Почему в каскаде об верхняя граничная частота выше чем в оэ

Типовые усилительные каскады

Каскад с общим эмиттером

Усилительные каскады, в которых транзистор включен по схеме с ОЭ, наиболее часто применяются в качестве предварительных каскадов усилителей, а также в качестве выходных каскадов в усилителях малой мощности. Этому способствует то, что каскад с ОЭ характеризуется наибольшими значениями коэффициентов усиления напряжения, тока и мощности по сравнению со схемами включения транзистора с ОК и ОБ.

Типовая схема усилительного каскада на биполярном транзисторе с ОЭ (с нагрузкой, включенной в коллекторную цепь транзистора) приведена на рисунке 2.30. Назначение большинства элементов схемы изложено в подразделе 2.5, а блокировочного конденсатора С_б – в подразделе 2.6.

Входное переменное напряжение подается на базу транзистора через разделительный конденсатор С_р1. С выхода усилителя в нагрузку с сопротивлением R_н усиленное переменное напряжение подается через разделительный конденсатор С_р2.

Все конденсаторы в схеме выбирают таким образом, чтобы для переменного тока их сопротивление на частотах в пределах полосы пропускания усилителя было незначительным.

Для определения основных параметров усилительного каскада, собранного по схеме с ОЭ, воспользуемся его эквивалентной схемой в области средних частот, когда параметры всех элементов схемы имеют только действительные значения (рисунок 2.31).

Рисунок 2.31 – Эквивалентная схема каскада с ОЭ для области средних частот

Используя эквивалентную схему, запишем аналитические выражения для определения основных параметров усилительного каскада на средних частотах (в пределах полосы пропускания): K_U, K_I, R_вх и R_вых.

Если не учитывать внутреннее сопротивление источника сигнала R_г, то входное сопротивление каскада с ОЭ на переменном токе будет определяться параллельным соединением резисторов базового делителя R1, R2 и входного сопротивления транзистора h_11Э.

Таким образом, можно записать:

. (2.59)

Для нахождения входного сопротивления транзистора h_11Э можно воспользоваться формулой:

, (2.60)

где – дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода, зависящее от тока эмиттера;

– омическое сопротивление базовой области транзистора;

h_21Э = b_ст – статический коэффициент передачи тока базы транзистора, численное значение которого для транзисторов разных типов приводится в справочной литературе.

Обычно входное сопротивление транзистора h_11Э и сопротивление резистора R2 составляют сотни ом – единицы килоом. Следовательно, входное сопротивление каскада с ОЭ является относительно низким.

Выходное сопротивление каскада с ОЭ на переменном токе определяется параллельным соединением резисторов R_к, R_н и выходного сопротивления транзистора, то есть

. (2.61)

Выходное сопротивление транзистора на практике составляет десятки – сотни килоом, сопротивление резистора R_к – сотни ом – единицы килоом. Поэтому для выполнения примерного равенства (2.61) должно выполняться неравенство R_н >> R_к.

Коэффициент усиления напряжения каскада определяется выражением

, (2.62)

где R_{К экв} – эквивалентное сопротивление коллекторной нагрузки транзистора на переменном токе, которое может быть определено по формуле

. (2.63)

Коэффициент усиления тока каскада равен:

(2.64)

Проанализируем работу каскада в области низких (НЧ) и высоких (ВЧ) частот (рисунок 2.32).

Рисунок 2.32 – АЧХ усилительного каскада

В области низких частот необходимо учитывать влияние на коэффициент усиления каскада сопротивления разделительных конденсаторов С_р1 и С_р2, а также блокировочного конденсатора С_б.

Для оценки частотных свойств каскада используем комплексный коэффициент усиления напряжения, который в области низких частот будет иметь вид

. (2.65)

В выражении (2.65) буквами и обозначены входное комплексное сопротивление каскада и комплексное сопротивление нагрузки. Комплексный характер данных сопротивлений обусловлен наличием разделительных С_р1, С_р2 и блокировочного С_б конденсаторов. С учетом наличия этих конденсаторов, полагая, что С_б >> С_р, для коэффициента усиления напряжения можно получить выражение

, (2.66)

где K_U0 – коэффициент усиления каскада на средних частотах (рисунок 2.32);

w – значение текущей угловой частоты от 0 до w_н.

Как видно из рисунка, в области низких частот имеет место спад АЧХ (уменьшение коэффициента усиления напряжения), обусловленный наличием разделительных и блокировочного конденсаторов. Для определения нижней граничной частоты полосы пропускания усилителя можно воспользоваться выражением

(2.67)

. (2.68)

С учетом усилительных свойств транзистора емкость блокировочного конденсатора C_б должна быть приблизительно в h_21Э раз больше, чем емкости разделительных конденсаторов С_р1 и С_р2, то есть С_б » C_р×h_21э (на практике С_б выбирают емкостью сотни микрофарад).

Рассмотрим работу резисторного каскада в области высоких частот. На частотах, превышающих w_н, сопротивлением разделительных и блокировочных конденсаторов можно пренебречь. Однако на этих частотах существенную роль на усилительные свойства каскада оказывает емкость коллекторного перехода С_К. С учетом этого выражение для коэффициента усиления каскада в области ВЧ можно записать в виде

, (2.69)

t_вVT = 0,05-5 микросекунд – постояннаявремени, учитывающая частотные свойства транзистора;

w – значение текущей угловой частоты от w_в до ¥.

Верхнюю граничную частоту полосы пропускания усилителя w_в (рисунок 2.32) можно найти из выражения

(2.70)

Из анализа каскада с ОЭ можно сделать ряд выводов:

— усилительный каскад с ОЭ позволяет получить высокий коэффициент усиления напряжения и тока (а, следовательно, и мощности);

— каскад имеет относительно небольшое входное и, наоборот, относительно большое выходное сопротивления (это можно отнести к недостаткам усилителя с ОЭ);

— в пределах полосы пропускания каскад обеспечивает изменение фазы сигнала на 180°;

— ширина полосы пропускания усилителя существенно зависит от правильного выбора емкости разделительных и блокировочных конденсаторов (область НЧ), а также от частотных свойств транзистора (область ВЧ).

Каскад с общей базой

Усилительный каскад с общей базой носит название повторителя тока. Повторителем тока называют усилитель с коэффициентом усиления по току K_I = 1. Повторители тока, не обеспечивая усиления по току, имеют достаточно высокий коэффициент усиления по напряжению и, следовательно, по мощности. Типовая схема повторителя тока на биполярном транзисторе (каскад с ОБ) приведена на рисунке 2.33.

Рисунок 2.33 – Усилительный каскад с ОБ

Отсутствие усиления тока в усилительном каскаде с ОБ является главным недостатком данной схемы. Поэтому схема с ОБ в каскадах предварительного усиления применяется реже, чем схема с ОЭ. Однако схема с ОБ обладает и рядом преимуществ. Во-первых, каскад с ОБне инвертирует входного сигнала (то есть в пределах полосы пропускания фазы сигналов на входе и выходе усилителя совпадают). Во-вторых, ширина полосы пропускания в каскаде с ОБ больше, чем в каскаде с ОЭ (за счет расширения в область ВЧ).

Эквивалентная схема каскада с ОБ представлена на рисунке 2.34. Воспользуемся этой схемой для составления математических соотношений, позволяющих определять основные параметры каскада с ОБ.

Рисунок 2.34 – Эквивалентная схема каскада с ОБ для области средних частот

Входное сопротивление каскада равно:

, (2.71)

где h_21Б – коэффициент передачи тока со входа на выход транзистора в схеме с ОБ (h_21Б = a_ст = 0,95 … 0,998).

Значения дифференциального сопротивления эмиттерной области r_Э, как правило, не превышают несколько десятков ом, поэтому входное сопротивление каскада с ОБ, как минимум в (1 + h_21Э) раз, меньше, чем каскада с ОЭ.

Выходное сопротивление каскада такое же, как и в каскаде с ОЭ (то есть определяется выражением (2.61)):

Коэффициент усиления напряжения каскада с ОБ в области средних частот равен

. (2.72)

Из выражения (2.72) следует, что поскольку a_ст > R_н коэффициент усиления тока K_I » a_ст. Из выражения (2.73) следует, что в каскаде с ОБ коэффициент усиления тока всегда меньше единицы.

Как видно из схемы (рисунок 2.33), каскад охвачен глубокой отрицательной обратной связью по току, поскольку выходной коллекторный ток полностью протекает через входную эмиттерную цепь. Благодаря этому повторитель тока по схеме с общей базой имеет очень низкое входное сопротивление, практически равное r_Э.

Низкоомный вход повторителя тока по схеме с общей базой имеет ряд преимуществ:

— уменьшаются частотные искажения, связанные с наличием входной емкости каскада;

— более эффективно используется источник сигнала, который практически работает в режиме короткого замыкания;

— глубокая отрицательная обратная связь приводит к увеличению выходного сопротивления и снижению выходной емкости;

— нейтрализуется паразитная обратная связь через проходную емкость С_КБ;

— входной сигнал передается на выход без изменения фазы.

Каскад с общим коллектором

Каскад, в котором транзистор включен по схеме с ОК, еще известен как эмиттерный повторитель (повторитель напряжения). Эмиттерным повторителем называется усилительный каскад, охваченный 100% последовательной ООС по напряжению. Типовая схема эмиттерного повторителя приведена на рисунке 2.35.

Рисунок 2.35 – Усилительный каскад с ОК

В схеме с ОК назначение элементов R1, R2, C_p1 и C_p2 то же, что и в схеме с ОЭ. Резистор R_э выполняет одновременно роль нагрузки в выходной цепи транзистора и элемента ООС по напряжению.

Наличие 100%-ной ООС по напряжению означает, что в эмиттерном повторителе выходной сигнал и сигнал обратной связи равны.

В отличие от усилителя по схеме с общим эмиттером, схема с общим коллектором не инвертирует входной сигнал. Действительно, если ко входу эмиттерного повторителя приложить увеличивающееся по уровню напряжение, то это приведет к увеличению базового, а, соответственно, и эмиттерного тока транзистора. В результате этого будет увеличиваться падение напряжения на сопротивлении нагрузки каскада и, соответственно, его выходное напряжение. Таким образом, входной и выходной сигналы в схеме будут изменяться в фазе.

Эквивалентная схема каскада с ОК представлена на рисунке 2.36. Воспользуемся схемой и получим математические соотношения для расчета основных параметров каскада.

Рисунок 2.36 – Эквивалентная схема повторителя напряжения для области средних частот

Обозначим через R_экв сопротивление в выходной цепи каскада: . Тогда входное сопротивление каскада с ОК равно

. (2.74)

Если R_э > R_вх. Поэтому на практике приходится либо использовать непосредственную связь с источником сигнала (без делителя), либо искусственно повышать сопротивление цепи смещения за счет введения отрицательной ОС.

Выходное сопротивление каскада можно найти, используя выражение:

. (2.76)

В частном случае при достаточно большом значении коэффициента передачи тока базы и низкоомном источнике входного сигнала можно полагать

. (2.77)

Коэффициент усиления напряжения каскада найдем с учетом того, что r_Э > R_н, при выполнении условия R_н > R_э выражение (2.78) можно записать в виде

. (2.79)

Коэффициент усиления тока в каскаде с ОК может быть найден с учетом допущений: r_Э > R_э÷çR_н. При этом выражение для коэффициента усиления тока примет вид

. (2.80)

Как видно из (2.80), коэффициент усиления тока каскада с ОК значительно больше единицы, но меньше, чем каскада с ОЭ при использовании того же транзистора. За счет большого усиления по току в каскаде с ОК обеспечивается усиление мощности.

Частотные свойства эмиттерного повторителя полностью определяются частотными свойствами применяемого транзистора и емкостью разделительных конденсаторов. Благодаря наличию 100 %-ой ООС каскад с ОК является более высокочастотным, по сравнению с каскадом с ОЭ.

Таким образом, усилительный каскад с ОК характеризуется следующими параметрами:

— высоким входным и низким выходным сопротивлением;

— коэффициент усиления напряжения меньше единицы;

— коэффициентом усиления тока почти таким же, как и в схеме с ОЭ;

— полосой пропускания большей, чем в каскаде с ОЭ (за счет расширения в область НЧ).

Одним из достоинств эмиттерного повторителя является то, что амплитуда входного сигнала для режима класса А может достигать половины напряжения источника питания, не приводя к искажению выходного сигнала. Данное свойство и низкое выходное сопротивление и определили их применение в качестве согласующих (буферных) каскадов.

Источник

Усилительный каскад с ОЭ

Вопрос

Биполярный транзистор (БТ) – трехслойная структура с чередующимися типами электропроводности с двумя p-n переходами, изготовлен из кремния, реже германия. Различают БП двух типов: n-p-n и p-n-p. В БТ ток определяется движением носителей двух типов: электронов и дырок.

Вопрос

Биполярный транзистор состоит из трех областей монокристаллического полупроводника с разным типом проводимости: эмиттера, базы и коллектора.

Э – эмиттер (с высокой концентрацией основных носителей-создает ток)

Б – база (средняя область между 2 p-n переходами с малой толщиной)

К – коллектор (служит для приема носителей от Э)

Вопрос

Биполярный транзистор состоит из трёх различным образом легированных полупроводниковых зон: эмиттера E, базы B и коллектора C. В зависимости от типа проводимости этих зон различают NPN и PNP транзисторы. К каждой из зон подведены проводящие контакты. База расположена между эмиттером и коллектором.

Принцип работы транзистора заключается в следующем. Прямое напряжение эмиттерного перехода u_б-э влияет на токи эмиттера и коллектора и чем оно выше, тем эти токи больше. Изменения тока коллектора при этом лишь незначительно меньше изменений тока эмиттера. Получается, что напряжение на переходе база-эмиттер, т. е. входное напряжение, управляет током коллектора.

При увеличении прямого входного напряжения u_б-э понижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе и, соответственно, возрастает ток через этот переход iэ. Электроны этого тока инжектируются из эмиттера в базу и проникают сквозь базу в коллекторный переход, увеличивая ток коллектора. Поскольку коллекторный переход работает при обратном напряжении, то в этом переходе возникают объемные заряды. Между ними возникает электрическое поле, которое способствует продвижению (экстракции) через коллекторный переход электронов, пришедших сюда из эмиттера, т. е. втягивают электроны в область коллекторного перехода.

Если толщина базы достаточно мала и концентрация дырок в ней невилика, то большинство электронов, пройдя через базу, не успевает рекомбинировать с дырками базы и достигает коллекторного перехода. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками. В результате этого возникает ток базы. Ток база является бесполезным и даже вредным.

Когда к эмиттерному переходу не приложено напряжение, можно считать, что в этом переходе тока нет. Тогда область коллекторного перехода имеет значительное сопротивление постоянному току, поскольку основные носители зарядов удаляются от этого перехода и по обе границы создаются области, обедненные этими носителями. Через коллекторный переход протекает очень небольшой обратный ток, вызванный перемещением навстречу друг другу неосновных носителей.

Если же под действием входного напряжения возникает значительный ток эмиттера, то в базу со стороны эмиттера инжектируются электроны, для данной области являющиеся неосновными носителями. Они доходят до коллекторного перехода не успевая рекомбинировать с дырками при прохождении через базу. Чем больше ток эмиттера, тем больше электронов приходит к коллектору, тем меньше становится его сопротивление, следовательно, ток коллектора увеличивается.Аналогичные явления происходят в транзисторе типа p-n-p, надо только местами поменять электроны и дырки, а также полярность источников E₁ и E₂.

Напряжение между коллектором и эмиттером транзистора в режиме насыщения измеряется при определенном значении коллекторного и базового токов или определенной глубине насыщения. Глубина насыщения — это отношение прямого тока базы к току, при котором транзистор находится на границе насыщения. Напряжение между базой и эмиттером транзистора в режиме насыщения измеряется при тех же условиях, что и напряжение между коллектором и эмиттером транзистора в режиме насыщения.

Вопрос

как определить коэффициент усиления по напряжению по амплитудной характеристике?

Вопрос

какие элементы схемы и как влияют на коэффициент усиления Кu каскада?

Усилительный каскад с ОЭ

• Содержит:

Ø Биполярный транзистор

n-p-n типа, включенный по схеме с ОЭ (Э – общий электрод для входной и выходной цепи.)

Ø источник постоянного тока Ек =10..30 В,, для усиления входного сигнала по мощности.

Ø Коллекторное сопротивление Rk, ограничивает ток в коллекторной цепи, на нем Uвых.

Ø Делитель на R1-R2, обеспечивает требуемое U_Бв режиме покоя, на постоянном токе, когда Uвх=0: U_Б= E_kR₂/(R₂+R₁)

Ø С1 и С2 – разделительные конденсаторы: С1 не пропускает постоянный ток в источник сигнала, С2 – в нагрузку.

Ø Rэ и Сэ – цепочка термостабилизации.

Ø источник входного сигнала е_истс внутренним сопротивлением Rист.

Вопрос

Режим А. Режим А характеризуется тем, что рабочую точку n выбирают на линейном участке переходной характеристики транзистора, обычно посередине (как на рис.3). При этом значение входного напряжения должно быть таким, чтобы работа усилительного каскада происходила на линейном участке характеристики. В этом случае нелинейные искажения усиливаемого напряжения будут минимальными, т.е. при подаче на вход усилительного каскада гармонического напряжения форма выходного напряжения будет практически полностью повторять форму входного.Режим В. Режим В характеризуется тем, что рабочая точка выбирается в начале переходной характеристики – точка b Эта точка называется точкой отсечки.

В режиме В. В случае синусоидального сигнала усиленный сигнал будет иметь форму полусинусоиды, что характеризует очень большое искажение усиливаемого сигнала. Достоинством этого режима является высокий к.п.д., достигающий в некоторых случаях 80%. Этот режим используется, как правило, в двухтактных усилителях мощности.

Режим С. Режим С характеризуется тем, что рабочую точку выбирают за точкой отсечки, при этом время отпирания транзистора меньше величины полупериода.

Этот режим характеризуется наибольшими искажениями усиливаемого сигнала, зато к.п.д. усилительного каскада приближается к 100%. Режим С используется в автогенераторах и избирательных усилителях.

Вопрос

Диапазон частот усилителя, в пределах которого усилитель обеспечивает заданное значение коэффициента усиления, называют полосой пропускания, которая определяет нижнюю fH и верхнюю fВ граничные частоты усиления при заданном уровне частотных (линейных) искажений.

Граничные частоты — это частоты, на которых модуль коэффициента передачи в раз меньше коэффициента передачи звена в области средних частот.

Разность граничных частот (fв — fн) определяет полосу пропускания электрической цепи. (См. рис.)

Граничная частота fгр связана со временем задержки сигнала τ от эмиттера до коллектора: fгр =1/2πτ

По построенным амплитудным характеристикам определяются граничные частоты.

Вопрос

Коэффициент усиления равен отношению уровня выходного сигнала к уровню входного.

При подаче на вход усилителя сложного периодического колебания отдельные гармонические составляющие неодинаково усиливаются им и по-разному сдвигаются во времени (т. е. по фазе). В усилителе при изменении частоты сигнала коэффициент усиления меняется как по модулю, так и по фазе из-за наличия в схеме реактивных сопротивлений. Таким образом, неодинаковое усиление различных частот и сдвиг фазы приводят к искажению формы выходного сигнала. Чаще всего усиление уменьшается на высоких и низких частотах.

При изменении частоты на коэффициент усиления начинает влиять частотные свойства транзисторов, емкостное сопротивление конденсаторов связи и паразитные емкости в усилителе. Поэтому на нижних и верхних частотах коэффициент усиления ниже, чем на средних частотах. Уменьшение коэффициента усиления каскада в области высоких частот определяется инерционностью транзистора. (Стр.143)

Вопрос

Конденсатор С_Э шунтирует резистор Р по переменному току, исключая тем самым проявление отрицательной обратной связи в каскаде по переменным составляющим.

Отсутствие С_Э приведет к уменьшению коэффициента усиления каскада.

Вопрос

Что такое коэффициент передачи тока, как он связан с коэффициентом усиления транзистора?

Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (I_к = α I_э) называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α 0.9 — 0.999. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α / (1 − α) =(10..1000). Таким образом, изменяя малый ток базы, можно управлять значительно большим током коллектора.

Вопрос

Дата добавления: 2015-04-16 ; просмотров: 11 ; Нарушение авторских прав

Источник