Графически проиллюстрировать работу каскада с ОЭ можно, используя входные и выходные статические характеристики БТ, путем построения его динамических характеристик (ДХ) [5,6]. Вследствие слабой зависимости входной проводимости транзистора g от величины нагрузки, входные статические и динамические характеристики практически совпадают. Выходные ДХ - это прямые линии, которые в координатах   соответствуют уравнениям, выражающим зависимости между постоянными и переменными значениями токов и напряжений на нагрузках каскада  по постоянному и переменному току.

Процесс построения выходных динамических характеристик (нагрузочных прямых по постоянному  - , переменному -  току) понятен из рисунка 2.10.

Следует отметить, что простое построение  ДХ возможно только при активной нагрузке, т.е. в области СЧ АЧХ (см. рис.2.2), в областях НЧ и ВЧ нагрузочные прямые трансформируются в сложные кривые.                       

Построение ДХ и их использование  для графического расчета усилительного каскада подробно описано в [5,6].

         Нагрузки рассматриваемого каскада по постоянному и переменному току определяются как:

         Координаты рабочей точки  для  малосигнальных усилительных каскадов выбирают на линейных участках входной и выходной ВАХ БТ, используя в малосигнальных усилительных каскадах так называемый режим (класс) усиления А. Другие режимы работы каскадов чаще используются в усилителях мощности, и будут рассмотрены в соответствующем разделе.

При отсутствии в справочных данных ВАХ БТ, координаты рабочей точки могут быть определены аналитическим путем (см. рисунок 2.10):

,

где  - напряжение нелинейного участка выходных статических ВАХ транзистора, ;

         Если для малосигнальных каскадов в результате расчета по вышеприведенным формулам значения  и  окажутся, соответственно, меньше 2 В и 1 мА, то, если не предъявляются  дополнительные требования к экономичности каскада, рекомендуется брать те значения координат рабочей точки, при которых приводятся справочные данные и гарантируются оптимальные частотные свойства транзистора.

         Для расчета параметров усилительного каскада по переменному току удобно использовать методику, описанную в разделе 2.3, а БТ представлять моделью, предложенной в разделе 2.4.1.

         Полная электрическая схема усилительного каскада с ОЭ приведена на рис.2.11.

         В отличие от ранее рассмотренного каскада (рис.2.9) здесь применена эмиттерная схема термостабилизации (), обеспечивающая лучшую стабильность режима покоя, принцип ее работы будет рассмотрен далее. Конденсатор необходим для шунтирования  с целью соединения эмиттера транзистора с общим проводом на частотах сигнала (устранения обратной связи на частотах сигнала, вид и характер этой связи будет рассмотрен в соответствующем разделе).

         Приведем эквивалентную схему каскада для частот сигнала (рис.2.12).

         С целью упрощения анализа каскада выделяют на АЧХ области НЧ, СЧ и ВЧ (см. рис.2.2), и проводят анализ отдельно для каждой частотной области.

         Эквивалентная схема каскада в области СЧ приведена на рисунке 2.13.

         Как видно, эта  схема не содержит реактивных элементов, т.к. в области СЧ влиянием на АЧХ разделительных () и блокировочных () емкостей уже можно пренебречь, а влияние инерционности БТ и  еще незначительно.

         Проведя анализ схемы, найдем, что

,

где ;

,

где ;

.

        Эти соотношения получены в предположении, что низкочастотное значение внутренней проводимости транзистора  много меньше  и . Это условие (если не будет оговорено особо) будет действовать и при дальнейшем анализе усилительных каскадов на БТ. Такое допущение справедливо потому, что БТ является токовым прибором и особенно эффективен при работе на низкоомную нагрузку.

Эквивалентная схема каскада в области ВЧ приведена на рисунке 2.14.

         Поведение АЧХ в этой области определяется влиянием инерционности транзистора и емкости .

         Проведя анализ согласно методике раздела 2.4, получим выражение для коэффициента передачи каскада в области ВЧ:

,

где - постоянная времени каскада в области ВЧ.

         Постоянную времени каскада для удобства анализа представим так:

,

где  - постоянная времени транзистора (),

;

     - постоянная времени выходной цепи транзистора,

;

     - постоянная времени нагрузки,

.

         Входную проводимость представим в виде:

,

где  - входная динамическая емкость каскада,

.

         Выходная проводимость определится как

,

где - выходная емкость каскада, .

         Выражения для относительного коэффициента передачи  и коэффициента частотных искажений  в комментариях не нуждаются:

,

,

,

,

         По приведенным выражениям строится АЧХ и ФЧХ каскада в области ВЧ.

         Связь коэффициента частотных искажений  и  выражается как

.

         В n-каскадном усилителе с одинаковыми каскадами наблюдается эффект сужения полосы рабочих частот, который можно скомпенсировать увеличением верхней граничной частоты каскадов  до

.

         Эквивалентная схема каскада в области НЧ приведена на рисунке 2.15.

         Поведение АЧХ в этой области определяется влиянием разделительных () и блокировочных () емкостей.

         Влияние этих емкостей на коэффициент частотных искажений в области НЧ  каскада можно определить отдельно, используя принцип суперпозиции. Общий коэффициент частотных искажений в области НЧ определится как

,

где N - число цепей формирующих АЧХ в области НЧ.

         Рассмотрим влияние  на АЧХ каскада. Проведя анализ согласно методике раздела 2.4, получим выражение для коэффициента передачи в области НЧ:

,

где - постоянная времени разделительной цепи в области НЧ.

         Постоянная времени разделительных цепей в общем случае может быть определена по формуле

,

где  - эквивалентное сопротивление, стоящее слева от  (обычно это выходное сопротивление предыдущего каскада или внутреннее сопротивление источника сигнала),  - эквивалентное сопротивление, стоящее справа от  (обычно это входное сопротивление следующего каскада или сопротивление нагрузки).

         Для рассматриваемой цепи постоянная времени равна:

.

         Выражения для относительного коэффициента передачи и коэффициента частотных искажений в области НЧ таковы:

,

,

,

,

и в комментариях не нуждаются. По этим выражениям оценивается влияние конкретной цепи на АЧХ и ФЧХ каскада в области НЧ.

         Связь между коэффициентом частотных искажений и нижней граничной частотой выражается формулой

.

         Аналогичным образом учитывается влияние других разделительных и блокировочных цепей, только для блокировочной эмиттерной цепи постоянная времени приблизительно оценивается величиной   т.к. сопротивление БТ со стороны эмиттера приблизительно равно  (см. подраздел 2.4.1), а влиянием  в большинстве случаев можно пренебречь, т.к. обычно <<.

         Результирующую АЧХ и ФЧХ каскада в области НЧ можно построить, используя уже упоминавшийся принцип суперпозиции.

         В n-каскадном усилителе с одинаковыми каскадами наблюдается эффект сужения полосы рабочих частот, который в области НЧ можно скомпенсировать уменьшением нижней граничной частоты каскадов до .

         2.6. Термостабилизация режима каскада на биполярном

                транзисторе

         Параметры БТ в значительной мере подвержены влиянию внешних факторов (температуры, радиации и др.). В то же время, одним из основных параметров усилительного каскада является  его стабильность. Прежде всего, важно, чтобы в усилителе обеспечивался стабильный режим покоя.

         Проанализируем вопрос влияния температуры на стабильность режима  покоя БТ,  конкретно - .

         Существуют три основных фактора, влияющих на изменении  под действием температуры: при увеличении температуры, во-первых, увеличивается напряжение , во-вторых, обратный ток коллекторного перехода , и, в третьих, возрастает коэффициент .

         Для анализа реальный транзистор можно представить в виде идеального, у которого параметры не зависят от температуры, а  температурную зависимость смоделировать включением внешних источников напряжения и тока (рисунок 2.16).

         Рассмотрим  влияние этих факторов на приращение тока коллектора . Начнем с влияния изменения , вызванного тепловым смещением проходных характеристик , обозначив при этом приращение тока коллектора как :

 ,

где               -   приращение напряжения , равное:

|e|,

где          e   -    температурный коэффициент напряжения (ТКН),

 e-3мВ/град.,  Т - разность между температурой коллекторного перехода

перехода  и справочным значением этой температуры (обычно 25C):

,

,

где и   соответственно, мощность, рассеиваемая на коллекторном переходе в статическом режиме, и тепловое сопротивление “переход-среда”:

,

.

         Ориентировочное значение теплового сопротивления зависит от конструкции корпуса транзистора и обычно для транзисторов малой и средней мощности лежит в следующих пределах:

.

Меньшее тепловое сопротивление имеют керамические и металлические корпуса, большее - пластмассовые.

Отметим, что  берется положительным, хотя  имеет знак минус, это поясняется на рисунке 2.17.

         Определяем приращение тока коллектора , вызванного изменением обратного (неуправляемого) тока коллектора:

,

где приращение обратного тока   равно:

,

где a - коэффициент показателя, для кремниевых транзисторов a=0,13.

         Следует заметить, что значение, приводимое в справочной литературе, особенно для транзисторов средней и большой мощности, представляет собой сумму тепловой составляющей и поверхностного тока утечки, последний может быть на два порядка больше тепловой составляющей, и он практически не зависит от температуры. Следовательно, при определении   следует пользоваться приводимыми в справочниках температурными зависимостями  , либо уменьшать справочное значение  примерно на два порядка  (обычно  для кремниевых транзисторов составляет порядка ,  и порядка для германиевых, n=(1...9).

         Приращение коллекторного тока, вызванного изменением , определяется соотношением:

,

где ,  отн. ед./град.

         Полагая, что все факторы действуют независимо друг от друга, запишем:

.

         Для повышения термостабильности каскада применяют специальные схемы питания и термостабилизации. Эффективность таких схем коэффициентом термостабильности, который в общем виде представляется как:

.

         Учитывая различный вклад составляющих , разное влияние на них элементов схем термостабилизации, вводят для каждой составляющей свой коэффициент термостабильности, получая выражения для термостабилизированного каскада:

.

         Обычно , что обусловлено одинаковым влиянием на  и  элементов схем термостабилизации:

.

         Полученная формула может быть использована для определения  усилительного каскада при любой схеме включения в нем БТ.

         Рассмотрим основные схемы питания и термостабилизации БТ.

         Термостабилизация фиксацией тока базы. Схема каскада представлена на рисунке 2.18.

           определяется соотношением:

,

т.к. .

         Очевидно, что "фиксируется" выбором , при этом ослабляется влияние первого фактора нестабильности тока коллектора (за счет смещения проходных характеристик). Коэффициенты термостабилизации для этой схемы таковы:

,

.

         Отсюда видно, что данная схема имеет малую эффективность термостабилизации ().

         Коллекторная термостабилизация. Схема каскада представлена на рисунке 2.19а.

          определяется соотношением:

,

т.к. .

         Термостабилизация в этой схеме осуществляется за счет отрицательной обратной связи (ООС), введенной в каскад путем включения  между базой и коллектором БТ. Механизм действия ООС можно пояснить следующей диаграммой:

,

петля ООС 

где символами  и показано, соответственно, увеличение и уменьшение соответствующего параметра. Коэффициенты термостабилизации для этой схемы:

,

.

         Из этих формул видно, что данная схема имеет лучшую термостабильность ( и  меньше единицы), чем схема с фиксированным током базы.

         В схеме коллекторной термостабилизации ООС  влияет и на другие характеристики каскада, что должно быть учтено. Механизм влияния данной ООС на характеристики каскада будет рассмотрен далее. Схемные решения, позволяющие устранить ООС на частотах сигнала, приведены на рисунках 2.19б,в.

         В большинстве случаев, наилучшими свойствами среди простейших (базовых) схем термостабилизации обладает эмиттерная схема термостабилизации показанная на рисунке 2.20.

         Эффект термостабилизации в этой схеме достигается:

         ¨ фиксацией потенциала  выбором тока базового делителя .

         ¨ введением по постоянному току ООС  путем включения резистора . На частотах сигнала эта ООС устраняется шунтированием резистора  емкостью .

Напряжение   определяется как:

.

Механизм действия ООС можно изобразить следующей диаграммой:

петля ООС

где символами  и  показано, соответственно, увеличение и уменьшение соответствующего параметра. Эскизный расчет эмиттерной схемы термостабилизации маломощного каскада можно проводить в следующей последовательности:

¨ Зададимся током делителя, образованного резисторами R и R :

 ;

¨ выбираем ,и определяем номинал :

 ;

¨ определяем потенциал :

;

         ¨ рассчитываем номиналы резисторов базового делителя:

,

 ,

где ,  определяется при расчете сигнальных параметров каскада.

         Коэффициенты термостабилизации для этой схемы:

,

.

Здесь  - параллельное соединение резисторов  и .

         Для каскадов повышенной мощности следует учитывать требования экономичности при выборе  и .

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14