Усилители на биполярных транзисторах

Усилители на биполярных транзисторах

Как и в случае полевого транзистора, рабочий сектор семейства выходных ВАХ биполярного транзистора, образующего усилительный каскад, ограничивается минимальным значением выходного тока, минимальным и максимальным значениями выходного напряжения и, а также допустимой мощностью рассеивания транзистора (на рис. 2.10 приведено семейство выходных ВАХ транзистора с общим эмиттером). Эти ограничения вызваны теми же причинами, что и в случае полевого транзистора. Аналогичны и требования к положению рабочей точки в пределах рабочего сектора.

Рассмотрим усилительный каскад на биполярном транзисторе с общим эмиттером (ОЭ).

Поскольку в отличие от полевого транзистора, работающего с закрытым p-n-переходом, эмиттерный переход биполярного транзистора должен быть открыт, на базу транзистора (рис. 2.11) с помощью резистивного делителя подается постоянное напряжение той же полярности, что и на его коллектор, т. е. резисторы задают ток базы в рабочей точке. Падение напряжения на резисторе при протекании через него постоянного тока смещает эмиттерный переход в обратном направлении, поэтому при отсутствии резистора эмиттерный переход будет закрыт при любом сопротивлении. В рабочем режиме (при наличии в схеме резистора) резистор наряду с и определяет величину тока базы, что видно из выражения.

.

полученного при анализе по постоянному току входной цепи транзистора. Резистор, как и в схеме каскада на полевом транзисторе, является нагрузкой каскада. Кроме того, его сопротивление определяет (при заданном токе коллектора) напряжение, что видно из выражения нагрузочной прямой по постоянному току.

.

При увеличении температуры окружающей среды у биполярного транзистора уменьшается напряжение открытого эмиттерного p-n-перехода и увеличивается тепловой ток закрытого коллекторного p-nперехода, а также коэффициент передачи эмиттерного тока, в результате чего увеличивается ток коллектора, т. е. смещается рабочая точка. Приращение тока коллектора будет тем меньше, чем меньше сопротивление и больше сопротивление, как это следует из выражения.

.

Однако при уменьшении увеличивается потребляемый делителем ток от источника питания и уменьшается входное сопротивление каскада (последнее не относится к каскаду на транзисторе с общей базой), а при увеличении требуется (при заданном токе и напряжении) уменьшать сопротивление, что приводит к уменьшению коэффициента усиления каскада. Поэтому величину сопротивления выбирают не очень большой, но достаточной, чтобы выполнить требования по стабильности рабочей точки. Поскольку при введении в схему резистора возникает отрицательная обратная связь не только на нулевой частоте, но и на остальных частотах, коэффициент усиления каскада уменьшается, и чтобы это исключить, параллельно включают блокирующий конденсатор большой емкости.

Другие схемы каскадов на биполярном транзисторе (с общей базой — ОБ и общим коллектором — ОК) приведены на рис. 2.12. Анализ каскадов выполняется на основе их эквивалентных схем (на рис. 2.13 в качестве примера приведена малосигнальная эквивалентная схема каскада на биполярном транзисторе с общей базой). Учитывая, что высокочастотная постоянная времени каскада гораздо меньше его низкочастотных постоянных времени, анализ каскада можно провести раздельно для областей средних, нижних и верхних частот. Результаты анализа в виде выражений для коэффициента усиления напряжения в области средних частот, высокочастотной постоянной времени, входного и выходного сопротивлений приведены в табл. 2.2, где; (выражения для и даны для случая).

биполярный транзистор усилительный каскад Без учета блокирующих емкостей () функция передачи любого из рассмотренных здесь каскадов описывается выражением (2.3), где низкочастотная постоянная времени для всех каскадов одинакова, а высокочастотная будет различной для разных каскадов:

.

Таблица 2.2.

Схема.

ОЭ.

ОБ.

ОК.

При оговоренных условиях () и другие параметры схем ОЭ и ОБ отличаются от приведенных в табл. 2.2:

;(2.5).

.

Амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики каскадов имеют вид, показанный на рис. 2.2. Разделительная и блокирующая емкости (), а также емкость закрытого p-n-перехода () оказывают точно такое же влияние на АЧХ и ФЧХ, как и соответствующие емкости каскада на полевом транзисторе. У каскадов на биполярном транзисторе дополнительные искажения в области верхних частот возникают из-за уменьшения, поскольку с ростом частоты сигнала уменьшается ток генератора тока. Что касается искажений, возникающих из-за блокирующих конденсаторов, то их можно оценить, выполнив подстановку в выражениях (2.5) вместо комплексного сопротивления (в схеме ОЭ) или вместо сопротивления (в схеме ОБ).

Сравнивая свойства различных каскадов на биполярном транзисторе, можно сделать следующие выводы: каскад ОЭ дает усиление как по току, так и по напряжению, причем он инвертирует входной сигнал; каскад ОБ является усилителем напряжения (коэффициент усиления по току меньше единицы), он имеет низкое входное сопротивление; каскад ОК (эмиттерный повторитель) усиливает ток, тогда как его коэффициент усиления по напряжению меньше единицы (может быть очень близок к единице), и отличается малым выходным сопротивлением и широкой полосой пропускания.