2. Эмиттерная стабилизация рабочей точки

Более высокую стабильность положения рабочей точки обеспечивает схема эмиттерной стабилизации, варианты которой для схемы с общим эмиттером приведены на рис.9.7. Частичная стабилизация рабочей точки по постоянному току здесь достигается уже тем, что смещение на базу подается от делителя напряжения R1 и R2 или от отдельного источника, и напряжение смещения мало зависит от параметров транзистора.

Рис.9.7 Эмиттерная стабилизация рабочей точки с отдельным источником смещения (а) и с общим питанием (б)

Дальнейшая стабилизация режима в этих схемах осуществляется отрицательной обратной связью, получаемой за счет введения в цепь эмиттера резистора Rэ зашунтированного для устранения обратной связи по переменному току большой емкостью Сэ . Напряжение смещения между базой и эмиттером Uбэ здесь равно разности напряжения, снимаемого с резистора R2, и падения напряжения на Rэ (рис.9.7,б). При возрастании тока покоя коллектора Ik, ток покоя эмиттера также растет, увеличивается падение напряжения на Rэ, что сильно уменьшает напряжение смещения между базой и эмиттером, тем самым подзапирая транзистор. В результате этого ток покоя коллектора возрастает во много раз меньше, чем без применения стабилизации.

Стабильность рабочей точки тем выше, чем больше Rэ и чем меньше R1 и R2 (Rб). Однако очень большим Rэ брать нельзя, так как при этом напряжение между коллектором и эмиттером Uлэ окажется слишком малым, сопротивление делителя R1 и R2 также нельзя брать слишком малым, поскольку с уменьшением R1+R2 увеличивается мощность, потребляемая делителем от источника питания, и сильно шунтируется входная цепь транзистора.

Рассмотрим более подробно работу схем рис.9.7. Схему рис.9.7,б можно привести к схеме рис.9.7,а, воспользовавшись теоремой об эквивалентном генераторе для части схемы, расположенной левее вертикальной пунктирной линии.

Параметры эквивалентной схемы

Eб = EkRб2 /(Rб1 + Rб2), (9.9)

Rб = Rб1 Rб2 /(Rб1 + Rб2) (9.10)

Составим для схемы рис.9.9,а систему уравнений

(9.11.)

Отсюда получаем

I(2.12.)

(9.13)

Для схемы рис.9.9,б эти выражения принимают вид

(9.14 )

. (9.15 )

На основании выражений (9.12 ─ 9.15) по известным I_k, I_k0, S, E_k определяются величины R_б, R_б1, R_б2, R_э.'

17. Усилительный каскад с общим эмиттером

Для анализа процессов, происходящих в усилителе и вывода расчетных соотношений определяющих параметры усилителя, необходимо представление усилителя в виде эквивалентной схемы. Это позволяет провести вывод расчетных соотношений и расчет параметров усилителя (коэффициенты усиления по току KI, напряжению KU и мощности Kρ; входное Rвх и выходное Rвых сопротивления).

Рис. 3.8.. Принципиальная и эквивалентная схема усилителя с ОЭ и

эмиттерной стабилизацией.

В эквивалентной схеме связи между элементами показаны для цепей протекания переменного тока. Расчет параметров каскада производится для области средних частот усиления, где зависимость параметров от частоты минимальна и не учитывается в расчетах. При таком подходе считаем, что сопротивления всех емкостей в схеме пренебрежимо малы в рабочей полосе частот и представляют собой короткое замыкание. При этом из рассмотрения также исключается Rэ, а сопротивления R1 и R2, а также Rк и Rн включены попарно параллельно друг другу, поскольку сопротивление источника питания близко к нулю. Для уменьшения этого сопротивления в схеме дополнительно возможно включение блокировочного конденсатора, что позволяет локализовать токи транзистора в пределах одного каскада усиления и повысить устойчивость усилителя. Биполярный транзистор представлен рассмотренной выше трехточечной схемой замещения. Входной сигнал поступает на базу транзистора от генератора напряжения с внутренним сопротивлением Rг.

Цепь базы транзистора представлена на эквивалентной схеме объемным сопротивлением активной области базы rб, составляющим единицы-сотни Ом. Эмиттерный переход представлен дифференциальным сопротивлением rэ, лежащим в пределах единиц–десятков Ом. Закрытый коллекторный переход представлен дифференциальным сопротивлением rк, составляющим сотни кОм.

Из эквивалентной схемы можно получить следующие соотношения :

1) значение Uвых определяется выражением Uвых = −h21эIб (Rк || R’ ), где знак минус указывает на то, что выходное напряжение находится в противофазе со входным напряжением. Ток базы определяется выражением (2.58)

тогда (2.59)

2)Выходное сопротивление усилительного каскада определяется параллельным включением сопротивления Rк и выходным сопротивлением самого транзистора, близким по величине к rк. Обычно rк >> Rк , и считается, что выходное сопротивление определяется величиной резистора Rк (Rвых ≈ Rк ) и составляет единицы кОм. В идеальном усилителе напряжения (Rг = 0), который работает в режиме холостого хода (Rн = ∞), коэффициент усиления будет максимальным и равным: (2.60)

3) Входное сопротивление каскада представляет собой сопротивление

параллельного соединения резисторов R1, R2 и сопротивления входной цепи транзистора rвх R = R1 || R2 || rвх . Сопротивление входной цепи транзистора определяется как . Учитывая,

что через сопротивление rб протекает ток Iб, а через сопротивление rэ – ток (1+ h21э )Iб = Iэ получим(2.61)

Тогда входное сопротивление усилительного каскада определяется выражением Rвх = R1 || R2 || [rб + (1+ h21э )rэ ] (2.62)

Значение Rвх для каскада с ОЭ составляет сотни Ом или единицы кОм.

Если резистор Rэ в схеме не зашунтирован по переменному току конденсатором Сэ, то последовательно с rэ в эквивалентной схеме усилителя необходимо включать сопротивление Rэ. Входное сопротивление в этом случае определяется выражением Rвх = R1 || R2 || [rб + (rэ + Rэ )(1+ h21э )].(2.63)

Очевидно, что при исключении Сэ в усилителе возникает отрицательная обратная связи по переменному току, которая увеличивает входное сопротивление усилительного каскада уменьшает его усиление до величины порядка 2-5. Включение низкоомного делителя R1, R2, улучшающего температурную стабильность усилителя, значительно снижает его входное сопротивление.

4) Коэффициент усиления по току определяется отношением тока в нагрузке Iн ко входному току Iвх KI = Iн Iвх . Ток в базе и ток в нагрузке определяются следующими выражениями (2.64)

Подставив полученные соотношения в выражение для коэффициента усиления по току, получим

(2.65)

В идеальном усилителе тока (Rг = ∞ ), который работает в режиме короткого замыкания (Rн = 0), имеем KI = −h21э . При работе усилителя в области НЧ сопротивления конденсаторов Ср1 , Ср2 на низких частотах возрастают, что приводит к потере сигнала на емкостных сопротивлениях и уменьшению коэффициента усиления. Одновременно и возрастают частотные искажения сигнала

5)Коэффициент частотных искажений, вносимый разделительным конденсатором Ср1 определяется следующим выражением:(2.66)

где н Cр (Rг Rвх ) Cр1 1 τ = + – постоянная времени входной цепи усилительного каскада. Для Ср2 коэффициент частотных искажений определяется выражением

(2.67)

(2.68)

Величина Сэ также оказывает существенное влияние на величину Ku

в области НЧ С уменьшением частоты емкостное сопротивление Cэ возрастает, что приводит к росту влияния отрицательной обратной связи и уменьшению усиления.

На ВЧ существенное влияние оказывают только частотные свойства самого транзистора, в частности, величина его емкости Cк, которая включена параллельно нагрузке и с ростом частоты уменьшает полное сопротивление нагрузки усилителя.