рис. 2.18Рассмотрим RC-усилитель, в котором транзистор включен по схеме с общим эмиттером и используется эмиттерная стабилизация начального режима работы (рис. 2.18).

Конденсатор С1 называемый разделительным, препятствует связи по постоянному току источника входного сигнала с усилителем, что может вызвать нарушение режима работы транзистора по постоянному току.

Конденсатор С2, также называемый разделительным, служит для разделения выходной коллекторной цепи от внешней нагрузки по постоянному току. Конденсатор Сэ обеспечивает увеличение коэффициента усиления усилителя по напряжению, так как уменьшает амплитуду переменной составляющей напряжения uкэ (говорят, что конденсатор Сэ ликвидирует отрицательную обратную связь на переменном токе).

Легко заметить, что для рассматриваемой схемы линия нагрузки на постоянном токе (ЛН, при uвх = 0) описывается следующим выражением, полученным при замене тока эмиттера током коллектора (так как iэ = iк):

iк = − [1 / ( Rк + Rэ )] · uкэ + [1 / ( Rк + Rэ )] · Eк

Пусть параметры элементов схемы таковы, что в начальном режиме работы iб = iб2. Соответствующее положение начальной рабочей точки указано на рис. 2.19.

рис. 2.19

На основании приведенного выше краткого анализа схемы с эмиттерной стабилизацией получаем

uR2Eк · R2 / ( R1 + R2 )

uRэ = uR2uбэ

iэ = uRэ / Rэ ≈ [Eк · R2 / ( R1 + R2 ) − uбэ ] / Rэ

При расчетах часто принимают, что uбэ = 0,6...0,7 В (для кремниевых транзисторов). Пренебрегая током Íко, получаем

iк = βст · iб

Учитывая, что iэ = iк + iб, получаем

iб = iэ / (1+ βст )

Отсюда следует, что в схеме с эмиттерной стабилизацией ток базы непосредственно зависит от того, какое значение коэффициента βст будет иметь конкретный используемый транзистор. Если значение коэффициента βст окажется большим, то ток базы будет малым, и наоборот.

Предположим, что напряжение питания Ек задано и требуется обеспечить начальный режим работы при заданном начальном токе Iкн.

Изложим порядок предварительного определения величин Rэ, R1 и R2.

Напряжение u выбирают из соотношения

u = ( 0,1 ... 0,3) · Ек

Затем, учитывая, что iэ ~ iк, определяют Rэ:

Rэ = u / Iкн

Определяют максимальный ток базы iб max, соответствующий минимальному значению βmin, коэффициента β:

iб max = Iкн / βmin

Выбирают ток iдел делителя напряжения на резисторах R1 и R2, протекающий при отключении базы транзистора от делителя. При этом пользуются соотношением

iдел = (8 ... 10) · iб max

Находят сумму сопротивлений R1 + R2:

R1 + R2 = Ек / iдел

Определяют напряжение

uR2 = u + uбэ

При этом считают, что uбэ = (0,6...0,7) В.

Определяют

R= uR2 / iдел

Используя вычисленное выше значение суммы ( R1 + R2), получают

R1 = ( R1 + R2 ) − R2

Изложенный порядок расчета величин Rэ, R1 и R2, a также другие подобные методики расчета электронных схем до применения математического моделирования составляли основу ручного проектирования устройств электроники. После подобных расчетов из конкретных электрорадиоэлементов изготавливали макет устройства и в результате его практического исследования уточняли значения параметров элементов схемы (к примеру, определяли действительно необходимое значение Rэ).

В настоящее время значение подобных расчетов состоит в том, что они:

● во-первых, помогают уяснить взаимосвязь различных параметров элементов электронной схемы, т. е. позволяют более глубоко проникнуть в сущность явлений, имеющих место в этой схеме;

● во-вторых, позволяют получить предварительные, ориентировочные значения параметров элементов, которые используются при математическом моделировании для определения окончательных значений.

Проведем анализ усилителя с эмиттерной стабилизацией. Поскольку в данной схеме действуют одновременно постоянные и переменные напряжения, то осуществляют анализ схемы сначала по постоянному току, а затем по переменному. Но для этого вначале изображают эквивалентную схему замещения усилителя, заменяя транзистор его эквивалентной схемой замещения. Для упрощения анализа часто в эквивалентной схеме замещения транзистора источником тока Íко и резистором ŕк пренебрегают, так как ŕк велико ( ŕк → ∞), а Íко мало ( Íко → 0). Получают эквивалентную схему замещения усилителя (рис. 2.20).

рис. 2.20

Параметры элементов усилителя (в частности, емкости конденсаторов С1, С2 и Сэ) выбирают таким образом, чтобы в области средних частот переменные составляющие напряжений на конденсаторах С1, С2 и Сэ были пренебрежимо малы.

Полезно отметить, что амплитуды указанных переменных составляющих зависят не только от емкостей С12 и Сэ. В соответствии с изложенным в линейной эквивалентной схеме для средних частот сопротивлениями указанных конденсаторов пренебрегают.

Транзистор для усилителя выбирают таким образом, чтобы в области средних частот ухудшение его усилительных свойств при увеличении частоты было незначительным. Если обратиться к комплексному коэффициенту β, то сказанное означает, что выбирают транзистор с такой предельной частотой fпред, которая не меньше наибольшей частоты из области средних частот. Поэтому в линейной эквивалентной схеме усилителя для средних частот не используют емкости транзистора, а коэффициент β считают вещественным и постоянным.

В соответствии с изложенным, а также с целью упрощения расчетов, в эквивалентной схеме транзистора оставлены только резисторы с сопротивлением rб, rэ и источник тока, управляемый током β · iб.

Поскольку нас интересуют только переменные составляющие токов и напряжений, то величиной Ек и сопротивлением источника питания Ек пренебрегают. Будем считать, что Rr = 0 и влиянием резисторов R1 и R2 на коэффициент усиления переменного сигнала uвх можно пренебречь.

Рассмотрим линейную эквивалентную схему для средних частот, изображенную на рис. 2.21.

рис. 2.21

Ценность этой схемы не ограничивается тем, что она позволяет выполнить ручной расчет режима усиления. Еще более важно то, что эта схема помогает уяснить влияние параметров различных элементов усилителя на способность усиливать входной сигнал. Из этой схемы хорошо видно, что для переменных составляющих токов и напряжений резисторы Rк и Rн включены параллельно. При ручных графических расчетах этот факт находит отражение в том, что на выходных характеристиках строят так называемую линию нагрузки на переменном токе ЛН, наклон которой определяется величиной

Rк // Rн = Rк · Rн / ( Rк + Rн )

Выше указывалось, что наклон линии нагрузки на постоянном токе ЛН определяется величиной Rк + Rн. Именно по линии ЛН перемещается рабочая точка РТ (не НРТ!), характеризующая режим работы усилителя при наличии переменного входного сигнала uвх. На рис. 2.22 указана амплитуда Uнт напряжения на нагрузке uн, равная амплитуде переменной составляющей напряжения uкэ, и соответствующие предельные точки k и e на линии ЛН_. При этом предполагается, что ток базы изменяется в пределах от i61 до iб3. Изобразим временные диаграммы, характеризующие работу усилителя (рис. 2.23).

рис. 2.22

рис. 2.23

Обратим внимание на тот факт, что выходной сигнал uн сдвинут относительно входного uвх на 180 градусов, т. е. RС-усилитель инвертирует сигнал по фазе. Иногда этот факт подчеркивают тем, что считают коэффициент усиления по напряжению отрицательной величиной.

Коэффициент усиления усилителя по напряжению Ки является одним из наиболее важных параметров усилителя. При условии, что Rr= 0, коэффициент Ки определяется выражением

Ки = Uн.m / Uвх.m

где Uвх.m — амплитуда входного напряжения uвх. Обратимся к линейной эквивалентной схеме для средних частот (рис. 2.21). Обозначим через Iбm амплитуду переменной составляющей iб − тока базы. Тогда амплитуда Iэm переменной составляющей тока эмиттера iэ равна ( 1 + β ) · Iбm, а величина Uвх.m определяется выражением

Uвх.m  = Iбm · rб + ( 1 + β ) · Iбm · rэ = Iбm· [ rб + ( 1 + β ) · rэ ]

Величина Uн.m определяется выражением

Uн.m  = β · Iбm · ( Rк · Rн ) / ( Rк+ Rн )

С учетом выражений для Uвх.m и Uн.m  получим

Ки = [ β · Rк · Rн  / ( Rк+ Rн ) ] / [ rб + ( 1 + β ) · rэ ]

Обозначим через rд.оэ входное дифференциальное сопротивление транзистора для схемы с общим эмиттером. Очевидно, что

rд.оэ = rб + ( 1 + β ) · rэ

В соответствии с этим можно записать:

Ки = [ β · Rк · Rн  / ( Rк+ Rн ) ] / rд.оэ

Важными параметрами усилителя являются его входное и выходное сопротивления. Из линейной эквивалентной схемы, соответствующей принятым допущениям, хорошо видно, что входное сопротивление усилителя фактически является входным дифференциальным сопротивлением транзистора для схемы с общим эмиттером (rд.оэ). Очевидно и то, что выходное сопротивление усилителя равно величине Rк.

Коэффициент усиления по току Кi определяют выражением

Кi = Iн.m / Iвх.m

где  Iвх.m , Iн.m — соответственно амплитуды тока источника входного сигнала и тока нагрузки.

В соответствии с принятыми допущениями Iвх.m= Iбm. Легко заметить, что

Iн.m = β · Iбm · [ Rк · Rн  / ( Rк+ Rн ) ] / Rн

С учетом этого получим

Кi = β · Rк / ( Rк+ Rн )

АЧХ и ФЧХ усилителя аналогичны типовым характеристикам, рассмотренным в предыдущих статьях.  Спад АЧХ в области низких частот обусловлен уменьшением коэффициента усиления усилителя за счет увеличения реактивного сопротивления емкостей С1, С2, Сэ. Спад АЧХ в области высоких частот обусловлен ограниченными частотными свойствами транзистора.