Главная | Обратная связь

Усилитель на биполярном транзисторе по схеме ОЭ

Наиболее часто усилители выполняются на биполярном транзисторе по схеме с ОЭ (эмиттер на частоте сигнала является общим для входной и выходной цепей). Такое включение позволяет обеспечить большое усиление сигнала по напряжению, при этом усилитель имеет достаточно большое входное сопротивление.

Принцип действия усилительных каскадов с ОЭ рассмотрим на примере наиболее распространенной схемы (рис. 2.5).

На входе каскада действуют усиливаемые переменные ток i_ВХ и напряжение u_ВХ источника входного сигнала, а на выходе (на нагрузке) — усиленные переменные ток i_H и напряжение u_ВЫХ (здесь и да­лее аргумент t у функций токов и напряжений для упрощения записи опущен).

В этой схеме конденсаторы С₁и С₂— разделительные (разделяют цепи переменных и постоянных токов: постоянные токи источника +Е_К не должны протекать по цепям источника входного сигнала и сопротивлению нагрузки). Конденсатор С₁препят­ствует протеканию постоянного тока от источника питания Е_k в цепь источника входного сигнала. Конденсатор С₂обеспечивает выделение из коллекторного на­пряжения переменной составляющей, поступающей на резистор нагрузки R_H.

Резистор R_Кявляется собственно нагрузкой каскада усиления, включенной в коллекторную цепь транзистора, а резистор R_H отражает тот факт, что сигнал с данного каскада подается на вход следующего каскада, сопротивление входа которого равно R_H. Можно сказать, что каскад усиления имеет сложную нагрузку, состоящую из сопротивлений R_К и R_H, включенных по переменному току параллельно.

Рези­сторы базового делителя напряжения R₁, R₂задают режим покоя транзистора (обеспечивают выбор рабочей точки усилителя), при котором в отсутствии входного сигнала в транзисторе протекают только постоянные токи покоя базы, коллектораи эмиттера, а на базе, коллекторе и эмиттере соответственно действуют посто­янные напряжения покоя.

Резистор R_Эсоставляет цепь отрицательной обратной свя­зи (ООС), предназначенную для стабилизации режима покоя транзистора при изменении его температуры (для термoстабилизации). Под обратной связью (ОС) понимают процесс передачи части выходного сигнала на вход усилитель­ного каскада.

Действие термостабилизации объясняется следую­щим образом. При увеличении, на­пример, из-за роста температуры, то­ка коллектора покоя i_КП, возрастают ток эмиттера покоя i_ЭП и падение напряжения на резисторе R_Э., по­скольку U_ЭП= i_ЭП ·R_Э.. Так как напря­жение между эмиттером и базой U_БЭ, определяющее ток покоя транзистора, задается совокупным действием напряжения делителя U_R2и U_ЭП (U_БЭ = U_R2 - U_ЭП), то с увеличением напряжения U_ЭП уменьшается напряжение U_БЭ.Это приводит к призакрыванию транзисто­ра, уменьшению тока базы покоя i_БП и, следовательно, снижению тока коллек­тора покоя i_КП. Тем самым производится компенсация первоначального увеличения тока коллектора покоя.

Включение резистора R_Эв цепь эмиттера изменяет работу каскада и при усилении переменного сигнала. Переменный ток эмиттера создает на рези­сторе R_Эпадение напряжения, которое уменьшает усиливаемое на­пряжение, подводимое к базе транзистора (действует в противофазе), ведь u_БЭ = u_ВХ – u_Э. При этом сни­жается и коэффициент усиления каскада, поскольку действует ООС по пере­менному току. Для ее исключения резистор R_Эшунтируют конденсатором С_Э достаточно большой емкости. Поскольку реактивное сопротивление конден­сатора мало, то переменный ток протекает по нему и не создает падения на­пряжения на резисторе R_Э.

Усилитель по схеме с ОЭ инвертирует сигнал. Под действием положительной полуволны входного гармонического сигнала транзистор приоткрывается, что приводит к пропорциональному увеличению переменных токов эмиттера, коллектора и базы. При этом увеличивается падение напряжения на резисторе R_К, а напряжение на коллекторе транзистора, наоборот, уменьшается. Поскольку это переменное напряжение через конденсатор С2 действует на R_Н, то уменьшается напряжение на R_Н.

Схеме усилителя с ОЭ присущ еще один недостаток - низкая линейность усиления из-за нелинейности входных характеристик активного элемента. Для уменьше­ния нелинейных искажений источник входного сигнала переводят в режим источника тока: последовательно с ним в цепь базы вклю­чают резистор R_Б. Сопротивление резистора R_Б выбирают намного больше входного сопротивления транзистора ( ). Форма тока базы в этом случае соответствует форме входного напряжения и линейность усиления повышается.

Расчет номиналов элементов усилительного каскада, анализ режима работы каскада часто проводят графоаналитическим методом с использованием статических выходных и входных ВАХ транзистора. Основные аспекты графоаналитического метода можно подробно изучить по литературе ([1], С. 231-232).

В усилителе по схеме с ОЭ входным током является малый ток базы. Так как он в десятки - сотни раз меньше тока эмиттера, входное сопротивление и коэффициент усиления по току транзистора в схеме ОЭ имеют достаточно большое значение.

Благодаря таким преимуществам, как сравнительно высокое входное сопротивление и значительное усиление, схема усилителя с ОЭ получила на практике наиболее широкое распространение.