Лекции по „Основи електроніки та електротехніки”

Проаналізуємо роботу підсилювального  каскаду в області середніх частот. Для цього скористаємося еквівалентною схемою каскаду (рис.), одержаною із Т-подібної схеми заміщення транзистора.

Колекторний струм Іс можна знайти, якщо врахувати, що струм, який надходить від генератора h_21EI_B , розгалужується в паралельні вітки, опір яких r¢_C i Rc_H+ r_E . Оскільки звичайно Rc_H>> r_E то  опором r_E можна знехтувати і для колекторного струму записати

 

                                      .                                           

 

Вхідний опір підсилювального  каскаду визначається відношенням Uвх/Iвх =U_BE/I_B. Оскільки через опір бази протікає струм Iв, а через опір r_E—сума струмів Iв і Iс, то вхідний опір

 

                                                                   

 

Через те, що дуже часто r¢_C » Rс_H, вхідний опір підсилювального каскаду дорівнює вхідному опору транзистора, тобто

 

                                                                              

 

Оскільки напруга на ділянці база-емітер залежить від  теплового потенціалу  j_T , то

 

                             .                

 

В режимі малих (мікроамперних) струмів, який характерний для підсилювальних каскадів в інтегральному виконанні, виміряний вхідний опір виявляється в півтора-два рази більшим, ніж обчислений за формулою . Тому в останню формулу вводять множник т = 1 ... 2, який враховує зменшення h_21E в режимі мікрострумів. При цьому

           

                                          

                                       .                              

 

Скориставшись рівнянням , одержимо

 

                                                         .                                              

 

 Якщо в коло емітера в схемі на рис. ввімкнути резистор  R_E , то в еквівалентній схемі на рис. він буде ввімкнутий послідовно з опором емітерного переходу  r_E і вхідний опір каскаду збільшиться згідно з :

 

    

                                             .                              

 

 Якщо, наприклад, r_B = 100 0м,r_E= 20 0м,R_E= 300 0м,h_21E= 100, то Rвx, обчислене за формулами і , дорівнює відповідно 2120 і 32420 0м. Таким чином, введення негативного зворотного зв'язку за змінним струмом призводить до помітного підвищення вхідного опору підсилювального каскаду.

 Коефіцієнт підсилення  напруги за і такий:

               

                                   

 

В тих випадках, коли r_C¢ >>Rc_H , враховуючи , одержимо

 

                                                 .                                                  

 

Коли вхідний опір підсилювального каскаду порівняний з опором джерела вхідного сигналу R_Д_, то вихідну напругу оцінюють не за відношенням Uвих/Uвх, а за Uвих/Eд. Оскільки в цьому випадку справедливі рівняння:

 

                                ;

         

                                                    ,

то

                                  .                    

 

Коефіцієнт підсилення га струмом з урахуванням формули

 

                                         .                        

 

Вихідний опір Rвих знаходять як звичайно при відімкненому навантаженніінульовому вхідному сигналі, і, якщо врахувати, що r¢_C >>R_C ,

то

 

                                                       Rвих » R_C                                                                         

 

Однокаскадний підсилювач за схемою ЗБ (повторювач струму). Принципова схема підсилювального каскаду на біполярному транзисторі за схемою з ЗБ показана на рис. Підсилення потужності за такою схемою менше порівняно зі схемою підсилювача із ЗЕ і гірше відношення Rвх/Rвих в порівнянні з підсилювальним каскадом за схемою ЗК, тому її використовують рідше в приладах промислової електроніки. Але транзистор за схемою 3Б має високу лінійність колекторної характеристики, що обумовлює низький рівень нелінійних спотворень підсилюваного сигналу.

На відмінність від  схеми із ЗЕ підсилювальний каскад за схемою ЗБ не інвертує фазу вхідного сигналу, оскільки дія, наприклад, позитивної півхвилі вхідного синусоїдального сигналу викликає зниження емітерного, а отже, колекторного струмів, що викликає приріст позитивного потенціалу на колекторі транзистора. Скориставшись Т-подібною еквівалентною схемою транзистора із ЗБ, складемо еквівалентну схему підсилювального каскаду (рис.). Оскільки каскад охоплений глибоким негативним зворотним зв'язком за струмом, тс коефіцієнт передачі за струмом

 

                                                                   

 

менший за одиницю  і при r_C>>Rс_H дорівнює h_21B . Отже, вихідний струм повторює вхідний, звідси і назва — повторювач струму.

Паралельний зворотний  зв'язок приводить до збільшення споживання струму у вхідному колі, що знижує вхідний опір каскаду

 

   .           

 Низькоомний вхід знижує вплив паразитних ємностей у вхідному колі, що зменшує спотворення, які вносить каскад, в області високих частот.                             

         Коефіцієнт передачі за напругою  з урахуванням рівняння

                     

                                        

 

Вихідний опір підсилювального  каскаду за схемою ЗБ визначається рівнянням . Як самостійні каскади підсилення за схемою 3В практично не використовуються. Але вони широко застосовуються як складові частини підсилювальних секцій, наприклад, як ключ диференційного підсилювача і т.п.

 

Однокаскадний підсилювач за схемою ЗК (повторювач напруги). Принципова схема підсилювального каскаду за схемою ЗК показана на рис. Навантаження в підсилювачі вмикається в емітерне коло транзистора. Така схема має підвищений вхідний опір і знижений вихідний опір, що дозволяє використовувати її для узгодження або розділення високоомного джерела вхідного сигналу і низькоомного навантаження.

Резистор R_E є опором навантаження, що визначає динамічний режим роботи транзистора. Зовнішнє навантаження під'єднується у вигляді опоруR_H. Загальний опір навантаження за струмом корисного сигналу

 

 

                                                                                  

 

Вхідна і вихідна  напруги підсилювального каскаду  за схемою ЗК при такому вмиканні навантаження збігаються за фазою, оскільки при надходженні вхідної напруги позитивної полярності базовий струм підвищується, зумовлюючи підвищення емітерного струму. 'Це призводить до підвищення спаду напруги на опорі R_EH і зростання позитивного потенціалу емітера, з якого знімається вихідний сигнал.

Зі схеми видно, що Uвх =U_BE + Uвих. Оскільки значення R_EH на якому виділяється напруга Uвих, як правило, значно перевищуе опір емітерного переходу, до якого прикладена напруга U_{BE ,}то U_ВИХ >> U_ВЕ і U_BX » Uвих . Зважаючи на те, що  Uвих= Uвх-U_BE ,Kп_U= Uвих/Uвх близький до одиниці, але менший за неї. Таким чином, підсилювальний каскад лише повторює вхідну напругу за рівнем напруги і фазою, звідки і назва — емітерний повторювач. Але така схема дає підсилення за струмом і потужністю.              

Порівнюючи схеми на рис. і, можна зробити висновок , що емітерний повторювач подібний до підсилювального каскаду схемою ЗЕ, у якого Rc = 0, з резистором R_E в емітерному колі .

В такому разі вся напруга вихідного сигналу на резисторіR_EH послідовно вводиться у вхідне коло підсилювача. Але через те, що Uвх і Uвих синфазні, то Uвих віднімається від Uвх, знижуючи її. Тому в схемі існує 100 %-ний послідовний негативний зворотний зв'язок, що підвищує вхідний і зменшує вихідний опори емітерного повторювача.

Вхідний опір схеми із ЗК можна знайти з рівняння , замінивши R_E на R_EH.

                                          ,                                

який тим більший, чим  більший R_EH і h_21E транзистора. Вихідний опір емітерного повторювача

                                                                       

залежить від опору  джерела вихідного сигналу і  тим менший, чим більший коефіцієнт передачі струму бази транзистора. Якщо, наприклад, r_E = 20 0м, rв = 200 0м, R_Д = 100 0м і h_21E = 100, то Rвих= 23 0м.

Коефіцієнт підсилення за напругою

                                .                              

Коефіцієнт підсилення за струмом

                                    .                            

        При виконанні нерівності r_C¢ » R_EH K_ПI = (h_21E +1) » 1-

        Наявність в емітерному повторювачі  негативного зворотного зв'язку підвищує стабільність його характеристик, тобто зменшує частотні, фазові і нелінійні спотворення. Ця схема має широкий динамічний діапазон, що дозволяє використовувати її як вихідний каскад аналогових ІМС для передачі сигналу великої амплітуди.

Однокаскадні підсилювачі  в інтегральному виконанні. Технологічно такі підсилювачі виконують у вигляді монолітної схеми, яка містить всі необхідні елементи (транзистори, діоди, резистори та інше) в інтегральному виконанні і підсилює електричні сигнали без вмикання додаткових елементів. Інтегральна електроніка, використовуючи найновіші досягнення технології, дозволяє вагомо підвищити якість і надійність електронних підсилювачів, забезпечуючи їх так званою функціональною надлишковістю. Такі підсилювачі подібні до багатоцільових пристроїв, оскільки, змінюючи в них комутацію зовнішніх виводів, а також способи під'єднання джерела сигналів і навантаження, можна одержати підсилювачі з різними характеристиками . В окремих випадках інтегральні підсилювачі доповнюють навісними елементами.

Лінійні інтегральні підсилювачі можна поділити поділити на три групи:

одновходові, диференційні й операційні. Однокаскадні підсилювачі  в інтегральному виконанні одновходові.

На рис. показана принципова схема, а на рис. — схема вмикання попереднього підсилювача низької частоти серії 119 (мікросхема 119 УНІ), яка має такі параметри: Ес = 6,3 В;-Ек = -6,3 В; Rвх = 5 кОм; Uвих = 0,75 В при Кг £ 10 %.

Однокаскадний підсилювач виконаний на біполярному транзисторі  за схемою ЗЕ. Якщо вихідну підсилену  напругу знімають з виводу 5, то опором навантаження колекторного кола змінному струму є опір R3, тому що приєднаний до виводу 12 і корпусу навісний конденсатор ємністю 15,0 мкФ (рис.) шунтує за змінним струмом резистор R2. Останній виконує функцію термостабілізації робочої точки. З виводів 5 та II можна одночасно знімати два протифазні вихідні сигнали.

На рис. а показана принципова схема простого емітерного пов-торювача в інтегральному виконанні  серії 218 (мікросхема 218 УЕ2). Вивід 1З мікросхеми (на рис.) можна використати як вхідний, якщо необхідно розширити частотну характеристику емітерного повторювача аж до частоти w_H = 0.

Однекаскадні  підсилювачі на польових транзисторах. Польовий транзистор можна вмикати в пілсилювальну схему трьома різними способами: з загальним витоком (3В), загальним стоком (ЗС) і загальним затвором (33). Найчастіше використовують схему 3В, аналогічну схемі ЗЕ на біполярному транзисторі.

На рис. показана схема  підсилювального каскаду на польовому транзисторі з ізольованим затвором МДН-типу. Динамічний режим роботи польового транзистора забезпечується резистором в колі стока R_D, з якого знімається корисний вихідний сигнал при наявності вхідного підсилювального сигналу. Як правило, R_D <<R_G »Rвх, де R_G= R₁½½R₂. Тому, якщо навантаженням підсилювального каскаду на польовому транзисторі є вхідний опiр аналогічного каскаду підсилення, то опори навантаження підсилювача постійній і змінній складовим струму стоку приблизно рівні:

 

.        

Автоматичне зміщення в  підсилювальних каскадах на польових   МДН-транзисторах,  у яких полярність напруги на стоку і затворі однакова, здійснюється, як і в каскадах на біполярних транзисторах.