Схемы усилительных каскадов характеризуются большим разнообразием. Вместе с тем принцип построения главных цепей усилительных каскадов один и тот же, он показан на примере структурной схемы на рисунке 4.1, а.
Рисунок 4.1 - Принцип построения (а) и временные диаграммы (б) усилительного каскада
Основными элементами каскада являются управляемый элемент УЭ, функцию которого выполняет биполярный (полевой) транзистор и резистор R. Совместно с напряжением питания Е эти элементы образуют выходную цепь каскада. Усиливаемый сигнал U ВХ, принятый на рисунке 4.1 а) для простоты синусоидальным, подается на вход УЭ. Выходной сигнал U ВЫХ снимается с выхода УЭ или с резистора R. Он создается в результате изменения сопротивления УЭ и, следовательно, тока i в выходной цепи под воздействием, входного напряжения. Процесс усиления основывается на преобразовании энергии источника постоянного напряжения Е в энергию переменного напряжения в выходной цепи за счет изменения сопротивления управляемого элемента по закону, задаваемому входным сигналом. Ввиду использования для питания источника постоянного напряжения Е ток i в выходной цепи каскада является однонаправленным (рисунок 4.1 а). При этом переменный ток и напряжение выходной цепи (пропорциональные току и напряжению
входного сигнала) следует рассматривать как переменные составляющие суммарных тока и напряжения, накладывающиеся на их постоянные составляющие IП и UП и (рисунок 4.1 б).
Связь между постоянными и переменными составляющими должна быть такой, чтобы амплитудные значения переменных составляющих не превышали постоянных составляющих, т. е. IП ≥ Im и UП ≥ Um. Если эти условия не будут выполняться, ток i в выходной цепи на отдельных интервалах будет равен нулю, что приведет к искажению формы выходного сигнала. Таким образом, для обеспечения работы усилительного каскада при переменном входном сигнале в его выходной цепи должны быть созданы постоянные составляющие тока IП и напряжения UП. Задачу решают путем подачи во входную цепь каскада помимо усиливаемого сигнала соответствующего постоянного напряжения UВХП (или задания соответствующего постоянного входного тока IВХП).Постоянные составляющие тока и напряжения определяют так называемый режим покоя усилительного каскада. Параметры режима покоя по входной цепи (IВХП, UВХП) и по выходной цепи (IП, UП) характеризуют электрическое состояние схемы в отсутствие входного сигнала.
Показатели усилительных каскадов зависят от способа включения транзистора, выполняющего роль управляемого элемента. Анализ усилительных каскадов на биполярных транзисторах проводится для трех способов включения: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ).
| Рисунок 4.2 - Схема усилительного каскада ОЭ |
 |
Усилительный каскад с общим эмиттером. Схема усилителя с общим эмиттером представлена рисунке 4.2
Коэффициент усиления по напряжению усилителя с ОЭ приближенно равен отношению сопротивления в цепи коллектора rК сопротивлению в цепи эмиттера rЭ:
KU=rK/ rЭ
где rК - сопротивление в цепи коллектора, которое определяется параллельным соединением сопротивления коллектора Rk и сопротивления нагрузки RH.
rК = Rk * Rh /(Rk+Rh)
rЭ - дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода, равное 25мВ/IЭ. Для усилителя с сопротивлением RЭ в цепи эмиттера коэффициент усиления равен:
КU=rК / (rЭ +RЭ)
Входное сопротивление усилителя по переменному току определяется как отношение амплитуд синусоидального входного напряжения UBX и входного тока IВХ
rВХ= UВХ / IВХ
Входное сопротивление транзистора ri определяется по формуле:
ri = βrЭ
Входное сопротивление усилителя по переменному току r вх вычисляется как параллельное соединение сопротивлений ri, R1 и R2:
1/rвх = 1/R1+1/R2+1/ri
Значение дифференциального выходного сопротивления схемы находится по напряжению Uxx холостого хода на выходе усилителя, которое может быть измерено как падение напряжения на сопротивлении нагрузки, превышающем 200 кОм, и по напряжению Uвых, измеренному для данного сопротивления нагрузки RH, из следующего уравнения, решаемого относительно rВЫХ :
UВХ / Uxx = Rh /(Rh + rВЫХ)
Сопротивление RH 200 кОм можно считать разрывом в цепи нагрузки.
Усилительный каскад с общим коллектором.
Схема усилителя с общим коллектором или эмиттерного повторителя представлена на рисунке 4.3.
Рисунок 4.3 - Схема усилительного каскада ОК
Коэффициент усиления по напряжению усилителя с ОК определяется из следующего выражения:
KU=rЭ/ (rЭ+RЭ)
Как видно из выражения, коэффициент усиления каскада с общим коллектором приближенно равен единице, поскольку Rэ обычно мало по сравнению с сопротивлением rЭ. Из-за этого свойства каскад ОК называют эмиттерным повторителем. Входное сопротивление усилителя rВХ по переменному току определяется как отношение амплитуд синусоидального входного напряжения UBX и входного тока IВХ :
r ВХ = uBX / iBХ
Входное сопротивление эмиттерного повторителя по переменному току определяется следующим выражением: riэ = β / (rЭ + RЭ). В данном случае для определения входного сопротивления каскада нужно принять во внимание сопротивление резисторов R1 и R2. С учетом сказанного получим:
1/ Rвх= 1/R1+1/R2+1/ri
При расчете схем необходимо учитывать сопротивление нагрузки, включаемой параллельно сопротивлению эмиттера Rэ. Из выражений для входного сопротивления видно, что эмиттерный повторитель обладает высоким входным сопротивлением по сравнению с каскадом с ОЭ. В общем случае выходное сопротивление эмиттерного повторителя βAC+1 раз меньше сопротивления Rист источника сигнала на входе эмиттерного повторителя:
r вых = Rист /(βAC +1)+ r Э
Если сопротивление Rист источника сигнала на входе эмиттерного повторителя пренебрежимо мало, то выходное сопротивление эмиттерного повторителя будет равно дифференциальному сопротивлению перехода база-эмиттер:
rВЫХ = rЭ
В случае, когда сопротивление Rист на входе очень велико (сравнимо с βACRЭ), сопротивление Rэ должно быть учтено как включенное параллельно найденному выходному сопротивлению эмиттерного повторителя.
Экспериментально выходное сопротивление каскада можно определить по результатам двух измерений: измерения напряжения холостого хода Uxx (на выход каскада подключается сопротивление порядка 200 кОм и измеряется падение напряжения на нем) и измерения выходного напряжения Uвых при наличии нагрузки сопротивлением Rh. После измерений выходное сопротивление можно подсчитать по формуле:
r ВЫХ = Rh /(Uxx - Uвых)/ Uвых
Благодаря высокому входному и низкому выходному сопротивлениям каскад с общим коллектором очень часто
используют в качестве согласующего между источником и нагрузкой.
