Почему каскад называется резистивным

Как работает усилительный каскад на транзисторе, начинающим

Что такое транзисторный усилительный каскад и как он работает, примеры схем усилительных каскадов на транзисторе. В любой аналоговой электронной технике применяются усилительные каскады на транзисторах, как самостоятельные, так и в составе микросхем. И так, из школьного курса физики, мы знаем что биполярные транзисторы бывают структур P-N-P и N-P-N.

Вдаваться в подробности строения кристалла мы здесь не будем. Лучше разберемся что это нам дает. Так вот, питание биполярного транзистора P-N-P подается плюсом на его эмиттер, а минусом на его коллектор. И некоторое отрицательное, относительно эмиттера, напряжение смещения подается на его базу.

А вот питание биполярного транзистора N-P-N, совсем наоборот, — подается минусом на его эмиттер, а плюсом на его коллектор, и некоторое положительные, относительно эмиттера, напряжение смещение на его базу. Здесь будем рассматривать усилительные каскады на транзисторах структуры N-P-N.

Потому что такие каскады сейчас наиболее распространены, — почти вся современная аппаратура имеет общий минус, а питается положительным напряжением относительно общего минуса. Все что здесь будет сказано в отношении транзистора N-P-N применимо и к транзистору P-N-P, только все напряжения будут в обратной полярности.

Простейшие схемы усилительных каскадов на транзисторах

На рисунках 1 и 2 показаны простейшие схемы резистивных усилительных каскадов на транзисторах, включенных по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Схема с общим эмиттером позволяет усиливать как ток, так и напряжение сигнала.

Рис. 1. Простейшая схема резистивного усилительного каскада на транзисторе с общим эмиттером (ОЭ).

Рис. 2. Еще одна схема резистивного усилительного каскада на транзисторе с общим эмиттером (ОЭ).

Есть два основных способа подачи напряжения смещения на базу транзистора в схеме с ОЭ. В схеме на рисунке 1 напряжение на базу подается через резистор R6, при этом само напряжение на базе зависит от делителя, состоящего из R6 и внутреннего сопротивления база-эмиттер транзистора.

В такой схеме для получения нужного напряжения смещения R6 имеет обычно большое сопротивление. Такой тип смещения называют смещением, фиксированным током базы.

На рисунке 2 напряжение базового смещения создается делителем из резисторов Rб1 и Rб2. В такой схеме сопротивление базовых резисторов может быть значительно меньше.

Это интересно тем, что изменение сопротивления эмиттер-база под действием изменения температуры в меньшей степени влияет на напряжение на базе транзистора. Такой каскад более термостабилен.

Кроме того меньше влияния на рабочую точку транзистора изменений в кристалле транзистора от старения, или при замене неисправного транзистора другим. Такой тип смещения называется фиксированным напряжением база-эмиттер.

Недостаток схемы на рис.2 в том, что входное сопротивление такого каскада значительно ниже, чем в схеме по рис.1. Но это важно, только если нужно большое входное сопротивление.

Разные экземпляры даже однотипных транзисторов могут существенно отличаться своими статическими параметрами, кроме того, есть и зависимость от температуры, поэтому желательно чтобы в усилительном каскаде была стабилизация режима работы транзистора.

Проще всего это сделать введением в каскад отрицательной обратной связи (ООС) по постоянному току, так, чтобы изменения входного тока или напряжения, к которым приводит работа ООС, противодействовали влиянию дестабилизирующих факторов.

Коллекторная стабилизация режима работы транзистора

На рисунке 3 показана схема коллекторной стабилизации режима работы транзистора. Обратите внимание, — каскад очень похож на схему на рис.1, но базовый резистор R6 подключен не к плюсу источника питания (+Uп), а к коллектору транзистора. Теперь получается, что напряжение смещения на базе транзистора зависит от напряжения на его коллекторе.

Которое, в свою очередь, зависит от напряжения на базе. И если по какой-то причине напряжение на коллекторе изменится, то и напряжение на базе изменится таким образом, что необходимая рабочая точка каскада будет восстановлена.

Рис. 3. Схема коллекторной стабилизации режима работы транзистора.

Эмиттерная стабилизация режима работы транзистора

Более высокой стабильности можно достигнуть применив эмиттерную стабилизацию режима работы транзистора (рис.4). Здесь стабильность повышается при увеличении сопротивления Rэ и уменьшении сопротивлений Rб1 и Rб2.

Однако и слишком большим сопротивление Rэ выбирать не следует, потому что при этом напряжение коллектор-эмиттер может оказаться слишком малым.

Не стоит увлекаться и сильным уменьшением сопротивлений R61 и R62, потому что при очень малых их величинах не только увеличивается ток потребления, но и, что гораздо важнее, очень сильно снижается входное сопротивление.

Рис. 4. Эмиттерная стабилизация режима работы транзистора.

Чтобы снизить влияние ООС на переменный ток вводится конденсатор Сэ. Как известно, конденсатор имеет реактивное сопротивление, и постоянный ток через него не проходит, но проходит переменный. В результате переменный ток «обтекает» резистор Rэ через реактивное сопротивление Сэ.

И результирующее сопротивление в цепи эмиттера по переменному току оказывается значительно ниже, чем по постоянному. Поэтому ООС по переменному току значительно меньше, чем по постоянному.

Каскад с общим коллектором

Схема каскада с общим коллектором (рис.5.) обеспечивает усиление входного сигнала только по току.

Такие каскады называются эмиттерными повторителями, потому что по напряжению они не усиливают сигнал, а только повторяют его (было на входе 0,5V, и на выходе тоже будет 0,5V).

Но сила тока на выходе через нагрузку будет больше.

Они применяются тогда, когда нужно получить большое входное сопротивление. Отличие каскада с ОК (общим коллектором) от каскада ОЭ (общим эмиттером) в том, что в схеме с ОК выходной сигнал снимается с эмиттера. При этом сигнал не усиливается по напряжению и не инвертируется.

Рис. 5. Схема каскада с общим коллектором.

В схеме же с ОЭ сигнал инвертируется. Это демонстрируется на рисунках изображениями синусоид у входа и выхода каскадов. В схеме с ОЭ выходная синусоида противофазна входной. В схеме с ОК — они синфазны.

Резистивный каскад на биполярном транзисторе

Простейшая схема резистивного усилительного каскада с общим эмиттером и питанием от одного источника показана на рис. 2. Входной сигнал поступает на базу и изменяет ее потенциал относительно заземленного эмиттера. Это приводит к изменению тока базы, а, следовательно, к изменению тока коллектора и напряжения на нагрузочном сопротивлении R_K. Разделительный конденсатор Сp1 служит для предотвращения протекания постоянной составляющей тока базы через источник входного сигнала. С помощью конденсатора Сp2 на выход каскада подается переменная составляющая напряжения Uкэ, изменяющаяся по закону входного сигнала, но значительно превышающая его по величине. Важную роль играет резистор R_Б в цепи базы, обеспечивающий выбор исходной рабочей точки на характеристиках транзистора и определяющий режим работы каскада по постоянному току.

Рис. 2. Простейшая схема резистивного усилительного каскада с общим эмиттером

Для выяснения роли резистора R_Б обратимся к рис. 3, иллюстрирующему процесс усиления сигнала схемой с общим эмиттером. В принципе процесс усиления можно отразить следующей взаимосвязью электрических величин.

U_{m ВХ} I _{Б m} I_{К m} I_{К m} R_К (U_{m КЭ} = E_К — I_{К m} R_К ) = U _{m ВЫХ}

Действительно, рассматривая вначале рис. 3, а, а затем рис. 3, б, можно убедиться в том, что напряжение входного сигнала с амплитудой (U_{m ВХ}=U_{БЭ m}) синфазно изменяет величину тока базы. Эти изменения базового тока вызывают в коллекторной цепи пропорциональные изменения тока коллектора и напряжения на коллекторе, причем амплитуда коллекторного напряжения (с учетом масштаба по оси абсцисс) оказывается значительно больше амплитуды напряжения на базе. Следует обратить внимание на то, что напряжения сигнала на входе и на выходе каскада сдвинуты между собой по фазе на 180°, т. е. находятся в противофазе.

Это означает, что рассматриваемый каскад, не нарушая закон изменения сигнала (в нашем частном случае сигнал изменяется по синусоидальному закону), в то же время поворачивает его фазу на 180°.

Рис. 3. Графическое пояснение процесса усиления сигнала схемой с общим эмиттером

Для получения наименьших искажений усиливаемого сигнала рабочую точку (точку покоя) П следует располагать в середине отрезка АВ нагрузочной прямой, построенной в семействе выходных характеристик транзистора (режим усиления класса А). Из рис. 3, б видно, что положение рабочей точки П соответствует току смещения в цепи базы I_БП . Для получения выбранного режима необходимо в усилителе обеспечить требуемую величину тока смещения в цепи базы. Для этого и служит резистор R_Б в схеме рис. 2.

Схема, приведенная на рис. 2, получила название схемы с фиксированным базовым током. Смещение фиксированным током базы отличается минимальным числом деталей и малым потреблением тока от источника питания. Кроме того, сравнительно большое сопротивление резистора R_Б (десятки кОм) практически не влияет на величину входного сопротивления каскада. Однако этот способ смещения пригоден лишь тогда, когда каскад работает при малых колебаниях температуры транзистора. Кроме того, большой разброс и нестабильность параметра β даже у однотипных транзисторов делают режим работы каскада весьма неустойчивым при смене транзистора, а также с течением времени.

Более эффективной является схема с фиксированным напряжением смещения на базе (рис. 4). В этой схеме резисторы R‘_Б и R«_Б , подключенные параллельно источнику питания Е_К , составляют делитель напряжения.

При этом повышается стабильность режима работы схемы, так как изменения тока в цепях эмиттера и коллектора транзистора незначительно влияют на величину напряжения смещения.

Рис. 4. Схема резистивного каскада с фиксированным напряжением смещения

Сопротивление R«_Б делителя включено параллельно входному сопротивлению транзистора. Кроме того, пренебрегая малым внутренним сопротивлением источника питания, можно считать, что R‘_Б и R«_Б включены параллельно друг другу. Поэтому делитель, образованный резисторами R‘_Б и R«_Б должен обладать достаточно большим сопротивлением (порядка нескольких кОм). В противном случае входное сопротивление каскада окажется недопустимо малым.

При построении схем транзисторных усилителей приходится принимать меры для стабилизации положения рабочей точки на характеристиках. Основной дестабилизирующий фактор, нарушающий устойчивую работу транзисторной схемы, — влияние температуры. Существуют различные способы термостабилизации режима работы транзисторных каскадов.

Наибольшее распространение получила схема термостабилизации режима, приведенная на рис. 5. В этой схеме навстречу фиксированному прямому напряжению смещения, снимаемому с резистора R«_Б, включено напряжение, возникающее на резисторе R_Э при прохождении через него тока эмиттера. Пусть по какой-либо причине, например при увеличении температуры, постоянная составляющая коллекторного тока возрастает. Так как I_Э =I_К+I_Б, то увеличение тока I_К приведет к увеличению тока эмиттера I_Э и падению напряжения на резисторе R_Э. В результате напряжение между эмиттером и базой U_БЭ уменьшится, что приведет к уменьшению тока базы I_Б, а следовательно, и тока I_К .

Наоборот, если по какой либо причине коллекторный ток уменьшится, то уменьшится и напряжение на резисторе R_Э, а прямое напряжение U_БЭ возрастет. При этом увеличится ток базы и ток коллектора.

Рис. 5. Схема резистивного каскада с фиксированным напряжением смещения

В большинстве случаев резистор R_Э шунтируется конденсатором C_Э достаточно большой емкости (порядка десятков микрофарад). Это делается для отвода переменной составляющей тока эмиттера от резистора R_Э.

Резисторный каскад

Основным каскадом усиления в предварительных усилителях является резисторный каскад, так как он содержит минимальное число реактивных элементов и может обеспечить при определенных условиях достаточно большой коэффициент усиления. Свое название каскад получил по нагрузке по постоянному току в цепи коллектора (стока) — резистору . Рассмотрим принципиальные схемы резисторных каскадов на биполярных и полевых транзисторах (рис. 15.1). Резистор определяет нагрузку каскада по постоянному току. Через него напряжение источника поступает на коллектор. Резисторы , и обеспечивают заданное напряжение смещения на эмиттерном переходе и температурную стабилизацию токов транзистора. , — разделительные конденсаторы: отделяет источник сигнала от попадания на него постоянного напряжения, защищает вход транзистора VT2 от постоянного напряжения, благодаря чему на вход следующего каскада попадает только переменная составляющая сигнала.

Таким образом, в схеме имеются усилительный элемент, его нагрузка по постоянному и переменному току, а также цепи межкаскадной связи, подачи смещения и эмиттерной стабилизации. На вход первого каскада поступают от источника сигнал, который необходимо усилить, и напряжение смещения для выбора точки покоя. Усиленный сигнал через разделительный конденсатор подается па вход второго каскада.

Аналогичные цепи содержит схема (см. рис. 15.1,6), где в качестве усилительного элемента используется полевой транзистор с управляющим PN-переходом. —сопротивление нагрузки по постоянному току в цепи стока; цепь служит для подачи постоянного автоматического смещения на вход полевого транзистора. , — разделительные конденсаторы, которые используются для тех же целей, что и в схеме на биполярном транзисторе, R_з — сопротивление в цепи затвора. Через это сопротивление напряжения смещения подается на затвор.

Рис. 15.1. Принципиальная схема резисторного каскада на биполярное (а) и на полевом (б) транзисторах

Анализ работы резисторного каскада сводится к тому, чтобы подобрать такие элементы схемы, которые обеспечат наибольшее усиление и наименьшие частотные и фазовые искажения. Так как усилители звуковой частоты и широкополосные усилители требуют различного подхода к анализу своей работы, то каждый из этих типов предварительных усилителей будет рассмотрен отдельно.

Выводы. 1. Каскады предварительного усиления должны обеспечить усиление входного сигнала до уровня, который необходимо подать на вход оконечного каскада. 2. К каскадам предварительного усиления предъявляют следующие основные требования: получение максимального усиления от отдельного каскада; получение минимальных частотных, фазовых, переходных и нелинейных искажений сигнала. 3. Основным каскадом предварительного усиления является резисторный каскад.

Микроэлектронные приборы

Еще в ламповый период развития электроники уделялось большое внимание уменьшению габаритных размеров, массы, потребляемой энергии ламп, повышению их надежности. С этой целью были созданы так называемые пальчиковые лампы, комбинированные лампы, миниатюрные лампы. Создание в 1948 г. транзисторов и последовавшее за тем широкое внедрение различных полупроводниковых приборов в электронную аппаратуру были громадным шагом вперед на пути решения проблемы. Однако аппаратура продолжала усложняться, появились устройства, содержащие сотни тысяч электронных полупроводниковых элементов, поэтому и габаритные размеры, и масса, и потребляемая энергия возрастали, а надежность уменьшалась. Потребовалось новое коренное решение конструктивно-технологических, схемотехнических, физических проблем, чтобы решить противоречие между непрерывно возрастающей сложностью электронной аппаратуры и уменьшением ее габаритных размеров, массы, стоимости, увеличения ее надежности. Эти решения привели к появлению новой отрасли электроники — микроэлектроники, которая охватывает проблемы разработки и применения новых электронных приборов— интегральных микросхем (ИМС).

Важнейшим понятием микроэлектроники является интегрализация, заключающаяся в получении максимального, числа функционально связанных электронных элементов и их соединений в едином комплексе технологических процессов и в едином конструктивном исполнении. Интегральной микросхемой называется микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования и обработки сигнала и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов и кристаллов, которое рассматривается как единое целое.

Элементом интегральной микросхемы является часть этой схемы, реализующая функцию какого-либо электрорадиоэлемента. Выполнена она нераздельно от кристалла или подложки и не может быть выделена как самостоятельное изделие. Под электрорадиоэлементом понимают транзистор, диод, резистор, конденсатор.

Таким образом, интегральная микросхема обладает следующими особенностями:

1) состоит из множества элементов и выполняет определенную функцию — усиление, генерацию, выпрямление, отдельные логические операции или несколько функций. В этом, пожалуй, самое главное свойство ИМС. Ни один из рассматриваемых до сих пор нами приборов в отдельности не мог выполнять функций, например, усиления, генерирования и т. д. В то же время с помощью ИМС реализуются сложнейшие электронные устройства. Например, одна микросхема выполняет функцию микропроцессора, на основе которого строят микро-ЭВМ,

2) элементы интегральной схемы не являются дискретными: диоды, транзисторы, конденсаторы, резисторы и соединяющие их элементы составляют единое целое, собираются в едином технологическом процессе;

3) все элементы интегральной микросхемы заключены в один герметический корпус с выводами наружу всей схемы в целом.

Таким образом, новое в ИМС — не элементная база (транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы, хотя и здесь внесены многие интересные усовершенствования), а сами принципы создания и соединения ранее существовавших элементов.

Анализ схемных решений или, как принято говорить, схемотехники ИМС требует знаний, которые были получены при изучении усилительных устройств, так как изучаются не отдельные элементы ИМС, а вся функциональная схема в целом, этим и объясняется то, что изучение ИМС начинается после того, как закончено изучение усилителей на дискретных элементах. Следует отметить, что основные положения, которые относятся к свойствам дискретных полупроводниковых приборов и усилителей, остаются в силе и для устройств на ИМС.

Академия гитарной электроники: Вход — Академия гитарной электроники

Вход
Новый пользователь? Регистрация Помощь

• Академия гитарной электроники
• > Вход

• Правила форума
• Просмотр новых публикаций

Вход

Еще не зарегистрированы?

Потратьте всего несколько минут на простую регистрацию! Зарегистрированные пользователи получают дополнительные возможности. Например:

• Создавать новые темы и отвечать в существующие
• Подписываться на темы и разделы форума, для получения обновлений
• Добавлять события в наш календарь
• Заводить новых друзей
• Настраивать форумы под собственные предпочтения

Спасибо админам и создателям форума, которые развивали ресурс вплоть до мая 2022 года: Kanistra, Nazarett, Satriani, Плохиш, Тяп !

Внешний вид

Статистика работы системы

• Сейчас: 04 фев 2024 19:11

• Наверх
• К списку форумов
• Очистить cookies
• Отметить все сообщения прочитанными

Система для сообществ IP.Board
Лицензия зарегистрирована на: Guitar-gear.ru