Эмиттерный повторитель | Практическая электроника

Эмиттерный повторитель – это схема с Общим Коллектором (ОК). Вроде бы название должно говорить само за себя, а вот нет. Так что, не забывайте об этом 😉

Схема эмиттерного повторителя

Давайте разберемся, что значит словосочетание “эмиттерный повторитель”? Если досконально разобрать эту фразу, то она означает, что на эмиттере что-то должно повторяться.

Упрощенная схема эмиттерного повторителя выглядит вот так:

На первый взгляд  вроде бы схема как схема, но она обладает 4 важными свойствами:

1) Напряжение U_вых меньше U_вх  на каких-то 0,6-0,7 Вольт (падение напряжения на базе-эмиттере)

2)U_вых в точности  повторяет  по форме и фазе U_вх

3) Сопротивление со стороны входа (входное сопротивление) большое

4) Сопротивление со стороны выхода (выходное сопротивление) маленькое

Входное и выходное сопротивление

Раз уж упомянули про входное и выходное сопротивление, то как же его рассчитать? Оказывается, сопротивление со стороны входа (входное сопротивление) рассчитывается очень просто:

R_вх = R_э  х β,

где R_э – это сопротивление резистора в цепи эмиттера

β – коэффициент усиления по току

Также не стоит забывать, что когда мы цепляем нагрузку, то меняется и входное сопротивление, так как параллельно R_э мы цепляем какое-то сопротивление, являющееся нагрузкой.

Эмиттерный повторитель уменьшает выходное сопротивление источника сигнала в β раз. Допустим, если у нас выходное сопротивление источника сигнала равняется 500 Ом, а  β в схеме эмиттерного повторителя равняется 100, то на выходе эмиттерного повторителя мы уже получим источник сигнала с выходным сопротивлением в 5 Ом.

Но опять же, раз выходной сигнал у нас стает меньше на 0,6-0,7 Вольт, получается, что он даже меньше входного!?

Значит схема не усиливает напряжение, а даже его чуток ослабляет). Вот тебе и транзистор  – усилитель сигналов)) Но-но! Рано огорчаться. Так как входное сопротивление такой схемы большое, значит, мы можем нагрузить на вход эмиттерного повторителя какой-либо сигнал, не боясь, что он просядет, а на выход мы можем подключить низкоомную нагрузку. В этом и заключается вся прелесть 😉

Так, а теперь давайте представим, что было бы, если бы мы напрямую, без эмиттерного повторителя, подали сигнал в низкоомную нагрузку с генератора сигнала с высоким выходным сопротивлением? Да сигнал у нас просел бы в несколько раз! Чтобы это понять, читаем статью про входное и выходное сопротивление.

Для чего нужна эта схема

Значит, эмиттерный повторитель в электронике выполняет роль миротворца между источником сигнала с высоким выходным сопротивлением и низкоомной нагрузкой. Еще более простыми словами: эмиттерный повторитель понижает выходное сопротивление источника сигнала. В этом и заключается его роль в электронике 😉

Также запомните простое правило: эмиттерный повторитель дает усиление по току, а не по напряжению.  А так как повышается сила тока, следовательно, и мощность, отдаваемая в нагрузку, тоже будет больше, так как  P=IU , где  P  – это  мощность, I – сила  тока, U – напряжение.

Расчет эмиттерного повторителя

Наше техническое задание звучит так:

Ра  НННННннванвыавпНннаНаНННГггываYfit YFutYfsdfYYYYyhfsdfYf Рассчитать схему эмиттерного повторителя для звукового сигнала. +Uпит=12 Вольт.

1) Так как звук у нас представляет колебание как в одну, так и в другую сторону, следовательно, наш сигнал должен колебаться как в положительную, так и в отрицательную сторону. Поэтому, чтобы сигнал имел как можно больший размах, мы должны сделать так, чтобы он находился в середине активного режима. Так как мы сигнал будем снимать с эмиттера, следовательно,  в статическом режиме (то есть когда НЕ подаем сигнал на вход нашего эмиттерного повторителя) у нас напряжение на эмиттере должно быть равно половине напряжения питания. Или буквами:

U_э = U_пит / 2 = 12/2=6 Вольт

2) Чтобы зря не рассеивать на транзисторе тепло,  оптимальный ток покоя берут в 1 мА. Это значит, что по цепи +12В—–> коллектор——-> эмиттер—–>R_э —–>земля  должен течь ток с силой в 1 мА. Здесь мы не учитываем крохотный ток базы. Как этого добиться? Вспоминаем закон Ома для участка цепи и высчитываем номинал резистора:

I_э=U_э / R_э

R_э=U_э / I_э

R_э=6 В/0,001 А=6 000 Ом = 6 КилоОм.

Берем ближайший из ряда на 6,2 КилоОма

3) Какая же сила тока должна течь через базу-эмиттер, чтобы обеспечить ток покоя в 1 мА?  Так как в нашем примере ток эмиттера I_э почти равен току коллектора I_к  (если, конечно, не учитывать крохотный базовый ток) то вспоминаем формулу зависимости тока базы от тока коллектора:

Я взял транзистор КТ817Б,  замерял его  коэффициент усиления по току , то есть β,  и падение напряжения на переходе база-эмиттер с помощью транзистор-тестера:

Итого, β (hFE на транзистор-тестере) равно около 300, падение напряжения 0,55 Вольт.

Следовательно, I_б = I_к / β = 1/300 = 3,3 мкА

4)Высчитываем ток делителя напряжения, который образуют два резистора: R_б и R_э.  Его берут в основном в 10 раз больше, чем ток базы:

I_дел  = 10 х I_б  = 10 х 3,3 = 33 мкА.

5)Считаем напряжение на базе. Оно равняется:

U_б = U_э + U_бэ  = 6 + 0,55 = 6,55 Вольт.

6)Теперь для простоты расчета чертим небольшую схемку:

Из закона Ома получаем следующие расчеты:

R_бэ = 6,55  В / 33 мкА = 200 КилоОм. Берем ближайший из ряда на 200 КилоОм.

Так как сумма падений напряжений на резисторах равняется Uпит, следовательно, на R_б  будет напряжение 12-6,55 = 5,45 Вольта.

R_б  = 5,45 В / 33 мкА = 165 КилоОм. Берем ближайший из ряда на 150 КилоОм.

7)Конденсаторы в схеме нам служат для того, чтобы убрать постоянную составляющую, то есть постоянный ток, который присутствует на базе и эмиттере. Нам ведь нужен только переменный сигнал без примеси постоянного тока, так ведь? Для выбора конденсаторов правило простое:

постоянная времени RС-цепи должна быть больше периода передаваемого сигнала самой низкой частоты примерно в 100 раз. 

Не будем сейчас говорить от дифференциальных и интегральных цепях (блин, голова заболела от одного их упоминания ), а просто разберемся, как высчитывается постоянная времени RC- цепи. Назовем ее t . Вычисляется она по формуле:

t=R_вх х C1

Входное сопротивление эмиттерного повторителя высчитывается по формуле:

R

вх = R_э х β = 6000 х 300 = 1,8 МегаОм.

Для звукового сигнала самая низкая частота – это 20 Герц (предел слуха человека средних лет), находим период и значение конденсатора:

T=1/f

R_вх х C1=100 х 1/f

R_вх х С1 = 100 х 0,05

1,8 х 10⁶  х С1 = 5

С1= 5 / 1,8 х 10⁶  = 2,7 мкФ. То есть берем конденсатор от 2,7 мкФ. Думаю, 10 мкФ будет самое оно.

С2  – это вход какого-либо следующего каскада, следовательно, он рассчитывается аналогично. В нашем примере возьмем его на 100 мкФ, так как чем низкоомнее нагрузка, тем большая емкость должна быть на выходе каскада.

Следовательно, вся наша схема будет с такими параметрами:

Собираем схему в реале и проверяем в деле:

Итак, входной сигнал у нас будет красным цветом, выходной – желтым. Подаем сигнал с генератора частоты  амплитудой в 0,5 Вольт. Не цепляем пока никакую нагрузку и смотрим, что у нас получилось:

Как вы видите, у нас получилось два абсолютно одинаковых сигнала, которые даже по фазе повторяют друг друга.  Короче говоря, что на входе, то и на выходе.

Но фишка немного в другом. Давайте я сейчас нагружу входной сигнал резистором в 500 Ом. Область, выделенную штрихпунктирной линией мы пока что НЕ рассматриваем.

Какое напряжение U_вх у нас сразу станет? Все зависит от выходного сопротивление генератора. Так как я подаю сигнал через делитель напряжения, сделанный на потенциометре, следовательно, у меня красный сигнал очень сильно просядет, что мы и видим на осциллограмме ниже. На желтый пока что не обращайте внимание.

Но что будет, если я нагружу этот сигнал  тем же самым резистором в 500 Ом через эмиттерный повторитель? Ставим резистор на выход эмиттерного повторителя:

Смотрим осциллограмму:

Входной сигнал даже не просел, даже тогда, когда мы его нагрузили через эмиттерный повторитель ;-).

А где же та самая обещанная просадка напряжения  в 0,6-0,7 Вольт? Если бы мы подавали сигнал сразу на базу, без делителя напряжения на резисторах R_б и R_{бэ ,} то мы увидели бы просадку.

Недостатки эмиттерного повторителя

Есть, конечно, большой минус эмиттерного повторителя. Заключается он в том, что сигнал на выходе тупо срезается при отрицательной полуволне при сильной низкоомной нагрузке. Поставив резистор в 100 Ом, у нас получается вот такой ералаш:

Но почему так произошло?

Не хочу приводить дотошные формулы и выводить их, просто скажу, что из-за слишком низкоомной нагрузки, у нас получается так, что на эмиттере напряжение стает больше, чем на базе, а следовательно, транзистор тупо “затыкается”, так как в этом случае PN-переход оказывается включен в обратном направлении.

Как же с этим бороться?

Можно уменьшить R_э , но тогда и ток покоя будет больше, что приведет опять же к расточительству электроэнергии и нагреву транзистора.

Другой вариант, взять так называемый транзистор Дарлингтона, который имеет очень большое входное сопротивление порядка 10 Мегаом и обладает большим коэффициентом усиления β . Все дело в том, что такой транзистор состоит из двух транзисторов, коэффициент усиления которого будет равен:

β_общее = β₁  х β₂

где

β₁  – коэффициент усиления первого транзистора

β₂ – коэффициент усиления второго транзистора

Вот так выглядит транзистор Дарлингтона:

Заключение

Также в ретроусилителях мощности уже не парятся и используют эмиттерные повторители в так называемом режиме работы класса B, где усиливается по току только одна полуволна сигнала каждым транзистором. А если честно, лучше вообще забить на этот эмиттерный повторитель, так как есть радиоэлементы, которые не надо рассчитывать и которые выдают усиление во много раз превосходящее, чем у эмиттерного повторителя и без всяких заморочек.

Усилители с общей базой и общим коллектором

Усилитель с общей базой

На рис. 24.1 показан усилитель, где транзистор включен по схеме с общей базой (ОБ). Необходимое смещение создают два отдельных источника питания. Разделительный конденсатор С₁ обеспечивает передачу пере­менного входного сигнала на эмиттер транзистора (входное напряжение прикладывается между эмиттером и базой). Выходной сигнал снимается с нагрузочного резистора R₄.

На рис. 24.2 приведена практическая схема усилителя промежуточной частоты с одним источником питания. Нагрузкой усилителя являет­ся резонансный контур С₃L₁ с трансформаторной связью. С₁ – входной разделительный конденсатор, резисторы R₁ и R₂ образуют цепь смещения по постоянному току, R₃ — эмиттерный резистор. Развязывающий конденсатор С₂ обеспечивает сохранение на базе транзистора нулевого потенциала по переменному току. В данном случае развязывающий конденсатор присоединен к положительной шине источника питания, а не с шасси. Это допустимо, поскольку по переменному току (то есть для переменного сигнала) потенциал этой шины равен нулю. Потенциалы положительной шины источника питания и шасси отличаются только по постоянному току.

Усилитель с ОБ имеет низкое входное сопротивление (50-100 Ом) и низкий коэффициент усиления по сравнению с усилителем по схеме с ОЭ. Преимущество этого усилителя – хорошие частотные характеристики (широкая полоса пропускания). Поэтому усилители с ОБ используют­ся при очень высоких частотах, например в качестве усилителей РЧ в радиоприемниках и телевизорах, усилителей ПЧ в ЧМ-приемниках и т. д.

Рис. 24.1. Усилитель с ОБ. Источники питания Е₁ и Е₂ задают режим усилителя по постоянному току.

 

Рис. 24.2. ТипичныйУПЧ по схеме с ОБ. 

Фазовые соотношения

При уменьшении входного сигнала потенциал эмиттера уменьшается от­носительно потенциала базы, ток I_c увеличивается и увеличивает падение напряжения на коллекторном резисторе. В результате уменьшается вы­ходное напряжение. Таким образом, усилитель с ОБ не изменяет фазу входного сигнала при его усилении.

Усилитель с общим коллектором

На рис. 24.3(а) показан усилитель, где транзистор включен по схеме с об­щим коллектором. Здесь С₁ и С₂ – входной и выходной разделительные конденсаторы, резисторы R₁ и R₂ образуют цепь смещения по постоянно­му току. Коллекторный резистор отсутствует, так как выходной сигнал снимается с эмиттера. На рис. 24.3(б) представлен обычный способ изображения схемы усилителя с ОК. Выходной сигнал действует на эмиттерном резисторе R₃, и поэтому данная схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерный повторитель имеет высокий коэффициент усиления по току и меньший единицы коэффициент усиления по напря­жению. Такое значение коэффициента усиления по напряжению связано с действием 100 %-ной отрицательной обратной связи через резистор R₃.

Фазовые соотношения

При увеличении входного сигнала потенциал базы увеличивается отно­сительно потенциала эмиттера, т. е. увеличивается напряжение V_BE, и соответственно увеличивается падение напряжения на эмиттерном рези­сторе, являющегося выходным напряжением. Таким образом, усилитель с ОК не изменяет фазу входного сигнала при его усилении.

 

Рис. 24.3. Эмиттерный повторитель, или усилитель с ОК, (а)

и стандартное изображение его схемы (б).

Таблица 24.1. Сравнение усилителей с ОЭ, ОБ и ОК

Конфигу­рация	Входное сопротивление	Выходное сопротивление	Инвертиро­вание фазы	Преимущества
ОЭ	1-2 кОм	10-50 кОм	Да	Высокое усиление по току и мощности
ОБ	Очень низкое	Очень высокое	Нет	Хорошие частотные характеристики
ОК	Очень высокое	Очень низкое	Нет	Низкое выходное сопротивление, высокий коэффициент усиления по току

 

Добавить комментарий

11 Усилительный каскад с общим коллектором » СтудИзба

3.3 Усилительный каскад с общим коллектором (ОК)

Простейший ЭП представлен на рисунке 3.3.1 –а, и содержит транзистор и резистор, включенный в цепь эмиттера. Входной сигнал подается между базой и «землей». Изменение отпирающего напряжения на базе транзистора относительно эмиттера от нуля до напряжения насыщения базы вызывает изменение сопротивления (идеального) транзистора от бесконечности до нуля, из-за чего выходное напряжение изменяется от нуля до Е_К. Т.е. входной и выходной сигналы совпадают по фазе. Из-за чего усилитель с общим коллектором получил

второе название, более точно описывающее его свойства — эмиттерный повторитель (ЭП) . Аналогом такой схемы является делитель напряжения, рис. 3.3.1-б. Из рис. 3.3.1-а вытекает, что входное напряжение можно представить в виде суммы:

                                                            (3.3.1)

Поскольку U_RЭ = U_ВЫХ , из выражения (3.3.1) вытекает, что выходное напряжение всегда меньше входного на величину падения напряжения U_БЭ. Заменив U_RЭ = I_ЭR_Э выражение (3.3.1) можно переписать

            ,                        (3.3.2)

из чего следует, что усилитель охвачен стопроцентной отрицательной обратной связью по току, которая, как показано в разделе 3.2, повышает температурную стабильность усилителя. Более совершенная схема ЭП содержит один или два базовых резистора для задания положения рабочей точки транзистора и разделительные конденсаторы для гальванической развязки с источником сигнала и нагрузкой. Включение С_Э, аналогично усилителю ОЭ, привело бы к шунтированию выходного сигнала на ВЧ, из-за чего в ЭП такой конденсатор ставить нельзя.

 Для расчета режима каскада ОК (рис. 3.3.2) составляют уравнения Кирхгофа для входной и выходной цепей усилителя:

                                                                  (3.3.3)

                                                                              (3.3.4)

Решая их с учетом (3.2.15), получим

                                  (3.3.5)

                                               (3.3.6)

                                      (3.3.7)

При графическом методе расчета используют статические выходные характеристики транзистора в схеме ОЭ. Поэтому в уравнении (3.3.7) заменяют ток I_Э близким ему значением I_К, т. е. I_К≈ I_Э.

Формулы (3.3.5), (3.3.6), (3.3.7) применимы для расчета режима усилителей на рис. 3.3.2. При этом в каскаде на рис. 3.3.2-а роль источника Е_Б выполняет источник Е_К (Е_Б = Е_К), а для усилителя на рис. 3.3.2-б

             ,                              (3.3.8)

Для определения основных параметров каскада ОК составляют малосигнальную эквивалентную схему (рис. 3.3.3), считая, что в области средних частот

                                                                        (3.3.9)

1. Входное сопротивление. Входное сопротивление транзистора,определяемое между точками 0-0’, равно

                                            (3.3.10)

где R_ЭН = R_ЭR_Н /(R_Э + R_Н). Если считать r_К→∞, то с учетом (3.2.15)

                                                    (3.3.11)

Входное сопротивление каскада велико и составляет от десятков до сотен кило-Ом. Оно определяется в основном вторым слагаемым выражения (3.3.11) и оценивается приближенной формулой

                                               (3.3.12)

Большое входное сопротивление обусловлено последовательной отрицательной обратной связью по напряжению, создаваемой сопротивлением R_ЭН. Сопоставляя структуру выражения (3.3.11), полученного при r_К→∞, со схемой рис. 3.3.3, можно установить, что второе слагаемое этого выражения эквивалентно сопротивлению эмиттерной цепи транзистора (с учетом действия отрицательной обратной связи). Если учесть влияние сопротивления r_К, подключенного параллельно эмиттерной цепи транзистора, то получается

                 (3.3.13)

Из последнего выражения следует, что входное сопротивление транзистора не может быть больше величины r_К даже при сколь угодно больших сопротивлениях R_ЭН.

Входное сопротивление каскада, определяемое между точками 1-1′,

                                                                             (3.3.14)

Так как R_ВХ.Т обычно велико, то сопротивление R_Б сильно шунтирует вход каскада и пользоваться упрощенным выражением R_ВХ ≈ R_ВХ.Т не всегда допустимо.

Для увеличения входного сопротивления надо выбирать R_Б >> R_ВХ.Т, что не всегда можно реализовать в практических схемах.

2. Коэффициент усиления ЭДС и напряжения. Из эквивалентной схемы рис. 3.3.3 следует, что

                      

Если считать R_Б >> R_ВХ.Т ,что эквивалентно i_Б≈ i_ВХ и учесть (3.2.15) и (3.3.12), то

                                                                                                                                                            (3.3.15)

Так как β +1=1/(1-α), то

                                                (3.3.16)

                                        (3.3.17)

Из полученных формул видно, что в усилителе ОК нет усиления сигнала по напряжению (K_e<1, К_и<1). Однако при R_ВХ.Т >> R_Г, что равносильно неравенству (1-α)(R_Г+r_Б) <<r_Э+R_ЭН, коэффициенты усиления К_е и К_u близки к единице.

3. Коэффициент усиления тока. Из эквивалентной схемы на рис. 3.3.3 можно записать, что i_ВХR_ВХ = i_бR_ВХ.Т, а i_ЭR_ЭН = — i_ВЫХR_Н. Тогда с учетом (3.2.15), (3.314) и

                                                                                (3.3.18)

получим

                               (3.3.19)

Знак «-» в (3.3.19) означает, что реальное направление выходного тока i_ВЫХ противоположно выбранному положительному направлению (рис. 3.3.3).

Максимальное значение K_i будет при R_Э> R_Н и R_Б> R_ВХ.Т :

                                  ,                                                  (3.3.20)

что значительно больше единицы.

4. Коэффициент усиления мощности. Так как K_i >> 1,и К_и ≈ 1, то

К_P= K_i К_и>1.

5. Выходное сопротивление. При расчете выходного сопротивления исходят из общего определения . Для этого по упрощенному выражению (3.3.17) составляют эквивалентную схему каскада рис. 3.3.4,(СХЕМУ НАРИСОВАТЬ) в которой связь между током i_Э и ЭДС e_Г сохраняется такой же, как и в схеме на рис. 3.3.3. В этом можно убедиться, получив К_е непосредственно из схемы рис. 3.3.4.

Из схемы на риc. 3.3.4 находят выходное напряжение холостого хода (R_Н→∞)

                                                        (3.3.21)

и выходной ток короткого замыкания

                                                                 (3.3.22)

Откуда

              (3.3.23)

Выходное сопротивление каскада состоит из двух параллельно включенных сопротивлений: R_Э и выходного сопротивления транзистора. Тогда ив формулы (3.3.23) следует, что

                                         (3.3.24)

Так как обычно R_Э >>R_ВЫХ.Т, то

                                        (3.3.25)

Таким образом, выходное сопротивление каскада ОК весьма мало и составляет десятки Ом.

Проведенный анализ показывает, что усилительный каскад ОК не усиливает напряжения, но дает усиление тока и мощности. Коэффициент усиления тока в этом каскаде наибольший из всех рассмотренных. Каскад обладает наибольшим входным и очень малым выходным сопротивлением.

Большое входное и малое выходное сопротивление позволяют использовать усилитель ОК в качестве согласующего каскада для передачи сигнала от источника с большим внутренним сопротивлением в низкоомную нагрузку. Обычно ЭП ставят на входе электронного устройства, если известно, что источник сигнала – высокоомный, или на выходе для обеспечения большого тока в нагрузку. В основе компенсационного стабилизатора напряжения также лежит эмиттерный повторитель.

12.3 . Усилительный каскад с общим коллектором

(эмиттерный повторитель)

Схема усилительного каскада с ОК приведена на рис.12.3 ,а. Для схем с ОК коллектор через очень малое внутреннее сопротивление источника питания по переменному сигналу (емкость источника питания велика) соединен с землей, при этом вывод коллектора является общим для входной и выходной цепей усилителя. Резистор нагрузки включен в эмиттерную цепь..

При этом из схемы каскада с ОК можно увидеть, что

.

а)

б)

Рис.12.3. Принципиальная и эквивалентная схема усилителя на БТ с ОК

Поскольку для переменного тока сопротивление прямосмещенного перехода очень мало ( единицы Ом), то выходное напряжение приблизительно равно входному. В связи с этим каскад с ОК называют эмиттерным повторителем. Поскольку Rэ не зашунтирован конденсатором (как в схеме с ОЭ), в усилителе с ОБ действует глубокая отрицательная ОС по постоянному току. Температурная стабилизация в каскаде ОК обеспечивается резистором R_э.

Начальный ток смещения в режиме покоя, т.е. при задают с помощьюR₁, R₂ и R_э таким, чтобы рабочая точка в режиме покоя находилась примерно посередине линейного участка входной характеристики. Разделительные конденсаторы ивыполняют те же функции, что и в каскаде с ОЭ.

Расчет каскада по постоянному току проводят по аналогии с каскадом с ОЭ. Исходя из эквивалентной схемы, представленной на рис. 3.10,б. можно отметить следующие характеристики усилителя с ОК

1. Коэффициент усиления по напряжению каскада с ОК

относительно входного генератора равен

. (12.17)

2) Коэффициент усиления по току равен ,(12.18)

где ;(12.19)

.

Следовательно K_I равен

. (12.20)

Анализ выражения показывает, что каскад с ОК имеет коэффициент усиления по току больше, чем каскады с ОЭ и ОБ.

3) Входное сопротивление каскада ОК определяется параллельным соединением резисторов R₁, R₂ и сопротивлением входной цепи транзистора r_вх

. (12.21)

Входное сопротивление цепи транзистора равно

. (12.22)

Очевидно ,что сопротивление входной цепи транзистора r_вх и входное сопротивление всего каскада с ОК больше чем в схеме с ОЭ и достигает 200…300 кОм.

Высокое входное сопротивление является одним из главных преимуществ каскада с ОК. Это требуется в случае применения каскада в качестве согласующего устройства при работе от источника входного сигнала с большим внутренним сопротивлением.

4) Выходное сопротивление каскада с ОК представляет собой сопротивление схемы со стороны эмиттера и определяется

. (12.23)

Выходное сопротивление каскада с ОК мало порядка десятков Ом (10…50 Ом) и сильно зависит от внутреннего сопротивления источника сигнала. Малое выходное сопротивление очень важно при использовании каскада в качестве согласующего устройства для работы на низкоомную нагрузку.

В целом усилитель с ОК характеризуется: высоким входным сопротивлением (порядка сотен килоом), зависящим от сопротивления нагрузки; низким выходным сопротивлением (порядка единиц Ом), зависящим от внутреннего сопротивления источника сигнала; высоким коэффициентом усиления по току; коэффициентом усиления по напряжению, меньшим единицы; совпадением по фазе входного и выходного напряжений.

Усилитель по схеме с общим коллектором

Усилитель по схеме с общим коллектором (ОК) (см. рис.14.4) обладает большим значением R_вх и малымR_вых.Этим он выгодно отличается от каскада с общим эмиттером. Однако коэффициент усиления по напряжениюК_б1. Поэтому каскад с ОК нашел применение как буферный. Он включается между маломощным источником сигнала и каскадом с ОЭ либо между каскадом с ОЭ и низкоомной нагрузкой.

В схеме каскада с ОК резистор R_бобразует цепь смещения с фиксацией тока покоя базы. Коллектор транзистора подключен к источнику питанияЕ_к. В эмиттерную цепь введен резисторR_э. Он обеспечивает стабилизацию режима работы транзистора за счет ООС по току. НагрузкаR_Hподключается к эмиттерной цепи через разделительный конденсаторС_Р. Последний исключает попадание постоянной составляющей тока эмиттера в нагрузку. При таком включении приращение входного и выходного сигналов совпадают по знаку, каскад неинвертирующий.

Входная цепь по переменной составляющей включает участок база-эмиттер с сопротивлением R_бэ, резисторR_эи параллельно соединенный с ним резисторR_H. Поэтому:

.

Обозначим

.

Тогда .

Теперь легко определить входное сопротивление каскада:

. (14.12)

Например, R_бэ= 10³ Ом;= 50;R_э=R_Н= 400.

Тогда R_вх= 11200 Ом.

Коэффициент усиления по напряжению

. (14.13)

Для приведенного примера

Чтобы обеспечить наилучшие условия передачи мощности в нагрузку значение R_э, как правило принимают равнымR_H.

В заключение отметим, что сигнал на выходе каскада с ОК повторяет форму входного сигнала (К_Uблизок к единице, инверсия отсутствует). Именно поэтому за каскадом закрепилось название эмиттерный повторитель.

4.Операционный усилитель

Современные разработчики электронной аппаратуры стремятся использовать готовые функциональные узлы в виде интегральных микросхем (ИМС). Схемные решения ИМС тщательно проработаны и обеспечивают высокое качество аппаратуры. Предприятия, выпускающие микросхемы, заинтересованы в их сбыте. Поэтому они стремятся разработать универсальные микросхемы, которые можно применять в качестве различных функциональных узлов. Это повышает их спрос. Одной из таких ИМС является операционный усилитель (ОУ).

ОУ имеет чрезвычайно высокий коэффициент усиления по напряжению (десятки и даже сотни тысяч), большое входное сопротивление (сотни кОм), малое выходное сопротивление ( десятки — сотни Ом). Он усиливает широкий спектр частот, вплоть до постоянной составляющей.

Схемное обозначение ОУ приведено на рис. 14.5а. На рис. 14.5б приведена упрощенная структурная схема. Она включает симметричный дифференциальный каскад (по схеме рис.14.3), несимметричный дифференциальный каскад (у него сигнал снимается с коллектора Т₂) и эмиттерный повторитель, Первые два каскада обеспечивают высокий коэффициент усиления, а третий каскад — малое выходное сопротивление.

Недостатки операционного усилителя:

1. Коэффициент усиления ОУ К_Uменяется от экземпляра к экземпляру в очень широких пределах. Например, для ОУ серии К153УД1

2. Коэффициент усиления К_Uсильно зависит от температуры окружающей среды. Это обусловлено зависимостью от температуры коэффициента передачи тока базы транзисторов —.

Такая нестабильность К_Uсильно затрудняет применение ОУ непосредственно в качестве усилителя. Кроме того, большое значениеК_Uограничивает линейный участок передаточной характеристики ОУ очень малыми напряжениями по входу (см.рис.14.6а). Например, еслиК_б=20000, а максимальное напряжение на выходе ОУ —, то максимально допустимый диапазон изменений входного напряжения лежит в пределах. При увеличении входного напряжения за эти границы выходное не будет изменяться. Появляются нелинейные искажения сигнала.

Значительно уменьшить недостатки ОУ позволяет применение ОС. Схема ОУ с ОС приведена на рис. 14.6б. Входной сигнал подается на прямой вход ИМС. С выхода ОУ напряжение ОС через делитель R₁R₂поступает на инвертирующий вход ОУ

. (14.14)

Выходное напряжение ОУ представляется разностью U_вх—U_ОС. Такая ОС называется отрицательной ООС.

При высоких значениях К_Uразностью (U_вх— U_OC)можно пренебречь, полагая. Тогда коэффициент усиления ОУ с ООСК_Uocлегко определить с учетом (14.14)

==. (14.15)

Видим, что К_Uocопределяется лишь отношением сопротивлений(R₁ + R₂)/R₁и не зависит отК_U, т.е. все дестабилизирующие факторы ликвидированы. В практических схемах значения сопротивлений следует выбирать в пределах 10³10⁶Ом. Например, приR₁= 210³Ом иR₂= 210⁵Ом.К_Uос= 101. Теперь передаточная характеристика ОУ с ОС будет иметь достаточно большую область линейного участка. Для наших примеров диапазон входного сигнала расширяется до значения0,1В (пунктир на рис. 14.6а).

Схема инвертирующего ОУ с ООС приведена на рис. 14.6 в. В этой схеме входной сигнал и сигнал ООС поступают на инвертирующий вход ОУ. При этом происходит сложение токов I_вхиI_oc. Коэффициент усиления в этой схеме определяется отношением

.

Знак минус указывает, что фазы входного и выходного сигналов противоположны.

Таким образом, введение ООС в схему ОУ позволяет повысить стабильность коэффициента усиления, расширить линейный участок передаточной характеристики и снизить искажения при передаче сигналов большой амплитуды.

Транзисторные усилители

3.1 Усилитель с общим эмиттером

Схема усилителя с общим эмиттером представлена на рис.3.1

Коэффициент усиления по напряжению с ОЭ приближенно равен отношению сопротивления в цепи коллектора r_K к сопротивлению в цепи эмиттера r_Э :

К_У = r_K / r_Э ,

где r_K– сопротивление в цепи коллектора, которое определяется параллельным соединением сопротивления коллектора R_K и сопротивлением нагрузки R_H, r_Э – дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода, равное r_Э = 25мВ/I_Э.

Рис.3.1

Для усилителя с сопротивлением R_Э в цепи эмиттера коэффициент усиления равен:

K_У = .

Входное сопротивление усилителя по переменному току определяется как отношение амплитуд синусоидального входного напряжения u_ВХ и входного тока i_ВХ :

r_ВХ = .

Входное сопротивление транзистора r_i определяется по формуле :

r_i = r_Э .

Входное сопротивление усилителя по переменному току r_ВХ вычисляется как параллельное сопротивление соединений r_i , R₁ , R₂ .

1 / R = 1 / R₁ + 1 / R₂ + 1 / r_I

Значение дифференциального выходного сопротивления схемы находится по напряжению u_XX холостого хода на выходе усилителя, которое может быть измерено как падение напряжения на сопротивление нагрузки, превышающем 200 кОм, и по напряжению u_ВЫХ, измеренному для данного сопротивления нагрузки R_H, из следующего уравнения, решаемого относительно r_ВЫХ:

= .

Сопротивление R_H200 кОм можно считать разрывом в цепи нагрузки.

3.2. Усилитель с общим коллектором.

Схема усилителя с общим коллектором или эмиттерного повторителя представлена на рис.3.2

Рис.3.2

Коэффициент усиления по напряжению с ОК определяется из следующего выражения:

K_У = .

Как видно из выражения, коэффициент усиления каскада с общим коллектором приближенно равен 1, поскольку r_Э обычно мало по сравнению с сопротивлением R_Э. Из—за этого свойства каскад называют эмиттерным повторителем.

Входное сопротивление усилителя г_ВХ по переменному току определяется как от­ношение амплитуд синусоидального входного напряжения u_ВХ входного тока i_ВХ:

r_ВХ =

Входное сопротивление эмиттерного повторителя по переменному току определяется следу­ющим выражением :

r_iЭ = (r_Э + R_Э). (—h_21Э)

В данном случае для определения входного сопротивления каскада нужно принять во вни­мание сопротивление резисторов R₁ и R₂. С учетом сказанного получим:

1 / R_ВХ = 1 / R₁ + 1 / R₂ + 1 / r_iЭ .

Также при расчете схем необходимо учитывать сопротивление нагрузки, которая включа­ется параллельно сопротивлению эмиттера R_Э :

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 в _АС +1 раз меньше со­противления R_ИСТ источника сигнала на входе эмиттерного повторителя:

r_ВЫХ = .

Если сопротивление R_ИСТ источника сигнала на входе эмиттерного повторителя пренебре­жимо мало, то выходное сопротивление эмиттерного повторителя будет равно дифференциаль­ному сопротивлению перехода база-эмиттер:

r_ВЫХ = r_Э

В случае, когда сопротивление R_ИСТ источника сигнала на входе очень велико (сравнимо с _АСR_Э)), сопротивление R_Э 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 U_ХХ (на выхол каскада подключается сопротивление порядка 200 кОм и измеряется падение напряжения на нем) и измерения выход­ного напряжения U_ВЫХ при наличии нагрузки сопротивлением R_Н. После измерений выходное сопротивление можно подсчитать по формуле:

r_ВЫХ = .

Благодаря высокому входному и низкому выходному сопротивлению данная схема используется в качестве согласующего между источником и нагрузкой.

Пример 3.1 Спроектируем усилитель по схеме на рис.3.1, обеспечивающий коэффициент по напряжению К = 5 в диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц, имеющий входное сопротивление R_ВХ>5 кОм и обеспечивает эффективное значение выходного напряжение не менее 2В эфф на нагрузке 40 кОм.

В цепь эмиттера включен резистор R_Э , через который осуществляется отрицательная обратная связь (ООС) по току, обеспечивающая высокую термостабильность усилителя и повышающая его входное сопротивление.ООС по току действует следующим образом—пусть , например, ток коллектора на резисторе по каким—либо дестабилизирующим причинам увеличится. Тогда увеличится падение на резисторе R_Э, уменьшается напряжение база—эмиттер, следовательно, уменьшается ток коллектора. Для эффективной термостабиллиза-

ции рабочей точки падение напряжения на резисторе R_Э выбирают в пределах 0,5—1В. Применение базового делителя на резисторах R1, R2 позволяет рассчитать положение рабочей точки транзистора без подбора его по h_21Э (при расчете базового делителя R1, R2 ориентируются на минимальное значение h_21Э для данного выбранного транзистора).

1. Определяем напряжение источника питания Е = 3,5x U_ВЫХ=3,5х2=7В.

2. Определяем напряжение U_КЭ:: U_КЭ=Е/2=3,5B.

3. Находим R_K: R_K=R_H/10=4 кОм.

4. Находим ток коллектора I_K=(E—U_КЭ)/R_K=0,9 мА.

5. Задаемся падением напряжения 0,5В на резисторе R_Э. Тогда R_Э=0,5/0,9=560 Ом.

6. Коэффициент усиления по напряжению: К=R_K/R_Э=7

7. Выбираем транзистор КТ 315Б имеющий h_21Э100.

8. Находим ток базы : I_б=I_K/h_21Э=0,01 мА.

9. Выбираем ток через делитель напряжения R1,R2 : I_Д=10хI_б=0,1 мА.

10. Определяем потенциал на базе: U_б=U_Э+0,6=1,1В

11. Находим R2: R2=U_б/I_Д=1,1В/0,1мА=11 кОм.

12. Находим R1: R1=(E—U_б)/I_Д=6В/0,1мА=60 кОм.

13. Находим R_ВХ: R_ВХ=R1IIR2IIh_21ЭхR_Э=7,5 кОм.

14. Находим С₁ = 1 / 3.14 fR (входное полное сопротивление тр – ра)

15. Находим С₂ = 1/ 6.28 fR (входное полное сопротивление тр – ра)

f – нижняя граничная частота в Гц.

Расчетная схема усилителя ОЭ приведена на рис.3.3

1 / R = 1 / R₁ + 1 / R₂ + 1 / r_I — расчет полного входного сопротивления транзистора, где r_I= 25mV / I_Э

Рис.3.3

На рис.3.4 изображена схема с общим коллектором, называемым также схемой эмиттерного повторителя (ЭП). Эта схема усиливает ток , но не усиливает входное напряжение. Коэффициент передачи ЭП по напряжению около 1, отсюда название «повторитель». Для расчета ЭП задаются потенциалом на эмиттере, равным Е/2. Тогда R_Э = U_Э/I_Э = 3,5B/1мА = 3,6 кОм. Потенциал на базе равен U_б = U_Э+0,6В = 4,1В. При I_Д = 0,1 мА, R2 = U_б/I_Д = 4,1В/0,1мА = 39 кОм, R1 = (E—U_б)/I_Д = 2,9B/0,1мА = 27 кОм. Расчет конденсаторов С₁ и С₂ подобен расчету конденсаторов для схемы с ОЭ.

Рис.3.4

Обратная связь (биполярные транзисторы)

Добавлено 23 января 2018 в 04:43

Сохранить или поделиться

Если на вход усилителя подается некоторая часть его выходного сигнала, так что усилитель усиливает часть собственного выходного сигнала, то мы имеем так называемую обратную связь. Обратная связь бывает двух типов: положительная (так называемая регенеративная) и отрицательная (так называемая дегенеративная). Положительная обратная связь усиливает направление изменения выходного напряжения усилителя, а отрицательная – наоборот.

Известным примером обратной связи являются акустические системы, где кто-то держит микрофон слишком близко к громкоговорителю: возникают сильные «гудение» и «свист», поскольку усилительная аудиосистема обнаруживает и усиливает свой собственный шум. Это частный случай положительной или регенеративной обратной связи, так как любой звук, обнаруженный микрофоном, усиливается и превращается в громкий звук от динамика, который затем снова обнаруживается микрофоном, и так далее… Результатом является шум неуклонно увеличивающейся громкости, пока система не будет «насыщена» и не сможет больше увеличивать громкость.

Можно задаться вопросом, какая выгода возможна от обратной связи в схеме усилителя, учитывая такой раздражающий пример, как «гудение» электроакустической системы. Если мы вводим положительную (или регенеративную) обратную связь в схему усилителя, то у него появляется склонность к созданию и поддержанию колебаний, частота которых определяется значениями компонентов, обрабатывающих сигнал обратной связи с выхода на вход. Это один из способов создания схемы генератора для вырабатывания переменного напряжения от источника питания постоянного напряжения. Генераторы – это очень полезные схемы, и поэтому обратная связь имеет для нас определенное практическое применение. Смотрите «Фазосдвигающий генератор» в главе 9 в качестве практического применения положительной обратной связи.

С другой стороны, отрицательная обратная связь оказывает на усилитель эффект «затухания»: если выходной сигнал увеличивает амплитуду, сигнал обратной связи оказывает на вход усилителя понижающее влияние, что противодействует изменению выходного сигнала. В то время как положительная обратная связь ведет схему усилителя к точке неустойчивости (к колебаниям), отрицательная обратная связь ведет ее в противоположном направлении: к точке устойчивости.

Схема усилителя, снабженная отрицательной обратной связью, не только более стабильна, но и меньше искажает входной сигнал и, как правило, способна усиливать более широкий диапазон частот. Плата за эти преимущества (ведь должен же быть у отрицательной обратной связи недостаток?) – это уменьшение коэффициента усиления. Если часть выходного сигнала «подается обратно» обратно на вход, чтобы противодействовать любым изменениям выходного сигнала, то для получения такой же амплитуды выходного сигнала, что была раньше (без обратной связи), потребуется больший входной сигнал. Это уменьшает коэффициент усиления. Однако преимущества стабильности, меньших искажений и большей ширины полосы частот для многих приложений стоят того, чтобы заплатить путем уменьшения коэффициента усиления.

Давайте рассмотрим простую схему усилителя и посмотрим, как мы можем ввести в нее отрицательную обратную связь. Начнем с рисунка ниже.

Усилитель с общим эмиттером без обратной связи

Схема усилителя, показанная здесь, представляет собой схему с общим эмиттером, со схемой смещения на делителе напряжения из резисторов R₁ и R₂. Конденсатор связывает источник V_вх с усилителем, чтобы на источник сигнала не поступало постоянное напряжение с делителя R₁/R₂. Резистор R₃ служит для управления коэффициентом усиления по напряжению. Мы могли бы убрать его для получения максимального усиления по напряжению, но поскольку подобные ему резисторы базы в схемах усилителей с общим эмиттером распространены, мы оставим его.

Как и все усилители с общим эмиттером, этот усилитель при усилении инвертирует входной сигнал. Другими словами, увеличивающееся входное напряжение приводит к уменьшению выходного напряжения, а уменьшающееся – наоборот. Осциллограммы сигналов показаны на рисунке ниже.

Усилитель с общим эмиттером, без обратной связи, с предоставлением осциллограмм для сравнения

Поскольку выходной сигнал представляет собой инвертированное (или зеркально отраженное) воспроизведение входного сигнала, любое соединение между выходным выводом (коллектором) и входным выводом (базой) транзистора (как на рисунке ниже) создаст в результате отрицательную обратную связь.

Отрицательная обратная связь, коллекторная обратная связь, ослабляет выходной сигнал

Сопротивления R₁, R₂, R₃ и R_{обр.связи} действуют вместе как схема смешения сигналов, поэтому напряжение, наблюдаемое на базе транзистора (относительно земли), является средневзвешенным значением входного напряжения и напряжения обратной связи, в результате чего на транзистор поступает сигнал уменьшенной амплитуды. Таким образом, схем усилителя на рисунке выше будет иметь пониженный коэффициент усиления по напряжению, но и улучшенную линейность (пониженные искажения) и увеличенную полосу частот.

Резистор, связывающий коллектор с базой, не является единственным способом введения в схему этого усилителя отрицательной обратной связи. Другой способ, с трудом понимаемый вначале, заключается в добавлении резистора между выводом эмиттера транзистора и землей на схеме, как показано на рисунке ниже.

Эмиттерная обратная связь: еще один способ введения в схему отрицательной обратной связи

Этот новый резистор обратной связи понижает напряжение, пропорциональное току эмиттера через транзистор, и делает это таким образом, чтобы противодействовать влиянию входного сигнала на переход эмиттер-база транзистора. Давайте более подробно рассмотрим переход эмиттер-база и посмотрим, какие изменения вносит этот новый резистор, на рисунке ниже.

Без резистора обратной связи, соединяющего эмиттер с землей, на рисунке ниже (a) независимо от уровня входного сигнала (V_вх), проходящего через конденсатор связи и резисторную цепь R₁/R₂/R₃ будет подаваться непосредственно на переход база-эмиттер как входное напряжение транзистора (V_Б-Э). Другими словами, без резистора обратной связи V_Б-Э будет равно V_вх. Поэтому, если V_вх увеличивается на 100 мВ, то V_Б-Э увеличится на 100 мВ: изменение одного из них совпадает с изменением другого, поскольку оба напряжения равны друг другу.

Теперь рассмотрим эффект вставки резистора (R_{обр.связи}) между выводом эмиттера транзистора и землей, как показано на рисунке ниже (b)

Отсутствие обратной связи (a) и эмиттерная обратная связь (b). Форма сигнала на коллекторе инвертирована относительно сигнала на базе. На (b) форма сигнала на эмиттере совпадает по фазе (эмиттерный повторитель) с сигналом на базе и не совпадает по фазе с сигналом на коллекторе. Следовательно, сигнал на эмиттере вычитается из выходного сигнала на коллекторе.

Обратите внимание, что сумма напряжения, падающего на R_{обр.связи}, и V_Б-Э равна V_вх. С резистором Rобр.связи в контуре V_вх–V_Б-Э напряжение V_Б-Э больше не будет равно напряжению V_вх. Мы знаем, что R_{обр.связи} снизит напряжение пропорционально току эмиттера, который, в свою очередь, управляется током базы, который, в свою очередь, управляется напряжением, падающим на переходе база-эмиттера транзистора (V_Б-Э). Таким образом, если V_вх будет увеличиваться в положительном направлении, это увеличит V_Б-Э, вызывая больший ток коллектора (нагрузки), вызывающий больший ток эмиттера, и вызывающий большее напряжение обратной связи, падающее на R_{обр.связи}. Однако, это увеличение падения напряжения на резисторе обратной связи вычитается из V_вх, уменьшая V_Б-Э, поэтому фактическое увеличение V_Б-Э будет меньше, чем увеличение напряжения V_вх. Теперь увеличение V_вх на 100 мВ больше не приведет к увеличению V_Б-Э на эти же 100 мВ, поскольку эти два напряжения не равны друг другу.

Следовательно, входное напряжение обладает меньшим влиянием на транзистор, чем раньше, и коэффициент усиления по напряжению у усилителя уменьшается: это именно то, чего мы ожидали от отрицательной обратной связи.

В практических схемах с общим эмиттером отрицательная обратная связь – это не просто излишество; она необходима для стабильной работы. В идеальном мире мы могли бы собрать и использовать усилитель на транзисторе с общим эмиттером без отрицательной обратной связи и подавать полную амплитуду V_вх на переход база-эмиттер транзистора. Это дало бы нам большой коэффициент усиления по напряжению. Однако, к сожалению, связь между напряжением база-эмиттер и током база-эмиттер изменяется с температурой, что можно предугадать, исходя из «диодного уравнения». По мере того, как транзистор нагревается, прямое падение напряжения на переходе база-эмиттер будет уменьшаться для любого заданного тока. Это создает для нас проблему, поскольку делитель напряжения R₁/R₂ рассчитан для обеспечения соответствующего неизменного тока через базу транзистора, чтобы тот работал в необходимом нам классе работы (в этом примере я показал усилитель, работающий в режиме класса A). Если у транзистора связь напряжение/ток изменяется с температурой, величина постоянного напряжения смещения, необходимого для требуемого класса работы, также изменится. Горячий транзистор будет потреблять больше тока смещения при том же напряжении смещения, что заставляет его нагреваться еще больше, потребляя еще больший ток смещения. В результате, если нет защиты, – тепловой разгон.

Усилители с общим коллектором (рисунок ниже) не страдают от теплового разгона. Почему? Ответ связан с отрицательной обратной связью.

Усилитель с общим коллектором (эмиттерный повторитель)

Обратите внимание, что усилитель с общим коллектором (рисунок выше) имеет резистор нагрузки, расположенный точно в том же месте, что и резистор R_{обр.связи} в последней схеме (рисунок выше (b)): между эмиттером и корпусом. Это означает, что напряжение, прикладываемое к переходу база-эмиттер транзистора, равно только разнице между V_вх и V_вых, что приводит к очень низкому усилению по напряжению (обычно около 1 для усилителя с общим коллектором). Для этого усилителя тепловой разгон невозможен: если ток базы увеличивается из-за нагревания транзистора, ток эмиттера также будет увеличиваться, уменьшая напряжение на нагрузке, которое, в свою очередь, вычитается из V_вх, что уменьшает напряжение, падающее на переходе база-эмиттер. Другими словами, отрицательная обратная связь, создаваемая установкой резистора нагрузки, автоматически решает проблему теплового разгона. В обмен на значительное снижение усиления по напряжению мы получаем превосходную стабильность и защиту от теплового разгона.

Добавляя резистор обратной связи между эмиттером и землей в схему усилителя с общим эмиттером, мы создаем усилитель, который чуть меньше похож на «идеальный» усилитель с общим эмиттером и чуть больше похож на усилитель с общим коллектором. Значение резистора обратной связи обычно выбирается немного меньше сопротивления нагрузки, минимизируя величину обратной связи и сохраняя достаточно высокий коэффициент усиления по напряжению.

Другим преимуществом отрицательной обратной связи, явно видимым в схеме с общим коллектором, является то, что она стремится сделать усиление по напряжению усилителя менее зависимым от характеристик транзистора. Обратите внимание, что в усилителе с общим коллектором коэффициент усиления по напряжению почти равен единице (1), независимо от β транзистора. Это означает, среди прочего, что мы могли бы заменить транзистор в усилителе с общим коллектором на другой, который обладает другим коэффициентом β, и не заметить каких-либо значительных изменений в усилении по напряжению. В схеме с общим эмиттером коэффициент усиления по напряжению сильно зависит от коэффициента β. Если бы мы заменили транзистор в схеме с общим эмиттером на другой, с другим коэффициентом β, коэффициент усиления по напряжению усилителя изменился бы значительно. В усилителе с общим эмиттером, снабженном отрицательной обратной связью, коэффициент усиления по напряжению по-прежнему в некоторой степени зависит от β транзистора, но не так сильно, как прежде, делая схему более предсказуемой, несмотря на изменение коэффициента β транзистора.

Тот факт, что мы должны вводить отрицательную обратную связь в усилитель с общим эмиттером, чтобы избежать теплового разгона, является не самым хорошим решением. Возможно ли избежать теплового разгона без необходимости подавлять изначально высокий коэффициент усиления по напряжению усилителя? Лучшее решение этой проблемы станет очевидным, если мы рассмотрим ее более внимательно: усиление по напряжению, которые мы должны уменьшить, чтобы избежать теплового разгона, – это усиление постоянного напряжения, а не переменного. В конце концов, к тепловому разгону транзистор подгоняется не входным сигналом переменного напряжения: транзистору для определенного класса работы требуется постоянное напряжение смещения: этот сигнал постоянного напряжения мы используем, чтобы «заставить» транзистор (по сути, устройство постоянного тока) усиливать сигнал переменного напряжения. Мы можем подавить усиление по постоянному напряжению без подавления усиления по переменному напряжению, если узнаем способ создания отрицательной обратной связи только по постоянному напряжению. То есть, если мы подадим с выхода на вход только инвертированный сигнал постоянного напряжения без инвертированного сигнала переменного напряжения.

Резистор эмиттера R_{обр.связи} обеспечивает отрицательную обратную связь, создавая падение напряжения, пропорциональное току нагрузки. Другими словами, отрицательная обратная связь достигается путем вставки импеданса в путь протекания тока эмиттера. Если мы хотим подавать обратно постоянное напряжение, а не переменное, нам нужен импеданс, который является высоким для постоянного тока и низким для переменного тока. Какая схема представляет высокий импеданс для постоянного тока и низкий импеданс для переменного тока? Конечно фильтр верхних частот!

Подключив конденсатор параллельно резистору обратной связи (рисунок ниже), мы сделаем как раз то, что необходимо: путь от эмиттера к земле, который для переменного тока проще, чем для постоянного.

Высокое усиление по переменному напряжению восстановлено с помощью добавления C_обхода параллельно R_{обр.связи}

Переменный ток от эмиттера к корпусу «обходит» резистор через новый конденсатор, поэтому не будет происходить никакого значительного падения напряжения между эмиттером и землей, чтобы «подаваться обратно» на вход и подавлять усиление по напряжению. С другой стороны, постоянный ток не может проходить через конденсатор обхода, поэтому он должен проходить через резистор обратной связи, создавая падение постоянного напряжения между эмиттером и землей, которое уменьшает усиление по постоянному напряжению и стабилизирует отклик усилителя на постоянное напряжение, предотвращая тепловой разгон. Поскольку мы хотим, чтобы реактивное сопротивление этого конденсатора (X_C) было как можно ниже, величина C_обхода должна быть относительно большой. Поскольку полярность на этом конденсаторе никогда не изменится, то для этой задачи безопасно использовать поляризованный (электролитический) конденсатор.

Другим подходом к проблеме снижения усиления по напряжению из-за отрицательной обратной связи является использование не однокаскадных, многокаскадных усилителей. Если ослабленного усиления одного транзистора недостаточно для поставленной задачи, мы можем использовать более одного транзистора, чтобы компенсировать это снижение. Пример схемы, показывающей отрицательную обратную связь в трехкаскадном усилителе с общим эмиттером, приведен ниже.

Обратная связь, охватывающая нечетное количество непосредственно соединенных каскадов, создает отрицательную обратную связь

Путь обратной связи от конечного выхода к входу осуществляется через один резистор R_{обр.связи}. Поскольку каждый каскад представляет собой усилитель с общим эмиттером (соответственно, инвертирующий), нечетное количество каскадов от входа до выхода инвертирует входной сигнал; обратная связь будет отрицательно (дегенеративной). В этом случае можно использовать относительно большую величину обратной связи, не жертвуя усилением по напряжению, поскольку три каскада усилителя изначально обеспечивают очень большое усиление.

Сначала такой подход к разработке схем может показаться неэлегантным и, возможно, даже контрпродуктивным. Разве это не достаточно грубый способ преодолеть снижение усиления, вызванное использованием отрицательной обратной связи, – восстановление усиления путем простого добавления каскад за каскадом? Какай смысл создавать огромное усиление по напряжению с помощью трех транзисторных каскадов, если мы собираемся их просто ослабить отрицательной обратной связью? Суть, хотя, возможно, и неочевидная поначалу, – это повышение предсказуемости и стабильности схемы в целом. Если три транзисторных каскада спроектированы так, чтобы обеспечить произвольно большое усиление по напряжению (десятки тысяч или более) без отрицательной обратной связи, можно обнаружить, что добавление отрицательной обратной связи приводит к тому, что общее усиление по напряжению становится менее зависимым от коэффициентов усиления отдельных каскадов и приблизительно равным простому отношению R_{обр.связи}/R_вх. Чем больше у схемы коэффициент усиления по напряжению (без обратной связи), тем ближе коэффициент усиления по напряжению будет соответствовать отношению R_{обр.связи}/R_вх после установки обратной связи. Другими словами, коэффициент усиления по напряжению этой схемы фиксируется значениями двух резисторов, и не более того.

Это является преимуществом для массового производства электронных схем: если усилители с предсказуемых коэффициентом усиления по напряжению могут быть построены с использованием транзисторов со значениями β в широком диапазоне, это облегчает выбор и замену компонентов. Это также означает, что коэффициент усиления усилителя слабо меняется при изменении температуры. Этот принцип стабильного управления усилением с помощью усилителя с высоким коэффициентом усиления, «прирученного» отрицательной обратной связью, возводится почти до уровня искусства в электронных схемах, называемых операционными усилителями (ОУ). Вы можете прочитеть об этих схемах в главе 8.

Подведем итоги:

• Обратная связь – это соединение выхода усилителя с его входом.
• Положительная (или регенеративная) обратная связь имеет тенденцию делать схему усилителя нестабильной, поскольку она вызывает колебания (переменное напряжение). Частота этих колебаний в значительной степени определяется компонентами схемы обратной связи.
• Отрицательная (или дегенеративная) обратная связь имеет тенденцию делать схему усилителя более стабильной, поскольку его выходной сигнал меньше зависит от входного сигнала, чем без обратной связи. Это уменьшает коэффициент усиления усилителя, но имеет преимущество уменьшения искажений и увеличения полосы пропускания (диапазона частот, в котором может работать усилитель).
• Отрицательная обратная связь может быть введена в схему с общим эмиттером путем соединения коллектора с базой или путем вставки резистора между эмиттером и землей.
• Резистор обратной связи между эмиттером и корпусом обычно встречается в схемах с общим эмиттером как превентивная мера против теплового разгона.
• Отрицательная обратная связь также обладает преимуществом, заключающемся в том, что коэффициент усиления по напряжению усилителя больше зависит от номиналов резисторов и меньше зависит от характеристик транзистора.
• Усилители с общим коллектором обладают большой отрицательной обратной связью из-за размещения резистора нагрузки между эмиттером и корпусом. Эта обратная связь объясняет чрезвычайно стабильное усиления по напряжению усилителя, а также его устойчивость к тепловому разгону.
• Коэффициент усиления по напряжению схемы с общим эмиттером может быть восстановлен без ущерба устойчивости к тепловому разгону путем подключения конденсатора обхода параллельно эмиттерному резистору обратной связи.
• Если коэффициент усиления по напряжению усилителя произвольно высок (десятки тысяч и более), а отрицательная обратная связь используется для его уменьшения до разумного уровня, можно обнаружить, что коэффициент усиления примерно равен R_{обр.связи}/R_вх. Изменения в значениях β транзистора или других значений компонентов мало влияют на коэффициент усиления по напряжению при действующей обратной связи, что приводит к стабильности и простоте разработки.

Оригинал статьи:

Теги

Биполярный транзисторОбратная связьОтрицательная обратная связьУчебникЭлектроника

Сохранить или поделиться