Усилительный каскад с общим эмиттером и термостабилизацией положения рабочей точки

Усилительный каскад на БТ, включенном по схеме с общим эмиттером и термостабилизацией положения рабочей точки (рис.19) позволяет устранить искажения формы выходного сигнала, вследствие смещения положения рабочей точки в режиме покоя, вызванной температурным дрейфом ВАХ транзистора. В отличие от ранее рассмотренной схемы, в данную схему (рис.19) введены резистора , и , а так же конденсатор .

+E_п

R_к

R₁

C_вых

R_г

C_вх

U_н

VT

R₂

R_э

R_н

U_вх

~

Е_г

C_э

Рис. 19. Усилительный каскад с эмиттерной термостабилизацией

Рассмотрим работу каскада на постоянном токе. Для постоянного тока сопротивление всех конденсаторов стремится к бесконечности и, следовательно, схема на рис.19 вырождается в схему, представленную на рис.20.

+E_п

R_к

R₁

VT

I_к

I_д

U_бэ.п

I_э

R_э

R₂

Рис.20.

Напряжение определяется выражением:

, (2.5)

Делитель, образованный резисторами и , проектируют таким образом, чтобы ток делителя , где – ток базы в режиме покоя, а напряжение , где – ЭДС питания. В этом случае при изменении тока базы в процессе усиления сигнала на некоторую величину, например 20% от , ток через резистор будет изменяться незначительно (на 2%÷4%) и колебания напряжения будут пренебрежимо малы, т.е. . Тогда

, (2.6)

где , а .

Пусть температура транзистора стала изменяться, например, увеличиваться. При этом ВАХ транзистора стали смещаться вверх относительно оси абсцисс. Соответственно рабочая точка стала смещаться вверх по линии нагрузки по постоянному току и ток коллектора покоя стал возрастать. При этом стал возрастать и ток эмиттера, поскольку он равен сумме коллекторного и базового токов транзистора.

Из-за наличия резистора увеличение эмиттерного тока (ток базы + ток коллектора) приводит к увеличению падения напряжения на резисторе . Это, согласно (2.5) вызывает снижение потенциала базы по отношению к потенциалу эмиттера, а, следовательно, уменьшение тока базы покоя .

Таким образом, при увеличении температуры начавшееся незначительное увеличение тока коллектора покоя приводит к увеличению напряжения и уменьшению напряжения , что приводит к снижению тока базы в режиме покоя и предотвращает дальнейший рост тока коллектора покоя.

Значит, вследствие уменьшения рабочая точка в режиме покоя переходит на линию выходную ВАХ транзистора с меньшим током базы. Однако, сама эта характеристика (с меньшим значением тока базы покоя при возросшей температуре находится несколько выше ВАХ, на которой находилась точка в режиме покоя при первоначальной температуре и токе базы покоя , т.е. несколько увеличился, что и позволило начаться процессу стабилизации положения рабочей точки.

Конденсатор служит для исключения процесса стабилизации положения рабочей точки в режиме усиления сигнала, т.к. в режиме усиления сигнала рабочая точка и должна значительно перемещаться вдоль линии нагрузки по переменному току. При усилении переменного сигнала появляется переменная составляющая тока коллектора и, соответственно, переменная составляющая тока эмиттера. Емкость конденсатора выбирают таким образом, чтобы на самой низкой частоте усиливаемого сигнала модуль его реактивного сопротивления было много меньше сопротивления . В этом случае переменная составляющая тока проходит через конденсатор , и напряжение остается неизменным и равным . Поэтому рассмотренный выше «механизм» отрицательной обратной связи, стабилизирующий положение рабочей точки в режиме покоя, не включается и усилительные свойства каскада сохраняются.

Из усилительных каскадов, выполненных на биполярных транзисторах, усилительный каскад с общим эмиттером (каскад ОЭ) применяется для усиления напряжения, усилительный каскад с общим коллектором (каскад ОК) — для усиления тока, а усилительный каскад с общей базой (каскад ОБ) имеет коэффициент усиления по току меньше единицы, следовательно, и коэффициент усиления по мощности значительно меньше, чем в каскадах с ОЭ, а также малое входное и сравнительно большое выходное сопротивления, поэтому применяется редко.

2.3 Усилительный каскад с общим истоком. Принцип действия упрощенной схемы. Временные диаграммы и ВАХ. Усилительный каскад с автоматическим смещением.

Схема усилительного каскада с общим истоком и источником смещения в цепи истока приведена на рис. 21.

+E_п

R_с

U_з

C_вых

C_вх

VT

U_u

+

R_г

R_н

R_з

U_вх

U_н

Е_см

-

~

Е_г

Рис.21. Усилительный каскад с источником смещения в цепи истока

Резистор необходим в схеме для обеспечения нулевого напряжения на затворе в режиме покоя. В режиме покоя входной ток равен нулю, ток затвора покоя близок к нулю, поскольку это ток через обратно смещенный p-n переход. Следовательно, ток через резистор и падение напряжения на нем так же близки к нулю, вследствие чего напряжение .

В режиме покоя положение рабочей точки так же выбирается в средней части линии нагрузки по постоянному току. Этой точке соответствуют ток стока покоя и напряжение затвор-исток покоя , которое можно определить как:

, (2.7)

и учитывая, что в режиме покоя , получим:

, (2.8)

где – ЭДС смещения, которая обеспечивает желаемое положение рабочей точки в режиме покоя.

В процессе усиления сигнала возникает ток в контуре: , , , общий провод. При усилении входного сигнала напряжение между затвором и истоком транзистора определяется:

. (2.9)

При допущении, что падение напряжения на и переменная составляющая напряжения на пренебрежимо малы, то напряжение на затворе транзистора . Таким образом напряжение на затворе транзистора соответствует переменной составляющей напряжения генератора сигнала, а напряжение между затвором и истоком транзистора:

. (2.10)

Анализ работы усилительного каскада на полевом транзисторе с общим истоком проводится графически с помощью вольт - амперных (стоковых) характеристик .

α

γ

Рис.22. Временные диаграммы, поясняющие работу схемы

Уравнение электрического состояния для цепи стока и истока в режиме покоя имеет вид:

(2.11)

В соответствии с этим уравнением можно построить линию нагрузки по постоянному току. Ее проводят по двум точкам: при = 0 (холостой ход) на оси абсцисс и = при =0 (короткое замыкание) на оси ординат. Графическим решением уравнения для выходной цепи каскада являются точки пересечения линии нагрузки со стоковыми характеристиками. Определяя по этим точкам для различных между затвором и стоком, можно построить динамическую переходную характеристику . Рабочая точка (П) в режиме покоя соответствует середине линейного участка динамической переходной характеристики, так как при этом нелинейные искажения усиливаемого напряжения минимальны.

Схема усилительного каскада с общим истоком и автоматическим смещением рабочей точки приведена на рис. 23.

В этой схеме вместо источника ЭДС , обеспечивающего смещение напряжения на истоке транзистора (рис.21) и задание желаемого положения рабочей точки транзистора в режиме покоя, введены резистор и конденсатор . В совокупности эти два элемента как бы заменяют источник ЭДС .

Если сопротивление резистора выбрать в соответствии с формулой:

, или ,

то в режиме покоя напряжение будет равно ЭДС смещения, т.е. резистор как бы заменит источник .

Входное напряжение подается на резистор через разделительный конденсатор . При подаче переменного входного напряжения в канале полевого транзистора появляются переменные составляющие тока истока и тока стока , причем , что позволяет говорить о внутренней отрицательной обратной связи по току. Из-за падения напряжения на резисторе от переменной составляющей , переменная составляющая напряжения между затвором и истоком, усиливаемая полевым транзистором, может быть значительно меньше входного напряжения:

.

Поэтому коэффициент усиления каскада будет уменьшаться. Что бы избежать этого, т.е. ослабить влияние отрицательной обратной связи, параллельно резистору включают (рис.23), причем емкость конденсатора выбирают так, что бы в диапазоне частот работы усилителя реактивное сопротивление конденсатора .

При этом условии падением напряжения от переменной составляющей тока истока на параллельно включенных и , называемых звеном автоматического смещения, можно пренебречь.

+E_п

C_вых

R_c

C_вх

I_вх

VT

I_.u.п

R_г

U_н

R₃

R_u

R_н

U_вх

Е_г

~

C_u

Рис.23. Усилительный каскад с общим истоком и автоматическим смещением

Резистор в цепи затвора , как и в схеме, приведенной на рис. 21, обеспечивает в режиме покоя равенство потенциалов затвора и общей точки усилительного каскада. Следовательно, потенциал затвора ниже потенциала истока на величину падения напряжения на резисторе от постоянной составляющей тока , т.е. потенциал затвора является отрицательным относительно потенциала истока.

Выходное напряжение снимается через конденсатор связи между стоком и общей точкой каскада, т.е. оно равно переменной составляющей напряжения между стоком и истоком.

Выбрав положение рабочей точки, находят сопротивление резистора звена автоматического смещения:

Емкость конденсатора звена автоматического смещения рассчитывают по формуле:

При подаче на вход усилительного каскада переменного напряжения появляется переменная составляющая тока стока . Изменение этого тока приводит к изменению напряжения между стоком и истоком; его переменная составляющая , численно равная и противоположная по фазе падению напряжения на резисторе R_c, является выходным напряжением усилительного каскада:

Выходное напряжение противофазно входному, причем оно значительно больше входного напряжения, так как напряжение в цепи стока значительно больше, чем в цепи затвора.

Коэффициент усиления и другие параметры усилительного каскада могут быть найдены с помощью схемы замещения для переменных составляющих тока и напряжения.

Дата добавления: 2015-08-17