andrey

Путь к Файлу: /Разное / Аналоги / Підсилювальні каскади зі спільним колектором (СК) та спільною базою (СБ).doc

Ознакомиться или скачать весь учебный материал данного пользователя
Скачиваний:   6
Пользователь:   andrey
Добавлен:   31.01.2015
Размер:   271.5 КБ
СКАЧАТЬ

ЛЕКЦІЯ №3

з навчальної дисципліни

“АНАЛОГОВІ ЕЛЕКТРОННІ ПРИСТРОЇ”

 

 

ТЕМА ЛЕКЦІЇ: Підсилювальні каскади зі спільним колектором (СК) та спільною базою (СБ)

 

 

 

Мета: вивчити  принципову схему, принцип дії та основні характеристики підсилювального каскаду з СК та СБ

 

Література: [1] с. 27-42

 

Питання заняття та розподіл часу:

1. Підсилювальні каскади з СК. Принцип дії. Режим по постійному струму. Малосигнальна еквівалентна схема та підсилювальні параметри (45 хв.)

2. Підсилювальні каскади з СБ. Принцип дії. Режим по постійному струму. Малосигнальна еквівалентна схема і підсилювальні параметри  (45 хв.)


1. Підсилювальний каскад зі спільним колектором

 

1.1. Принцип дії, режим за постійним струмом

 

Підсилювальні каскади зі спільним колектором (СК) та спільною базою (СБ)Принципова схема підсилювального каскаду зі спільним колектором (СК) зображена на рис. 1.9.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Із рис. 1.9, а виходить, що колектор транзистора є спільним електродом як для вхідного, так і для вихідного кола, бо для змінної складової колекторного струму колектор з'єднаний з корпусом. ЕРС підсилюваного сигналу утворює падіння напруги на своєму внутрішньому опорі Rг, а також на вході підсилювача (uвх). До складу підсилювача входять: джерело постійної напруги Ек; транзистор, працюючий в активному режимі завдяки опору резистора Rб; резистор Rе, який разом з резистором Rн відіграє роль навантаження підсилювача по змінному струму; роздільні конденсатори Ср1, Ср2, які відіграють ту ж роль, що і в каскаді з CЕ, та відповідають співвідношенням (1.15).

Визначимо значення струмів та напруг на електродах транзистора в робочій точці, тобто за відсутності вхідного сигналу. Для цього, скориставшись другим законом Кірхгофа, запишемо рівняння для двох замкнутих контурів (рис. 1.9, а)

Ек = ІбRб + Vбе + ІеRе,

(1.43а)

Ек = Vке + Іе Rе.

(1.43б)

Якщо в рівняння 1.43а підставити Iе = (β + 1)Іб, то з нього отримаємо співвідношення для базового струму в робочій точці

Підсилювальні каскади зі спільним колектором (СК) та спільною базою (СБ)

(1.44)

де Vберт, як і в каскаді з СЕ, становить для малопотужних кремнієвих  транзисторів приблизно 0,6 В. Рівняння (1.43б) визначає статичну лінію навантаження на вихідних характеристиках транзистора

Підсилювальні каскади зі спільним колектором (СК) та спільною базою (СБ).

Методика вибору положення робочої точки залишається такою ж, як і для каскаду з СЕ. Для пояснення принципу дії підсилювального каскаду з СК розглянемо часові діаграми на рис. 1.9, б, зображені для випадку, коли на вході присутні гармонічні коливання eг = Ег sin wсt з малою амплітудою (режим А, рис. 1.4, а). До приходу коливань (eг = 0) через транзистор течуть постійні струми Iбрт, Iерт, а на електродах транзистора існують постійні напруги Vбрт, Vерт, які визначають положення робочої точки. Її вибирають для гармонічної вхідної напруги посередині активної області на вихідних характеристиках транзистора, працюючого в режимі А (т. А2, рис. 1.6):

Vерт » Ек/2;  Iерт = Ек/(2Rе).

(1.45)

Коли eг(t) = Eгsin wсt > 0, емітерний перехід n-p-n транзистора стає ще більш відкритим, струми iб та іе зростають (рис. 1.9, б), а при ег(t) < 0 - iб та іе зменшуються. Через те, що транзистор працює в режимі А, закони зміни струмів іб, іе залишаються гармонічними:

uбe(t) = Vберт + Uб sin wсt;

iб(t) = Iбрт + Jб sin wсt;

ie(t) = (b + 1)iб(t) = Iерт + Jе sin wct.

Змінна складова емітерного струму тече через паралельне з'єднання Rе та Rн [Rен = (Rе Rн)/(Rе + Rн)] і утворює на них гармонічну змінну складову емітерної напруги з амплітудою

Uе = Uвих = Jе Rен.

Із рис. 1.9, б виходить, що фаза вихідної напруги така ж, як і фаза вхідної напруги, тобто каскад з CК не змінює фазу вхідного сигналу на протилежну, як це було в каскаді з CЕ.

При перевірочному аналітичному розрахунку режиму роботи каскаду з CК спочатку із довідників по транзисторах знаходимо значення β та Vберт, далі із співвідношення (1.44) знаходимо Iбрт, потім Iерт = (β + 1)Iбрт і нарешті Vерт = IертRе. При графоаналітичному розрахунку лінія навантаження (1.43б) повинна проходити нижче від гіперболи ie » iк = Рдоп/uке (див. рис. 1.6, пунктир).

 

1.2. Підсилювальні параметри каскаду зі спільним колектором

 

Для знаходження підсилювальних параметрів зобразимо еквівалентну схему підсилювача для малих змінних складових напруг та струмів, які течуть через нього. До транзистора підсилювача (рис. 1.10, пунктир) відповідно принциповій схемі підсилювача (рис. 1.9, а) підключимо резистори Rб, Rе, а також генератор ЕРС Ег з внутрішнім опором Rг та резистор навантаження Rн. Через те, що схема на рис. 1.10 є еквівалентною для області середніх частот, опір конденсаторів Ср1, Ср2 не враховуємо:

Підсилювальні каскади зі спільним колектором (СК) та спільною базою (СБ)

Підсилювальні каскади зі спільним колектором (СК) та спільною базою (СБ)
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


На рис. 1.10 показані напрями руху змінних складових струмів у підсилювачі в якийсь момент часу. Амплітудні значення цих струмів, а також вхідної та вихідної напруг показані великими прописними буквами. Співвідношення між струмами відповідають (1.23), бо завдяки малості Uвх вважаємо, що транзистор працює в активному режимі.

 

Вхідний опір підсилювача (Rвх)

 

Із рис. 1.10 виходить, що

Підсилювальні каскади зі спільним колектором (СК) та спільною базою (СБ)

(1.46)

 

де Підсилювальні каскади зі спільним колектором (СК) та спільною базою (СБ).

Величина Rвхт завдяки великому значенню b може складати декілька десятків кОм, тому великим опором резистора Rб у формулі (1.46) нехтувати можна не завжди. Строго кажучи, не можна нехтувати й опором rк, бо з рис. 1.10 бачимо, що він теж впливає на Rвх. Звичайно rк становить сотні кОм, тому в виразі (1.46) його не було враховано. Але треба пам'ятати, що величини rк та Rб обмежують максимальне значення Rвх каскаду з СК.

Значна величина Rвх у каскаді з СК є позитивною якістю підсилювача, бо дозволяє зменшити вхідний струм Jвх та втрати значної частини ЕРС ег(t) на опорі Rг. Це дуже важливо у випадках, коли джерело ег(t) є малопотужним, тобто має великий опір Rг.

Причиною великого вхідного опору каскаду з CК є негативний послідовний зворотний зв'язок, який існує в цьому каскаді (підрозд. 2.2).

У системі У-параметрів активна складова вхідної провідності для каскаду з СК дорівнює сумі провідності 1/Rб та провідності gвх = g11/1 + g21Rн.

 

Коефіцієнт підсилення ЕРС (Ке)

Із рис. 1.10 бачимо, що

Підсилювальні каскади зі спільним колектором (СК) та спільною базою (СБ).

Із рівняння Підсилювальні каскади зі спільним колектором (СК) та спільною базою (СБ) Після підстановки останнього рівняння до виразу Ке маємо

Підсилювальні каскади зі спільним колектором (СК) та спільною базою (СБ).

(1.47)

Якщо Rб >> Rвхт, тобто Jвх » Jб, то

Підсилювальні каскади зі спільним колектором (СК) та спільною базою (СБ).

(1.48)

З останнього виразу виходить, що величина Ке завжди менше 1.

При (Rг + rб) << (b + 1) Rен можна вважати Ке » 1, тому каскад із CК часто звуть емітерним повторювачем (ЕП).

 

Коефіцієнт підсилення напруги (Кu)

 

За визначенням Підсилювальні каскади зі спільним колектором (СК) та спільною базою (СБ), тобто

Підсилювальні каскади зі спільним колектором (СК) та спільною базою (СБ)                                              (1.49)

Через те, що величина rб, як правило, значно менша (b + 1)Rен, Кu » 1. У системі Y-параметрів коефіцієнт підсилення напруги дорівнює

Підсилювальні каскади зі спільним колектором (СК) та спільною базою (СБ)

 

Коефіцієнт підсилення струму (Кі)

 

Для знаходження вхідного та вихідного струмів підсилювача скористаємось співвідношеннями (рис. 1.10) Підсилювальні каскади зі спільним колектором (СК) та спільною базою (СБ); Підсилювальні каскади зі спільним колектором (СК) та спільною базою (СБ)

Підсилювальні каскади зі спільним колектором (СК) та спільною базою (СБ).

(1.50)

Якщо Rб >> Rвх т та Rе >> Rн, то отримуємо з останнього виразу максимальне значення (Кі)макс » b + 1, тобто емітерний повторювач добре підсилює струм. При цьому важливою обставиною є те, що навантаження підсилювача з СК може бути низькоомним (одиниці...десятки Ом). Нагадаємо, що в каскаді з СЕ при такому навантаженні коефіцієнт підсилення напруги Кu = bRкн/Rвх може стати значно меншим 1.

 

 

Коефіцієнт підсилення потужності (Кр)

За визначенням Кр =  Кі Кu, тобто для емітерного повторювача Кр » Кі.

Важливо, що навіть при низькоомному навантаженні каскад з СК зберігає велике значення Кр, бо його коефіцієнт Кu залишається приблизно рівним 1.

 

Вихідний опір (Rвих)

Для визначення Rвих зобразимо еквівалентну схему (рис. 1.10) у вигляді рис. 1. 11.

Підсилювальні каскади зі спільним колектором (СК) та спільною базою (СБ)
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Скориставшись рис. 1. 11, знайдемо величини Uвих хх та Jвих кз. Для знаходження Uвих хх розриваємо коло навантаження (Rн®¥), тоді

Підсилювальні каскади зі спільним колектором (СК) та спільною базою (СБ).

При короткому замиканні навантаження (Rн = 0) маємо

Підсилювальні каскади зі спільним колектором (СК) та спільною базою (СБ).

Тоді

Підсилювальні каскади зі спільним колектором (СК) та спільною базою (СБ)           (1.51a)

тобто вихідний опір ЕП дорівнює паралельному з'єднанню Rе та вихідному опору транзистора, який звичайно становить одиниці...десятки Ом (рис. 1.11):

Підсилювальні каскади зі спільним колектором (СК) та спільною базою (СБ).                                        (1.51б)

Звичайно Rе >> Rвих т, тобто ЕП має дуже малий вихідний опір, що дозволяє використовувати його як джерело стабільної напруги [24].

Методика розрахунку параметрів елементів схеми ЕП [11] мало чим відрізняється від методики розрахунку каскаду з СЕ.

У системі У-параметрів активна складова вихідної провідності дорівнює

Підсилювальні каскади зі спільним колектором (СК) та спільною базою (СБ)

(1.52)

Недоліком ЕП є те, що він “боїться” ємнісного навантаження, особливо при підсиленні імпульсних сигналів з великою амплітудою (рис. 1.12).

Підсилювальні каскади зі спільним колектором (СК) та спільною базою (СБ)
 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

 

 

Дійсно, якщо після появи на вході підсилювача позитивного імпульсу ємність навантаження Сн встигає через малий вихідний опір ЕП швидко зарядитись до амплітудного значення Uвих, то після закінчення вхідного імпульсу транзистор запирається, бо uбе = uвх – uвих < 0, i Сн довго розряд-жається через Rен >> Rвих т. У результаті вихідний імпульс спотворюється (рис. 1.12, а). Для усунення цього недоліку як Rе іноді використовують транзистор Т2 (рис. 1.12, б). Резистор Rб2 забезпечує вибір положення робочої точки транзисторів Т1, Т2 в активній області їх вихідних характеристик. При закінченні вхідного імпульсу ємність Сн розряджається через Т2 швидко, бо розрядний струм дорівнює колекторному струму транзистора Т2:

к)2 = b(іб)2 » const.

Розглянуту схему ЕП на рис. 1.12, б часто називають ЕП з динамічним навантаженням.

Таким чином, каскад з СК або емітерний повторювач має:

мале значення Кu ~ 1 без зміни полярності вхідної напруги;

велике підсилення струму (Кі >> 1) та потужності Кр » Кі;

великий вхідний опір та малий вихідний опір, що дозволяє використовувати його для узгодження джерела напруги, яке має великий внутрішній опір, з низькоомним навантаженням.

 

2. Підсилювальний каскад зі спільною базою

 

2.1. Принцип дії, режим за постійним струмом

 

Підсилювальні каскади зі спільним колектором (СК) та спільною базою (СБ)Принципова схема підсилювального каскаду зі спільною базою (СБ) зображена на рис. 1.13.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ег

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Із рис. 1.13, а виходить, що база транзистора є спільним електродом як для вхідного, так і для вихідного кола, бо для змінної складової базового струму база з'єднана з корпусом (1/wССб » 0). ЕРС підсилюваного сигналу ег(t) утворює напругу на своєму внутрішньому опорі Rг та вхідну напругу uвх, яка прикладена між емітером та базою транзистора. До складу підсилювача входять:

джерело постійної напруги Ек;

транзистор, працюючий в активному режимі завдяки опору резистора Rб;

резистор Rк, який разом з резистором Rн відіграє роль опору навантаження підсилювача по змінному струму Rкн = (RкRн)/(Rк + Rн);

роздільні конденсатори Ср1, Ср2, які відіграють ту ж роль, що в каскадах з СЕ, СК, та відповідають співвідношенням (1.15);

резистор Rе, який замикає коло протікання постійного емітерного струму Iе.

Визначимо струми та напруги в робочій точці підсилювача, для чого запишемо рівняння для двох замкнутих контурів (рис. 1.13, а)

Ек = ІбRб +Vбе + IеRе

(1.53а)

Ек = ІкRк + Vке + (Ік/a) Rе

(1.53б)

Вираз (1.53а) збігається з (1.43а) для каскаду з CК, тому базовий струм у робочій точці знаходиться із співвідношення (1.44). Вираз (1.53б) визначає лінію навантаження на вихідних характеристиках транзистора, підключеного по схемі з CБ:

Підсилювальні каскади зі спільним колектором (СК) та спільною базою (СБ)                                           (1.54)

Для пояснення принципу дії підсилювача з СБ розглянемо часові діаграми на рис. 1.13, б, зображені для випадку, коли на вході підсилювача присутні гармонічні коливання ег(t) = Ег sin wсt з малою амплітудою. До приходу цих коливань (ег = 0) через транзистор течуть постійні струми Ібрт, Ікрт, а на його електродах діють постійні напруги Vберт, Vкрт, які визначають положення робочої точки. Якщо вхідна напруга гармонічна, а транзистор працює в режимі А, то

Підсилювальні каскади зі спільним колектором (СК) та спільною базою (СБ)

Коли ег(t) > 0, емітерний перехід n-р-n транзистора дещо зачиняється, струми іб, ie та ік зменшуються (рис. 1.13, б), а при ег(t) < 0 - іб, ie та ік підвищуються. Якщо транзистор працює в режимі А, то закони зміни струмів іб, ie, ік залишаються гармонічними:

іб(t) = Iбрт – Jб sin wсt;

iе(t) = Iерт –Je sin wct;

ік(t) = Ікрт – Jк sin wct.

Змінна складова колекторного струму тече через паралельне з'єднання Rк та Rн і утворює на них гармонічну вихідну напругу з амплітудою

U вих = Jк Rкн.

Із рис. 1.13, б виходить, що фаза вихідної напруги така ж, як у вхідної напруги, тобто каскад з СБ не змінює фазу підсилюваного сигналу.

Методика вибору положення робочої точки транзистора підсилювача з СБ залишається такою ж, як і для каскаду з СЕ, але з використанням вихідних характеристик ік = f(uкб).

 

2.2. Підсилювальні параметри каскаду зі спільною базою

Для знаходження підсилювальних параметрів складемо малосигнальну еквівалентну схему підсилювача в області середніх частот (рис. 1.14).

Підсилювальні каскади зі спільним колектором (СК) та спільною базою (СБ)
 

 

 

 

 

 

 

 

 


Вхідний опір підсилювача (Rвх)

 

Із рис. 1.14 виходить, що вхідний опір підсилювача є паралельним з'єднанням резистора Rе та вхідного опору транзистора, підключеного по схемі з СБ,

Підсилювальні каскади зі спільним колектором (СК) та спільною базою (СБ)

(1.55)

де Підсилювальні каскади зі спільним колектором (СК) та спільною базою (СБ)

Звичайно Rвх т становить десятки Ом, тому доцільно вибрати Rе >> Rвх т, щоб вхідний опір підсилювача не робити зовсім малим.

У системі Y-параметрів для схеми з CБ вхідна провідність підсилювача в області середніх частот дорівнює gвх =  g11 +  g21.

 

 

Коефіцієнт підсилення напруги (Кu)

 

Як відомо, Підсилювальні каскади зі спільним колектором (СК) та спільною базою (СБ). Тоді з виразу (1.56) при Rг = 0 маємо

Підсилювальні каскади зі спільним колектором (СК) та спільною базою (СБ).

(1.57)

У системі Y-параметрів для схеми з СБ коефіцієнт підсилення напруги дорівнює Кu = g21/(g22 + gн).

 

Коефіцієнт підсилення струму (Кі)

 

Із еквівалентної схеми на рис. 1.14 можна записати, що

Jе Rвх т = Jвх Rвх; JкRкн = Jвих Rн;

звідкіля отримаємо

Підсилювальні каскади зі спільним колектором (СК) та спільною базою (СБ).

Тоді коефіцієнт підсилення струму дорівнює

Підсилювальні каскади зі спільним колектором (СК) та спільною базою (СБ).

Коефіцієнт підсилення потужності (Кр)

 

Через те, що в каскаді з СБ Кu > 1, а Кі < 1, його величина Кр значно менша, ніж у каскаді з СЕ, тобто як підсилювач потужності каскад з СБ не використовують.

 

Вихідний опір (Rвих)

 

Із рис. 1.14 бачимо, що вихідний опір підсилювача дорівнює

Підсилювальні каскади зі спільним колектором (СК) та спільною базою (СБ)                                         (1.58а)

де Rвих т - вихідний опір транзистора, підключеного по схемі з СБ.

Відомо [13], що величина Rвих т у схемі з СБ становить приблизно rк (сотні кОм), тому вихідний опір підсилювача Rвих » Rк.                                                  

Велике значення Rвих т у схемі з CБ дозволяє використовувати цю схему як генератор стабільного струму (рис. 1.15).

Підсилювальні каскади зі спільним колектором (СК) та спільною базою (СБ) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Такий генератор повинен мати внутрішній опір Rг, значно більший від опору навантаження Rн (рис.1.15, а). Тоді струм Iн майже не залежить від коливань опoру Rн. Але для отримання досить великого та стабільного Ін треба мати високовольтне джерело Ег, що дуже незручно при технічній реалізації. Тому як Rг краще використати великий диференційний опір Rвих т = rк каскаду з CБ (рис. 1.15, б). Із рис. 1.15, б бачимо, що струм навантаження дорівнює

Підсилювальні каскади зі спільним колектором (СК) та спільною базою (СБ).

(1.59)

Із (1.59) виходить, що струм Ін не залежить від коливань опору Rн, якщо Rн << rк. Для керування величиною Ін достатньо змінювати опір Rб. Якщо таке керування не потрібно, стабільність Ін можна підвищити за допомогою стабілітрона Д (рис. 1.15, б, пунктир). Додатковий елемент схеми – стабілітрон Д – забезпечує стабільну напругу Vб на базі транзистора навіть при коливаннях напруги Ек. Тоді постійний струм у навантаженні Rн дорівнює

Підсилювальні каскади зі спільним колектором (СК) та спільною базою (СБ)

(1.60)

Із співвідношення (1.60) виходить, що струм навантаження не залежить від напруги джерела живлення та опору навантаження, якщо транзистор знаходиться в активному режимі. Додатковою умовою стабільності струму Ін (1.60) є нерівність Vб >> Vбе, тоді вплив температурної нестабільності Vбе на струм Ін малий.

У ролі генератора стабільного струму каскад з CБ часто використовують як динамічне навантаження підсилювача з CЕ (рис. 1.15, в). Це дозволяє збільшити його опір навантаження та зберегти високе значення b при низьковольтному живленні Ек. Роль динамічного навантаження транзистора Т1 відіграє транзистор Т2, включений за схемою з CБ. Резистор Rб2 забезпечує вибір робочої точки Т2 в активній області, де його колекторний струм ік2 майже не залежить від його колекторної напруги uке2 = Ек – uк1. Тому при появі змінної вхідної напруги uвх струм іе2 » ік2 майже не змінюється, а лише розподіляється між Т1 та опором Rн (рис. 1.15, в, пунктир). Для розрахунку Ке такого підсилювача транзистор Т2 еквівалентний опору rк закритого колекторного переходу, тому

Підсилювальні каскади зі спільним колектором (СК) та спільною базою (СБ).

Таким чином, каскад із СБ:

підсилює напругу вхідного сигналу (Кu > 1), але зменшує вхідний струм (Кі < 1), тобто незначно в порівнянні з каскадом з СЕ підсилює потужність;

при підсиленні не змінює полярності вхідного сигналу;

завдяки великому диференційному вихідному опору транзистора може бути використаний як генератор стабільного струму в навантаженні. Із 1.57 бачимо, що для значного підсилення напруги треба мати Rкн >> Rвх т, тобто Rвих >> Rвх , отже, не має сенсу робити багатокаскадний підсилювач напруги на каскадах з СБ.

 

Наверх страницы

Внимание! Не забудьте ознакомиться с остальными документами данного пользователя!

Соседние файлы в текущем каталоге:

На сайте уже 21970 файлов общим размером 9.9 ГБ.

Наш сайт представляет собой Сервис, где студенты самых различных специальностей могут делиться своей учебой. Для удобства организован онлайн просмотр содержимого самых разных форматов файлов с возможностью их скачивания. У нас можно найти курсовые и лабораторные работы, дипломные работы и диссертации, лекции и шпаргалки, учебники, чертежи, инструкции, пособия и методички - можно найти любые учебные материалы. Наш полезный сервис предназначен прежде всего для помощи студентам в учёбе, ведь разобраться с любым предметом всегда быстрее когда можно посмотреть примеры, ознакомится более углубленно по той или иной теме. Все материалы на сайте представлены для ознакомления и загружены самими пользователями. Учитесь с нами, учитесь на пятерки и становитесь самыми грамотными специалистами своей профессии.

Не нашли нужный документ? Воспользуйтесь поиском по содержимому всех файлов сайта:



Каждый день, проснувшись по утру, заходи на obmendoc.ru

Товарищ, не ленись - делись файлами и новому учись!

Яндекс.Метрика