Каскад с ОК

Каскад с ОК

Биполярные транзисторы.Часть 3.Усилительный каскад.

Здравствуйте, продолжим знакомство с биполярными транзисторами. В предыдущем посте был рассмотрен транзистор в качестве электронного ключа. Но это ещё не все возможности биполярных транзисторов, можно сказать даже ключевой режим работы – это лишь малая доля в схемах, где используются транзисторы. В львиной доле транзисторных схем транзистор используется в качестве усилительного прибора. В данных схемах транзистор используется в так называемой активной области. Транзистор в качестве усилительного прибора, включается в усилительный каскад, который кроме транзистора содержит ещё цепи питания, нагрузку и цепи связи с последующим каскадом.

Схемы включения транзистора

Для биполярных транзисторов возможны три схемы включения, которые обладают способностью усиливать мощность: с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК). Схемы отличаются способом включения источника сигнала и нагрузки (RН).

Схема с общим эмиттером

Схема с общей базой

Схема с общим коллектором.

Для всех схем включения транзистора при отсутствии сигнала, подаваемого от источника (еГ), необходимо установить начальный режим по постоянному току – режим покоя. При этом как и говорилось в предыдущем посте эмиттерный переход должен быть открытым, а коллекторный – закрытым. Для транзисторов p-n-p это достигается подачей отрицательного напряжения на коллектор (коллекторного напряжения E0C) и отрицательного напряжения на базу (напряжения смещения E0B). Для транзисторов n-p-n полярность этих напряжений должна быть противоположной. Режим покоя транзистора опредяляется положением его рабочей точки, которое зависит от тока эмиттера IE (практически равного току коллектора IС и зависящего от E0B) и от напряжения E0C.

Усилительные параметры транзистора

Усилительные свойства транзисторов для малого переменного сигнала оцениваются с помощью различных систем параметров, связывающих входные токи и напряжения, но нормируются только два основных параметра: h21e и fТ (или fh21b). Зная параметр транзистора h21e для заданного режима покоя IE, можно с помощью следующих формул определить основные параметры усилительного каскада в области НЧ:

где S — проводимость транзистора, re — сопротивление эмиттера транзистора.

Таким образом, можно вычислить значения |K| — коэффициент усиления напряжения транзистора, |Ki| — коэффициент усиления тока транзистора, ZВХ — входное сопротивление транзистора:

Параметры усилительного каскада Схема включения
ОЭ ОБ ОК
|K| S*RH S*RH S*RH /( 1 + S*RH)
|Ki| h21e h21e/(1 + h21e) h21e
ZВХ h21e*re re h21e*RH

Области применения усилительных каскадов ОЭ, ОБ и ОК определяются их свойствами.

Каскад с общим эмиттером обеспечивает усиление, как по напряжению, так и по току. Его входное сопротивление порядка сотен Ом, а выходное – десятков кОм. Отличительная особенность – изменяет фазу усиливаемого сигнала на 180°. Обладает лучшими усилительными свойствами по сравнению с ОБ и ОК и поэтому является основным типом каскада для усиления малых сигналов.

Каскад с общей базой обеспечивает усиление только по напряжению (практически такое же, как ОЭ). Входное сопротивление каскада в (1+h21e) раз меньше, чем ОЭ, а выходное – в (1+h21e) раз больше. В отличие от ОЭ каскад ОБ не изменяет фазы усиливаемого сигнала. Малое входное сопротивление каскада ОБ ограничивает его применение в УНЧ: практически он используется только как элемент дифференциального усилителя.

Каскад с общим коллектором обеспечивает усиление только по току (практически такое же, как ОЭ). В отличие от ОЭ каскад ОК не изменяет фазы усиливаемого сигнала. При К = 1 каскад ОК как бы повторяет усиливаемое напряжение по величине и фазе. Поэтому такой каскад называется эмиттерным повторителем. Входное сопротивление ОК зависит от сопротивления нагрузки RH и велико (почти в h21e раз больше RH), а выходное сопротивление зависит от сопротивления источника сигнала RГ и мало (почти в h21e раз меньше RГ). Каскад ОК благодаря большому входному и малому выходному сопротивлению находит применение как в предварительных, так и в мощных УНЧ.

Цепи питания биполярных транзисторов

Для обеспечения заданного режима работы биполярного транзистора требуется установить положение точки покоя, определяемое током покоя IС. С этой целью на электроды транзистора должны быть поданы два напряжения: коллекторное и напряжение смешения базы. Полярность этих напряжений зависит от структуры транзистора. Для транзисторов p-n-p оба этих напряжения должны быть отрицательными, а для n-p-n – положительными, относительно эмиттера транзистора.. Величины коллекторного и базового напряжения должны быть различны; кроме того, различными оказываются и требования к стабильности этих напряжений. Поэтому используются две отдельные цепи питания – коллектора и базы.

Питание коллектора

Цепи питания коллектора содержат элементы, показанные ниже.

В многокаскадных усилителях коллекторные цепи всех каскадов подключаются параллельно к одному общему источнику E0C. В этом случае цепь питания коллектора содержит развязывающий фильтр RфCф. Назначение такого фильтра – устранить паразитную обратную связь через общий источник питания. При питании от сети переменного тока, кроме того, уменьшаются пульсации напряжения питания. Резистор Rф включают последовательно с нагрузкой RН, и на нём теряется часть коллекторного напряжения. Поэтому рекомендуется сопротивление Rф выбирать исходя из допустимого падения напряжения:

Напряжение между коллектором и эмиттером транзистора UCE выбирается в пределах

При этом минимальное значение UC не должно быть менее 0,5 В, иначе рабочая точка переходит в область насыщения и возрастают нелинейные искажения.

Схема цепей питания базы

Цепи питания базы содержат элементы, показанные ниже

Схема с фиксированным током

Схема с фиксированным напряжением

Схема с автоматическим смещением

Заданный режим работы транзистора устанавливается путём подачи на его базу требуемого напряжения смещения UB или создания в цепи базы требуемого тока смещения IB. В обоих случаях между эмиттером и базой устанавливается напряжение UBE,равное (в зависимости от IB) 0,1…0,3 В (для германиевых транзисторов) или 0,5…0,7 В (для кремниевых). Смещение базы может осуществляться от общего с коллектором источника питания E0C или от отдельного источника питания базовых цепей E.

При питании от E0C смещение базы может быть фиксированным (по току или напряжению) или автоматическим. Схемы с фиксированным током и с фиксированным напряжением не обеспечивают стабильности рабочей точки транзистора при изменении температуры.

Расчёт усилительного каскада

Схема с автоматическим смещением, получившая наибольшее распространение, содержит три резистора: Rb1, Rb2 и RE. За счёт отрицательной обратной связи создаваемой RE в цепи эмиттера, достигается требуемая стабилизация рабочей точки. Блокировочный конденсатор CE используется для устранения нежелательной обратной связи по переменному току. Схема эффективна как для германиевых, так и для кремниевых транзисторов. Для определения величин Rb1, Rb2 и RE должны быть известны напряжение источника питания E0C и ток покоя IС. Ориентировочные значения Rb1, Rb2 и RE могут быть определены с помощью приведённых ниже формул.

Входящие в вышеприведённые формулы b, c и UBE зависят от типа транзистора и режима его работы.

Для германиевых транзисторов выбираются: b ≈ 0,2; с – в пределах 3…5; UBE – в пределах 0,1…0,2.

Для кремниевых транзисторов: b ≈ 0,1; с – в пределах 10…25; UBE – в пределах 0,6…0,7.

При увеличении c и уменьшении b стабильность схемы снижается. Большие значения UBE выбирают для больших значений IС.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

КАСКАД С ОБЩИМ КОЛЛЕКТОРОМ

Схема каскада ОК приведена на рис. 3.6. Транзистор Т n-p-n-типа присоединён к источнику постоянного напряжения последовательно с резистором . Резистор в цепи коллектора отсутствует. Стабилизация режима покоя осуществляется с помощью делителя напряжения и резистором . Источник входного переменного напряжения с внутренним сопротивлением включается между базой и общей точкой входной и выходной цепей. Нагрузка присоединяется к эмиттеру и общей точке. Назначение конденсаторов и такое же, как и в каскаде ОЭ.

Рис. 3.6. Схема каскада ОК

При включении на входе каскада источника переменного напряжения в цепи базы появляется переменная составляющая тока , которая обуславливает переменную составляющую тока эмиттера . При переменная составляющая тока эмиттера создаёт на резисторе напряжение , которое является выходным напряжением каскада ОК.

Когда потенциал базы транзистора повышается, ток базы растет, ток эмиттера также увеличивается и потенциал эмиттера повышается за счёт увеличения напряжения на резисторе . Отсюда следует, что напряжение на выходе каскада ОК находится в фазе с напряжением на его входе.

Мгновенные значения тока и напряжения при наличии на выходе каскада нагрузки можно определить графически, как это делалось для каскада ОЭ (см. рис. 3.2). Для этого можно воспользоваться выходными характеристиками транзистора, снятыми в схеме ОЭ, приняв . Связь между переменной составляющей тока базы и переменным напряжением на входе каскада находим по входным характеристикам транзистора (см. рис. 3.2, б), принимая во внимание, что переменное напряжение между базой и эмиттером транзистора, как видно из рис. 3.6, равно разности напряжений на входе и выходе каскада:

На вход каскада ОК можно подавать сигналы с большой амплитудой, поскольку на промежутке база – эмиттер транзистора в соответствии с уравнением (3.13) действует не весь сигнал, а только его часть. Поэтому амплитудная характеристика каскада ОК имеет бóльшую протяженность линейного участка, чем для каскада ОЭ (рис. 3.4, кривая 2).

Поскольку резистор отсутствует, то сопротивление может быть взято больше, чем в схеме ОЭ. Следовательно, за счёт увеличения сопротивления стабильность режима покоя в каскаде ОК выше, чем в каскаде ОЭ. Напряжение на выходе каскада ОК совпадает по фазе с напряжением на его входе и примерно равно ему по значению. Поэтому каскад ОК называют эмиттерным повторителем. Особенностью каскада ОК является большое входное и малое выходное сопротивления. Каскад ОК используется на входе многокаскадного усилителя, если источник сигнала имеет большое внутреннее сопротивление, и на выходе – если нагрузка низкоомная. Аналитический расчёт коэффициентов усиления по току и напряжению, входного и выходного сопротивлений каскада ОК выполняется по эквивалентной схеме, приведенной на рис. 3.7.

Каждый электрик должен знать:  Розетка выпадает из стены – как закрепить ее в бетоне и гипсокартоне

Усилительный каскад с ОЭ

При схеме включения биполярного транзистора с общим эмиттером (ОЭ) входной сигнал подаётся на базу, а выходной сигнал снимается с коллектора. При этом выходной сигнал инвертируется относительно входного. Каскад усиливает и ток, и напряжение. Данное включение транзистора позволяет получить наибольшее усиление по мощности, поэтому наиболее распространено. Однако, при такой схеме нелинейные искажения сигнала больше, чем в схемах с общей базой или с общим коллектором. Кроме того, при данной схеме включения на характеристики усилителя значительное влияние оказывают внешние факторы, такие как напряжение питания или температура окружающей среды. Обычно для компенсации этих факторов применяют отрицательную обратную связь, но она снижает коэффициент усиления.

Усилительный каскад с ОК, ОБ

Усилительный каскад с общей базой (ОБ) — одна из трёх типовых схем построения электронных усилителей на основе биполярного транзистора. Характеризуется отсутствием усиления по току (коэффициент передачи близок к единице, но меньше единицы), высоким коэффициентом усиления по напряжению и умеренным (по сравнению со схемой с общим эмиттером) коэффициентом усиления по мощности. Входной сигнал подаётся на эмиттер, а выходной снимается с коллектора. При этом входное сопротивление очень мало, а выходное — велико. Фазы входного и выходного сигнала совпадают.

В эмиттерном повторителе используется схема включения транзистора с общим коллектором (ОК). То есть напряжение питания подаётся на коллектор, входной сигнал подаётся на базу, а выходной сигнал снимается с эмиттера. В результате чего образуется 100 % отрицательная обратная связь по напряжению, что позволяет значительно уменьшить нелинейные искажения, возникающие при работе. Следует также отметить, что фазы входного и выходного сигнала совпадают. Такая схема включения используется для построения входных усилителей, в случае если выходное сопротивление источника велико, и как буферный усилитель, а также в качестве выходных каскадов усилителей мощности.

Усилительный каскад с ОК

Читайте также:
  1. Выходные каскады операционных усилителей
  2. Двухкаскадные усилители
  3. Каскадирование.
  4. Каскадная модель жизненного цикла ПО ИС.
  5. Краткое описание этапов каскадного проектирования.
  6. Многокаскадные усилители
  7. Особенности работы и методика анализа каскадов предварительного усиления
  8. Проектирование систем водопадов, порогов и каскадов
  9. Работа транзисторного каскада в режиме малого сигнала
  10. Рабочая точка транзисторного каскада

Коллектор транзистора в схеме усилительного каскада с ОК по переменному току соединен с корпусом через Сбл (рисунок 4.25). При этом входное напряжение подключено между базой и коллектором, а выходное – снимается непосредственно с эмиттера транзистора.

Режим работы усилительного каскада с ОК по постоянному току определяется резистором Rэ. Делитель напряжения R1, R2 и разделительные конден­саторы С1, С2 выполняют те же функции, что и в каскаде с ОЭ. При расчете каскада с ОК по постоянному току ис­пользуют графоаналитический метод по аналогии со схемой ОЭ. Линию нагрузки по постоянному току в этом случае проводят также через две точ­ки: 1– Iкх = 0, Uкх = Ек; 2 – Uкз = 0, Iкз = Ек/Rэ.

Выходное напряжение в каскаде с ОК совпадает с входным по фазе. Так, например, при поступлении положительного приращения входного напря­жения ток базы увеличивается, вызывая возрастание токов коллектора и эмиттера. Это приводит к увеличению падения переменного напряжения на сопротивлении нагрузки Rэн, с которого снимается выходное напряжение. При подаче отрицательного приращения падение переменного напряжения на сопротивлении нагрузки уменьшается.

Рисунок 4.25 – Усилительный каскад с ОК

Согласно принципу действия кас­када ОК, амплитуда выходного напряжения меньше амплитуды входного, поскольку они связаны соотношением: Uвых = Uвх – Uбэ. Поэтому коэффициент усиления по напряжению

Дата добавления: 2020-08-05 ; просмотров: 9 ; Нарушение авторских прав

RС-каскад с ОБ

Принципиальная схема каскада с ОБ на n-p-n-транзисторе приведена на рис. 8. Резисторы и образуют делитель напряжения, обеспечивающий положительный потенциал эмиттера, т.е. смещение эмиттерного перехода в прямом направлении, поскольку потенциал базы по переменному току равен нулю. Конденсатор С3 служит для устранения отрицательной обратной связи по переменному току.

Входное сопротивление каскада с ОБ много меньше входного сопротивления каскада с ОЭ (практически оно не превышает нескольких десятков Ом). Коэффициент усиления по току всегда меньше единицы. Коэффициент усиления по напряжению существенно зависит от сопротивления нагрузки и сопротивления источника сигнала . Для получения большого значения необходимо, чтобы стремилось к нулю, а было большим.

Отметим, что в каскаде с ОБ не требуются специальные меры по стабилизации рабочей точки.

Усилительные каскады с ОБ, как правило, используют на повышенных частотах и для усиления широкополосных импульсных сигналов.

Нелинейные искажения в каскаде с ОБ меньше, чем в каскаде с ОЭ.

Отметим, что каскад с ОБ не инвертирует входной сигнал.

усилитель импульсный сигнал транзистор

RC-каскад с ОК (эмиттерный повторитель)

Принципиальная схема RC-каскада с ОК приведена на рис 9. Такой каскад называют также эмиттерным повторителем, поскольку выходное напряжение по величине мало отличается от входного. Цепи смещения здесь те же, что и в предыдущих каскадах.

Коэффициент усиления эмиттерного повторителя по напряжению меньше единицы. За счет большого усиления по току происходит усиление мощности.

Входное сопротивление эмиттерного повторителя значительно больше входного сопротивления каскада с ОЭ. Величина входного сопротивления ограничивается делителем в цепи базы. Чтобы исключить шунтирование входной цепью часто используют цепи смещения без делителя в базе. Обычно входное сопротивление эмиттерного повторителя достигает 100…200кОм.

Выходное сопротивление эмиттерного повторителя меньше выходных каскадов с ОБ и ОЭ.

Передача на выход входного сигнала при большом входном и малом выходном сопротивлениях обусловила широкое применение повторителей в электронике. Прежде всего, повторители служат в качестве элементов согласования большого выходного сопротивления первичных преобразователей (датчиков) с малым входным сопротивлением предварительного усилителя. Датчик при этом нагружен на большое входное сопротивление повторителя, а напряжение датчика воспроизводится на низкоомном выходе повторителя.

Эмиттерный повторитель, обладая высоким входным и низким выходным сопротивлениями, широко используется в промежуточных усилительных каскадах для повышения коэффициента усиления каскада с ОЭ, работающего от источника входного сигнала с большим внутренним сопротивлением. Отметим, что каскад с ОК не инвертирует входной сигнал, т.е. действительно является повторителем.

Качественное сравнение параметров рассмотренных трех каскадов (с ОЭ, ОБ и ОК) приведено в таблице 1.

Таблица 1 Параметры усилительных каскадов в области средних частот

Схемотехника: Типовые схемы включения Биполярных транзисторов (ОЭ, ОБ, ОК)

Я новичок в схемотехнике, сейчас вдумчиво изучаю цикл статей «Основы на пальцах». И мне также хочется разобраться с особенностями разных каскадов включения биполярных транзисторов (ОЭ, ОБ, ОК). Поэтому, для прояснения, решил промоделировать их в Proteus: «Bipolar transistor cascades modelling (Proteus 7.7).zip»

Тут 4 листа, на каждом рассмотрено по одной модели, снабжены графиками…
Прошу прощения, что надписи на листах на английском. Когда редактировал, то где-то вылезли кракозяблы — и мне показалось, что мой Proteus не принимает русскую кодовую страницу.

Уважаемые Знатоки, прошу обратить внимание на эти модели, проверить их на правильность, и возможно приложить к основному курсу / посту «Основы на пальцах. Часть 3» (в качестве «наглядных примеров»).

(Примечание: картинки кликабельны и ведут на полноразмерное изображение. )

Читая статьи, встретил чей-то вопрос в комментариях:
>>> Пытаюсь разобраться со схемами включения биполярного транзистора: Существует 3 схемы включения транзистора — ОК, ОЭ, ОБ… Представим, что транзистор не соединен ни одним из своих выводов с землей… Вопрос: Каким образом при таком включении понять по какой схеме включен транзистор?

Отличный вопрос! Меня это тоже волнует и интересует. Ведь чтобы понять суть метода, границы и условия его применения — нужно выйти за рамки этого правила, и осознать его место и положение в общем Знании… Поэтому четвёртой моделью в Proteus я рассмотрел некий гибридный каскад: смесь ОК и ОЭ (т.е. подключил нагрузку и в цепь коллектора, и к эмиттору).

Примечание: Такой каскад иногда используется в усилителях для получения одинаковых противофазных сигналов (для раскачки выходного каскада, например). В этом варианте нагрузочные резисторы в коллекторе и эмиттере одинаковы.

Что у меня из этого вышло? Если вкратце, то в плане задачи «усиления мощности» — неудача, и это очень поучительно рассмотреть. Далее, мои размышления поподробнее (поправляйте/дополняйте меня, если что).

Полученная схема вобрала недостатки обоих исходных усилительных каскадов (с ОК и ОЭ), но при этом не демонстрировала их достоинств! Получившийся каскад также давал значительное усиление по току (усиливал мощность в 100 раз, равное «коэффициенту усиления по току» транзистора), но получившаяся мощность распределялась между потребителями в выходной цепи (Нагрузка1-ТранзисторКЭ-Нагрузка2), пропорционально их сопротивлению (поскольку они соединены последовательно). С одной стороны, это немного похоже на обычный каскад (ОК или ОЭ), к выходу которого последовательных подключено несколько потребителей… Но это не совсем так: тут ключевой момент в том, что сам транзистор также входит в эту цепочку!

Минус 1: Транзистор всегда работает в линейном режиме и никогда не переходит в насышение — наследие схемы с ОК: очень сильна отрицательная обратная связь. А ток то течёт одинаковый через всех — и на транзисторе высаживается очень большая мощность (сравнимая с потреблением самой нагрузки), которая расходуется только на паразитный перегрев. Таким образом, большой ток в выходной цепи через эту схему не прогонишь — тогда спрашивается зачем было пихать дополнительную нагрузку в цепь коллектора? А обычно в коллекторную цепь ставят СИЛОВУЮ нагрузку, которой надо как можно большая мощность (т.е. ей повышение и напряжения, и тока — одинаково выгодны). А тут ВЫХОДНАЯ МОЩНОСТЬ НА НАГРУЗКЕ СИЛЬНО ОГРАНИЧЕНА.

Минус 2: «Эмитторный повторитель» (схема с ОК) хорош именно тем, что даёт на выходе напряжение практически равное тому что на входе усилительного каскада (т.е. усиливается только ток, причём значительно, в сотни раз) — этот каскад для специфических целевых применений.
Как например, для согласования низкоомного входа (мощного входа, которому требуется много тока для раскачки) +5

  • 19 января 2020, 07:59
  • Celeron
  • 2
  • Схемы включения транзисторов (ОБ, ОК, ОЭ)

    3.1. Схемы включения транзисторов (ОБ, ОК, ОЭ)

    Применяют три основные схемы включения транзисторов в усилительные или иные каскады. В этих схемах один из электродов транзистора является общей точкой входа и выхода каскада. Во избежание ошибок при этом надо помнить, что под входом (выходом) понимают точки, между которыми действует входное (выходное) переменное напряжение. Не следует рассматривать вход и выход по постоянному напряжению.

    Основные схемы включения транзисторов называются соответственно схемами с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК). Принцип усиления колебаний во всех этих каскадах одинаков, но свойства схем различны.

    3.2. Схема с общим эмиттером (ОЭ)

    Эта схема изображена на рис. 5.7 и является наиболее распространенной, т.к. она дает наибольшее усиление по мощности.

    Коэффициент усиления по току ki – это отношение амплитуд (или действующих значений) выходного и входного переменного тока, т. е. переменных составляющих токов коллектора и базы:

    Усилительные свойства транзистора при включении его по схеме ОЭ характеризует один из главных его параметров – статический коэффициент усиления по току (или коэффициент передачи тока) для схемы ОЭ, обозначаемый b. Поскольку он должен характеризовать только сам транзистор, то его определяют в режиме без нагрузки (Rн=0), т. е. при постоянном напряжении участка коллектор-эмиттер:

    Коэффициент усиления каскада по напряжению равен отношению амплитудных или действующих значений выходного и входного переменного напряжения. Входным является переменное напряжение база — эмиттер Uб-э, а выходным — переменное напряжение на резисторе нагрузки UR, что соответствует напряжению между коллектором и эмиттером Uк-э:

    Коэффициент усиления каскада по мощности kp представляет собой отношение выходной мощности к входной. Каждая из этих мощностей определяется половиной произведения амплитуд соответствующих токов и напряжений:

    Важной величиной для транзистора является его входное сопротивление, которое определяется по закону Ома. Для схемы ОЭ

    Каскад по схеме ОЭ при усилении переворачивает фазу напряжения, т. е. между выходным и входным напряжением имеется фазовый сдвиг 180°.

    Достоинство схемы ОЭ – удобство питания ее от одного источника, поскольку на коллектор и базу подаются питающие напряжения одного знака.

    Недостатки данной схемы – худшие по сравнению со схемой ОБ частотные и температурные свойства. С повышением частоты усиление в схеме ОЭ снижается в значительно большей степени, нежели в схеме ОБ. Режим работы схемы ОЭ сильно зависит от температуры.

    Схема с общей базой (ОБ)

    Схема с ОБ показана на рис. 5.10. Эта схема дает значительно меньшее усиление no мощности и имеет еще меньшее входное сопротивление, чем схема ОЭ, все же ее иногда применяют, так как по своим частотным и температурным свойствам она значительно лучше схемы ОЭ.

    Коэффициент усиления по току каскада ОБ всегда несколько меньше единицы:

    .к. ток коллектора всегда лишь немного меньше тока эмиттера.

    Статический коэффициент усиления по току (коэффициент передачи тока), для схемы ОБ обозначается a. Он определяется для режима без нагрузки (Rн=0), т. е. при постоянном напряжении коллектор-база:

    Чем ближе a к 1, тем лучше транзистор. Коэффициент усиления по току ki, для каскада ОБ всегда немного меньше а, т.к. при включении Rн ток коллектора уменьшается.

    Коэффициент усиления по напряжению определяется формулой:

    Коэффициент усиления по мощности kp=ki · ku. Поскольку , то .

    Входное сопротивление для схемы ОБ:

    Входное сопротивление получается в десятки раз меньшим, чем в схеме ОЭ, поскольку напряжение Umб-э равно напряжению Umэ-б, а ток Imэ в десятки раз больше тока Imб.

    Для схемы ОБ фазовый сдвиг между выходным и входным напряжением отсутствует, т. е. фаза напряжения при усилении не переворачивается.

    Достоинство данной схемы включения в том, что каскад по схеме ОБ вносит при усилении меньшие искажения, чем каскад по схеме ОЭ.

    3.3. Схема с общим коллектором (ОК)

    Схема с ОК показана на рис. 5.11. Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь.

    Входное напряжение равно сумме переменного напряжения база-эмиттер uб-э и выходного напряжения:

    Коэффициент усиления по току каскада ОК определяется по формуле:

    и имеет почти такое значение, как и в схеме ОЭ.

    Отношение – есть коэффициент усиления по току для схемы ОЭ.

    Коэффициент усиления по напряжению близок к единице, причем всегда меньше ее:

    Коэффициент усиления по мощности .

    Фазового сдвига между uвых и uв нет, поскольку выходное напряжение совпадает по фазе с входным и почти равно ему. Данная схема включения транзистора называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным потому, что резистор нагрузки включен в провод эмиттера и выходное напряжение снимается с эмиттера (относительно корпуса).

    Входное сопротивление каскада по схеме ОК определяется по формуле

    Важным достоинством данной схемы включения является высокое входное сопротивление.

    Diplom Consult.ru

    В усилительном каскаде с ОК (рис. 6.26) входной сигнал поступает на базу транзистора по отношению к общей точке, с которым через малое сопротивление источника питания Eкпо переменному току соединен коллектор. Выходной сигнал снимается с эмиттера и через разделительный конденсаторCр2подается в нагрузку. В схеме действует 100 %-я ООС по напряжению.

    Рис. 6.26. Усилительный каскад с ОК

    ранзистор каскада работает в активном режиме. СопротивленияR1,R2иRэзадают режим покоя каскада. Кроме того, резисторRэявляется сопротивлением нагрузки транзистора по постоянному току. Сопротивление нагрузки каскада по переменному току определяется из соотношения:

    В отличие от схемы с ОЭ входное и выходное напряжения каскада с ОК совпадают по фазе, при подаче входного сигнала базовый ток увеличивается, вызывая возрастание эмиттерного тока. Это приводит к увеличению падения напряжения на сопротивлении Rэи, следовательно, на сопротивлении нагрузкиRн.

    Из схемы (см. рис. 6.26) видно, что

    много больше сопротивления эмиттерного перехода (Uвых>>Uбэ). ПоэтомуKu=Uвых/Uвхблизок к единице, однако меньше ее. Таким образом, в схеме с ОК выходной сигнал повторяет входной по уровню напряжения и по фазе. Поэтому схема с ОК называется «эмиттерный повторитель». Эта схема не обеспечивает усиления по напряжению, но имеет достаточно высокий коэффициент усиления по току и, следовательно, по мощности.

    Рис. 6.27. Схема замещения каскада с ОК

    помощью схемы замещения каскада с ОК (рис. 6.27) довольно просто получить основные параметры усилителя:

    Входное сопротивление достаточно велико (десятки килоом), что является одним из важнейших преимуществ каскада ОК. Выходное сопротивление ЭП небольшое и составляет десятки ом

    Таким образом, основными особенностями эмиттерного повторителя являются следующие:

    коэффициент усиления по напряжению меньше единицы;

    усиление по току и мощности больше единицы;

    малые частотные искажения;

    входное сопротивление каскада значительно больше, чем у каскада с ОЭ;

    выходное сопротивление значительно меньше, чем у каскада с ОЭ и практически не зависит от сопротивления резистора выходной цепи каскада в достаточно широком диапазоне его изменения;

    большой динамический диапазон входных сигналов при низком уровне нелинейных искажений, это объясняется тем, что потенциал эмиттера практически повторяет потенциал базы (Uбэ → 0), который может изменяться от 0 до напряжений близких к Eк.

    Эмиттерный повторитель широко используется в качестве:

    входного каскада при работе от источника входного сигнала с высоким внутренним сопротивлением;

    промежуточного каскада для согласования высокого выходного сопротивления с малым входным сопротивлением последнего каскада;

    выходного каскада при работе на низкоомную нагрузку.

    6.5.5. Усилительный каскад на полевом транзисторе

    Усилительный каскад на полевом транзисторе (ПТ) имеет такую же структуру, как и усилительный каскад на биполярном транзисторе (БТ). Отличительными особенностями ПТ являются:

    чрезвычайно малые токи во входной цепи, а следовательно, и малая мощность, необходимая для управления прибором;

    линейная зависимость крутизны от управляющего напряжения, возможность работы в качестве сопротивления, управляемого напряжением;

    наличие термостабильной точки у транзисторов с обратносмещенным переходом затвор-исток;

    повышенная радиационная стойкость;

    малый уровень шумов;

    простота технологии при их производстве.

    По аналогии с БТ в зависимости от того, какой электрод подключается к общей шине различают три схемы включения ПТ:

    с общим истоком (ОИ);

    с общим стоком (ОС);

    с общим затвором (ОЗ).

    Схема с ОЗ обладает низким входным сопротивлением и потому имеет ограниченное практическое применение. Основным и наиболее распространенным является каскад с ОИ.

    Схема с ОИ (рис. 6.28) соответствует схеме с ОЭ для биполярного транзистора, но поскольку входная цепь полевых транзисторов не потребляет тока от источника сигнала входное сопротивление усилителя чрезвычайно велико. В этой схеме емкости Cр1,Cр2– играют роль разделительных элементов. СопротивлениеRсявляется нагрузкой ПТ по постоянному току (аналогично сопротивлениюRкв схеме с ОЭ).

    В усилителе применено автоматическое смещение. Цепочка RиCив цепи истока служит для получения напряжения автоматического смещения и выбора рабочей точки на стоко-затворной характеристике ПТ.

    Падение напряжения на Rиот тока покоя транзистора (Iсп) создает смещение потенциала истока относительно общей точки на величину

    а потенциал затвора равен нулю, так как падение напряжения от тока затвора на сопротивлении Rзпренебрежимо мало (Iз→ 0). В итоге напряжение между затвором и истоком в режиме покоя будет равно:

    Резистор Rи, кроме функции автоматического смещения на затвор, выполняет также функцию термостабилизации режима покоя. Чтобы исключить ООС по переменному току резисторR­ишунтируется конденсаторомCи. Для максимальной термостабилизации каскада токIcпжелательно выбирать в термостабильной точке.

    Рис. 6.28. Принципиальная схема усилителя на полевом транзисторе.

    езисторR1, на первый взгляд, является лишним, так как делительR1RЗсоздает смещение на переходе с полярностью, противоположной необходимой. Нужное смещение можно задать лишь с помощьюRЗ. Однако при замене транзистора вследствие очень большого разброса параметров транзисторов выбранная исходная рабочая точка не сохраняется.

    Рис. 6.29. Графическое представление работы каскада

    на полевом транзисторе

    ля стабилизации режима сопротивление в цепи истока (Rи) увеличивают до значения, большего чем необходимо для создания нужного смещения, а излишнее смещение компенсируют с помощью делителяR1,RЗ.

    Линия нагрузки графически соответствует уравнению выходной цепи каскада:

    Линия нагрузки по переменному току определяется сопротивлением:

    Но если Rн>>Rс(а это выполняется, когда нагрузкой на ПТ является каскад с ОЭ), в этом случаеRвых птявляется внутренним сопротивлением источника сигнала, а от его значения зависит коэффициент усиления каскада с ОЭ:

    Обычно задают Rc

    Рис. 6.30. Схема замещения каскада с общим истоком

    Усилительный каскад с общим коллектором

    (эмиттерный повторитель)

    Схема усилительного каскада с ОК приведена на рис.12.3 ,а. Для схем с ОК коллектор через очень малое внутреннее сопротивление источника питания по переменному сигналу (емкость источника питания велика) соединен с землей, при этом вывод коллектора является общим для входной и выходной цепей усилителя. Резистор нагрузки включен в эмиттерную цепь..

    При этом из схемы каскада с ОК можно увидеть, что

    Рис.12.3. Принципиальная и эквивалентная схема усилителя на БТ с ОК

    Поскольку для переменного тока сопротивление прямосмещенного перехода очень мало ( единицы Ом), то выходное напряжение приблизительно равно входному. В связи с этим каскад с ОК называют эмиттерным повторителем. Поскольку Rэ не зашунтирован конденсатором (как в схеме с ОЭ), в усилителе с ОБ действует глубокая отрицательная ОС по постоянному току. Температурная стабилизация в каскаде ОК обеспечивается резистором Rэ.

    Начальный ток смещения в режиме покоя, т.е. при задают с помощью R1, R2 и Rэ таким, чтобы рабочая точка в режиме покоя находилась примерно посередине линейного участка входной характеристики. Разделительные конденсаторы и выполняют те же функции, что и в каскаде с ОЭ.

    Расчет каскада по постоянному току проводят по аналогии с каскадом с ОЭ. Исходя из эквивалентной схемы, представленной на рис. 3.10,б. можно отметить следующие характеристики усилителя с ОК

    1. Коэффициент усиления по напряжению каскада с ОК

    относительно входного генератора равен

    . (12.17)

    2) Коэффициент усиления по току равен , (12.18)

    где ; (12.19)

    Следовательно KI равен

    . (12.20)

    Анализ выражения показывает, что каскад с ОК имеет коэффициент усиления по току больше, чем каскады с ОЭ и ОБ.

    3) Входное сопротивление каскада ОК определяется параллельным соединением резисторов R1, R2 и сопротивлением входной цепи транзистора rвх

    . (12.21)

    Входное сопротивление цепи транзистора равно

    . (12.22)

    Очевидно ,что сопротивление входной цепи транзистора rвх и входное сопротивление всего каскада с ОК больше чем в схеме с ОЭ и достигает 200…300 кОм.

    Высокое входное сопротивление является одним из главных преимуществ каскада с ОК. Это требуется в случае применения каскада в качестве согласующего устройства при работе от источника входного сигнала с большим внутренним сопротивлением.

    4) Выходное сопротивление каскада с ОК представляет собой сопротивление схемы со стороны эмиттера и определяется

    . (12.23)

    Выходное сопротивление каскада с ОК мало порядка десятков Ом (10…50 Ом) и сильно зависит от внутреннего сопротивления источника сигнала. Малое выходное сопротивление очень важно при использовании каскада в качестве согласующего устройства для работы на низкоомную нагрузку.

    В целом усилитель с ОК характеризуется: высоким входным сопротивлением (порядка сотен килоом), зависящим от сопротивления нагрузки; низким выходным сопротивлением (порядка единиц Ом), зависящим от внутреннего сопротивления источника сигнала; высоким коэффициентом усиления по току; коэффициентом усиления по напряжению, меньшим единицы; совпадением по фазе входного и выходного напряжений.

    Усилительные каскады с ОК и ОБ

    В усилительном каскаде по схеме с ОК коллектор транзистора по переменному току заземлен (соединен с корпусом) через источник питания +ЕК (заметим, что в схеме с ОЭ между коллектором и источником питания включен резистор RК). Полагается, что внутреннее сопротивление источника стремится к нулю.При этом входное напряжение подключено между базой и коллектором, а выходное напряжение непосредственно снимается с эмиттера транзистора (рис.2.6).

    Режим работы усилительного каскада по схеме с ОК по постоянному току определяется резистором RЭ и базовым делителем R1, R2,разделительные конденсаторы С1, С2 выполняют те же функции, что и в каскаде с ОЭ. Собственно нагрузкой каскада является сопротивление RЭ.

    Амплитуда выходного напряжения меньше амплитуды входного, поскольку они связаны соотношением:

    Поэтому коэффициент усиления по напряжению меньше 1.

    Как правило, uВХ >> uБЭ, следовательно, коэффициент усиления каскада примерно равен 1, и выходное напряжение практически равно входному напряжению.

    Выходное напряжение в каскаде с ОК совпадает с входным по фазе. Так, например, при поступлении положительного приращения входного напряжения ток базы увеличивается, вызывая увеличение токов эмиттера и коллектора. Это приводит к увеличению падения переменного напряжения на сопротивлениях RЭ и RН,с которых снимается выходное напряжение.

    Таким образом, выходной сигнал повторяет входной и по амплитуде, и по фазе, поэтому усилительный каскад с ОК называют эмиттерным повторителем.

    Эмиттерный повторитель имеет достаточно высокое входное сопротивление (до 500 кОм) и сравнительно малое выходное сопротивление (десятки Ом). Это позволяет использовать его в качестве усилителя мощности для согласования высокоомного (маломощного) генератора с низкоомной нагрузкой.

    В усилительном каскаде с ОБ (рис. 2. 7) входной усиливаемый сигнал подключен между эмиттером и базой, причем база по переменному току соединена с корпусом через конденсатор СБ . Назначение резисторов делителя, коллекторного резистора и конденсаторов такое же, как и в схеме с ОЭ.

    Выходное напряжение в каскаде с ОБ совпадает с входным напряжением по фазе (усилитель не является инвертирующим). Так, например, при поступлении отрицательного приращения входного напряжения (открывающее напряжение) ток коллектора увеличивается, что приводит к увеличению падения напряжения на резисторе RК. В результате коллекторное (выходное) напряжение сигнала будет уменьшаться. При воздействии положительной полуволны картина меняется на обратную. Транзисторный каскад с ОБ имеет примерно такой же коэффициент усиления по напряжению, как и каскад ОЭ, но коэффициент усиления по току меньше единицы, так как входным является эмиттерный, а выходным – коллекторный ток. Следовательно, каскады с ОЭ и с ОБ имеют различные коэффициенты усиления по мощности.

    Каскад с ОБ широко применяется в усилителях и генераторах дециметровых и сантиметровых волн. Связано это с тем, что при включении транзистора по схеме с ОБ его предельная частота усиления в раз больше, чем в схеме с ОЭ. Кроме того, каскад с ОБ имеет очень малое входное сопротивление и значительно большее выходное сопротивление.

    2.4. Усилительные каскады на полевых транзисторах

    В отличие от биполярных транзисторов полевые транзисторы имеют очень высокое входное сопротивление (до десятков МОм). Поэтому и усилительные каскады на полевых транзисторах обладают значительно большим входным сопротивлением.

    Типовая схема усилительного каскада с общим истоком (ОИ) на МДП транзисторе представлена на рис. 2. 8.

    Делитель напряжения R1, R2и разделительные конденсаторы С1, С2 выполняют те же функции, что и в каскаде усилителя с ОЭ. Резистор RИвыполняет функцию термостабилизации режима работы полевого транзистора по постоянному току. Для исключения ООС по переменному току резистор шунтируют конденсатором СИ.

    Входное сопротивление каскада с ОИ определяется в основном делителем в цепи затвора: .

    Выходное сопротивление каскада с ОИ приблизительно равно стоковому сопротивлению: .

    Нагрузкой по переменному току в усилительном каскаде с ОИ является сопротивление

    Расчет усилительного каскада с ОИ на полевом транзисторе, анализ принципа его работы, оценка основных характеристик проводится графоаналитическим методом (аналогично каскадам на БПТ).

    Усилительный каскад с ОИ на полевом транзисторе, как и каскад с ОЭ на биполярном транзисторе, изменяет фазу входного сигнала на 180 0 .

    Усилительный каскад с ОС (с общим стоком) на полевом транзисторе представлена на рис.2.9. В литературе такая схема получила название истокового повторителя.

    Резисторы делителя напряжения R1, R2и сопротивление нагрузки RНзадают режим покоя каскада Конденсаторы С1, СН -разделительные. Нагрузкой усилителя по постоянному току является резистор RИ , а по переменному току сопротивление параллельно включенных резисторов RНи RИ :

    Как и в схеме с ОК, выходное напряжение в истоковом повторителе совпадает по фазе с входным и практически равно ему. Коэффициент усиления по напряжению близок к единице.

    Входное сопротивление стокового повторителя очень высокое и составляет сотни МОм. Это связано, с одной стороны, с малой величиной входной емкости МДП – транзистора, при этом указанная емкость практически не шунтирует входную цепь каскада, с другой стороны, между затвором и истоком приложена разность потенциалов , которая относительно невелика, вследствие чего входной ток МДП – транзистора оказывается очень малым и мощность, отбираемая от источника входного сигнала, невелика.

    Рассмотренные выше схемы усилителей на транзисторах работают в линейном режиме и являются предварительными усилителями.

    Каждый электрик должен знать:  Как сделать так, чтобы бытовые светильники работали долго и надежно
    Добавить комментарий