приложенным к промежутку затвор—исток или затвор—сток. При включении нагрузки в цепь, по которой протекает ток истока, у ПТ, как и у БТ, создается возможность усиливать напряжение, ток и мощность.

В каскаде усиления сигналов транзистор подключается к остальным цепям с помощью трех выводов. Один из них, как правило, общий для входной и выходной цепей усилителя. Смотря по тому, какой вывод является общим, различают типовые схемы включения транзистора в усилительный каскад. Применяются три схемы включения: с общим эмиттером (ОЭ), с общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК)—для БТ и аналогично с общим истоком (ОИ), общим затвором (ОЗ) и общим стоком—для ПТ. Обычно параметры БТ соответственно способам его включения принято помечать дополнительным индексом «Э», «Б», «К». Поскольку наиболее распространена схема с ОЭ, то для упрощения в дальнейшем тексте в большинстве случаев индекс «Э» опускается.

Усилительные свойства каскадов чаще всего характеризуются следующими основными показателями: способностью поворачивать фазу выходного сигнала относительно входного на 180° (инвертирующий каскад) или оставлять ее неизменной (неинвертирующий каскад); значениями коэффициента усиления по напряжению, по току и по мощности; значениями входного и выходного сопротивлений; формой амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик; уровнем нелинейных искажений.

Определим эти характеристики и параметры усилительного каскада для малых сигналов при различных способах включения АЭ.

Наиболее распространенная схема резисторного каскада с ОЭ приведена на рис. 2. Входное напряжение здесь приложено к выводам базы и эмиттера, а выходное напряжение снимается с коллектора и эмиттера; входным током являетсятся ток базы, а выходным — ток коллектора.

При подаче на базу n-p-n транзистора переменного напряжения Uс полное напряжение на базе (при мгновенной положительной полярности сигнала) Uc+Eбэ увеличивается. Это приводит к возрастанию коллекторного тока и напряжения на сопротивлении нагрузки Rн. Следовательно, напряжение на коллекторе, равное E0-IкRн, уменьшается. Это указывает на то, что фаза выходного напряжения Uвых противоположна фазе напряжения Uс. Отсюда следует, что каскад с ОЭ и аналогичный ему каскад с ОИ являются инвертирующими.

Коэффициент усиления по току Кт каскада с ОЭ в режиме короткого замыкания выходных зажимов, т. е. при Rн=0, Кт=Iк/Iб=h21, где h21—коэффициент передачи тока базы при Rн=0; он приводится в справочных данных параметров транзисторов и составляет десятки, иногда сотни единиц.

Если Rн не равен нулю, то для любого Rн коэффициент усиления по току (динамический)

где Rвых — выходное сопротивление транзистора при обрыве входной цепи (режим холостого хода на входе).

Наибольший коэффициент усиления по току в каскаде с ОЭ Кт.д=h21 получается в режиме короткого замыкания выходных зажимов; при Rн, стремящемся к бесконечности (режим холостого хода) .Кт.д→0.

При любом сопротивлении нагрузки коэффициент усиления по напряжению:

для БТ

где Rвх — входное сопротивление транзистора при короткозамкнутом выходе, равное 1/39 Iб или, с учетом того, что Iб=Iк/Kт, Kт/39 Iк, где Iк — в миллиамперах;

для ПТ (при выполнении условия Rвых>>Rн)

(1)

где S — крутизна характеристики ПТ.

При Rн=0 также и К=0, а при Rн→∞ теоретически (при сделанных допущениях) К→∞. Практически К можно получить от нескольких десятков до нескольких сотен единиц.

При оценке усилительных свойств каскада в установившемся режиме работы представляет интерес определение отношения его выходного напряжения Uвых к напряжению источника внешнего сигнала Еи, поступающего на вход каскада, т. е. так называемый сквозной коэффициент усиления Кскв. Этот показатель наиболее полно характеризует усилительные свойства каскада, так как учитывает ослабление внешнего сигнала, возникающее при передаче его во входную цепь усилителя из-за того, что внутреннее сопротивление источника сигнала Rи не равно 0. По определению

(2)

где Uвх — напряжение сигнала на входе усилительного каскада.

Отношение Uвх/Еи, показывающее ослабление сигнала во входной цепи каскада, определяется выражением:

где Rвх— входное сопротивление усилительного каскада.

Для каскада с БТ оно чаще всего равно входному сопротивлению транзистора. В усилителях на ПТ входное сопротивление каскада с ОИ (обычно равное сопротивлению резистора, включаемого во входную цепь для обеспечения режима работы каскада по постоянному току) значительно превышает Rи и, как следствие, Uвх=Eи (или а=1) и Кскв=К. Для усилителей на БТ Кскв всегда меньше К.

Таким образом, каскад с ОЭ, обладая способностью усиливать напряжение и ток, позволяет получить значительный коэффициент усиления по мощности:

Его значение достигает нескольких тысяч и даже десятков тысяч единиц.

Входное сопротивление Rвх БТ, как это было сказано при определении К каскада с ОЭ, равно

где h11—входное сопротивление транзистора при короткозамкнутом выходе. У маломощных БТ оно составляет несколько сотен ом, а у мощных—менее 10 Ом. Полевые транзисторы имеют входное сопротивление 10⁶—10¹² Ом.

Выходное сопротивление Rвых транзистора в каскаде с ОЭ можно определить приближенно по формуле Rвыx=Uвых/Iк=1/h22, где h22 - выходная проводимость при разомкнутом входе, значение которой приводится в справочниках параметров транзисторов.

У маломощных БТ выходное сопротивление составляет несколько десятков килоом. Выходное сопротивление ПТ в режиме насыщения или (что то же) его внутреннее сопротивление переменному току Ri равно нескольким сотням килоом. Так как оно обычно значительно превышает сопротивление нагрузки, то для определения коэффициента усиления по напряжению необходимо знать лишь крутизну характеристики, которая и приводится в справочниках.

Выходное сопротивление АЭ не следует путать с выходным сопротивлением усилительного каскада. Последнее равно сопротивлению R'вых параллельно соединенных Rвых и Rн. В многокаскадных усилителях это сопротивление служит сопротивлением источника сигнала Rи для последующего каскада.

Амплитудно-частотная характеристика позволяет определить полосу пропускания усилителя. Ограничение полосы пропускания усилителя со стороны высоких частот f'в обусловлено в основном двумя причинами: инерционностью физических процессов, происходящих в транзисторе, и шунтирующим действием проходных (между выводами транзистора) емкостей, в частности, коллекторного перехода Ск в БТ и емкости Сзс в ПТ.

В каскадах на БТ коэффициент Кт и, следовательно, h21 с повышением частоты уменьшаются и становятся равными единице на частоте fт, характеризующей предельную частоту усиления тока. Другим параметром, ограничивающим верхний предел полосы пропускания, является параметр fh21. Это—верхняя граничная частота, на которой значение h21 в 1,41 раз меньше (или составляет 0,707) своего номинального значения, взятого вблизи нулевой частоты. Эти параметры связаны между собой следующим соотношением: fh21=fт/h21. Иногда в справочных таблицах вместо fт или fh21 приводится минимальное значение h'21 на частоте f', много большей fh21. Тогда fт определяется по формуле: fт=h'21 f'. Для ПТ fт можно определить по следующей формуле: fт=S/2πСзс.

Следует отметать, что значения fт, fh21, h'21 определяются при Rн=0. Если Rн не равно 0, то на f'в сказывается влияние емкости коллекторного перехода Ск. Хотя емкость Ск обычно во много раз меньше емкости база — эмиттер Сбэ, но при Rн>0 благодаря действию возникающей ООС по напряжению между коллектором и базой часть входной емкости каскада, вносимой транзистором, воз­растает со значения (Сбэ+Ск) (при Rн=0) до значения Свх.ос=Сбэ+(1+К)Ск, т. е. приблизительно в КСк/Cбэ раз.

Таким образом, при выборе транзистора с fт, больше заданной f'в, ограничение последней, например в резисторных усилителях звуковых и видеочастот, может наступить из-за большой емкости Свх.ос, включенной параллельно входному сопротивлению каскада, как это обычно представляется эквивалентной схемой транзистора в области высоких частот. То же ограничение практичес­ки наблюдается и в каскадах усиления с ОИ на ПТ. Для них (по аналогии с ВТ) Cвх.oc=Cзи+(1+К)Сзс и возрастает в КСзс/Сзи раз. В справочниках приведены значения входной емкости С11и=Сзи+Сзс, измеренной между затвором и истоком при коротком замыкании по переменному току на выходе в схеме с ОИ.

В каскаде с ОБ напряжение приложено к эмиттеру и базе, а выходное напряжение снимается с коллектора и базы (рис. 3). Каскад является неинвертирующим.

Работу каскада с ОБ как усилителя легче понять, если представить его как каскад с ОЭ, охваченный 100%-ной параллельной ООС по току. Поскольку здесь нет делителя тока, то весь выходной ток Iк протекает и во входной цепи, т. е. коэффициент передачи тока по цепи ОС βт=1.

Такое представление дает возможность определить параметры каскада с ОБ через параметры каскада с ОЭ с учетом действия ОС.

При любом сопротивлении нагрузки коэффициент усиления по току каскада с ОБ

(3)

Из (3) видно, что при Rн=0 коэффициент Kт.д становится максимальным, но меньшим единицы, а при увеличении Rн до бесконечно большого значения он убывает до нуля. Следовательно, такой каскад не дает усиления тока, а наоборот несколько ослабляет его.

Коэффициент усиления по напряжению Кб каскада с ОБ на единицу больше, чем у каскада с ОЭ (при равных параметрах транзистора и Rн):

Соответственно для каскада с общим затвором на ПТ коэффициент усиления напряжения

Коэффициент усиления по мощности каскада с ОБ

(4)

В схеме с ОБ коэффициент усиления мощности Крб больше, чем в схеме с ОЭ.

Входное сопротивление транзистора

достаточно мало вследствие потребления большого тока от источника сигнала, и практически не зависит от Rн. Оно существенно меньше, чем входное сопротивление транзистора в каскаде с ОЭ: у маломощных транзисторов Rвх.б составляет несколько десятков Ом, а у мощных — меньше 1 Ом.

При включении ПТ по схеме с ОЗ входное сопротивленяе Rвх.з=1/S.

Выходное сопротивление каскада с ОБ несколько больше, чем у каскада с ОЭ:

Выходное сопротивление каскада с ОЭ

Значение верхней границы полосы пропускания f'в каскада с ОБ и каскада с ОЗ наибольшее по сравнению с другими схемами и приближается к fт. С увеличением Rи (при Rвх=const) действие ООС усиливается, что способствует расширению полосы пропускания, верхнюю границу которой можно принять равной fт.

В каскаде с ОК (рис. 4) входное напряжение приложено к базе и коллектоpy, а выходное снимается с эмиттера и коллектора. Этот и аналогичный ему каскад с общим стоком являются неинвертирующими. Его так же как и каскад с ОБ можно представить в виде усилительного каскада с ОЭ, охваченного 100%-ной последовательной ООС по напряжению. Коэффициент усиления по току каскада с ОК Кт.д к=1+Кт.д. Он всегда превышает единицу и максимален при Rн=0. Коэффициент усиления по напряжению

(5)

каскада с общим стоком

(6)

Из формул (5) и (6) следует, что такие каскады не способны усиливать напряжение.

Так как Кк=1, а Кт.д к>>1, то для БТ коэффициент усиления по мощности Крк каскада с ОК может быть больше единицы. Определим его как

Входное сопротивление БТ в каскаде с ОК

(7)

Оно сравнительно велико и заметно превышает Rвх каскада с ОЭ, при условии, что Rн не слишком мало.

Входное сопротивление ПТ в каскаде с общим стоком очень велико, значительно больше, чем для каскада с ОИ.

Выходное сопротивление каскада с ОК

(8)

мало, если Rн не очень велико, и по значению близко к Rвх.б, особенно при Rи<<h11.

Выходное сопротивление Rых.с каскада с общим стоком определяется по следующей формуле: Rвых.c=1/S.

При Rи→ 0 и Rн→ ∞ ОС получается более глубокой. Поэтому полоса пропускания каскада с ОК расширяется, но при этом f'в несколько меньше, чем fт. Так как каскад с ОК — неинвертирующий, то часть его входной емкости Свх.ос, вносимая транзистором, равна Свх.ос=Ск+Сбэ(1—Кк).

Отрицательный знак перед Кк показывает, что ОС через емкость Сбэ положительна, а так как Кк=1, то можно считать, что она уменьшает Свх.ос до Ск.

Поскольку выходное напряжение, снимаемое с эмиттера ВТ или истока ПТ по уровню и фазе очень близко к входному и как бы повторяет его, то такой каскад принято называть эмиттерным или истоковым повторителем.