Тема 8. Перетворення сигналів в електронних колах

3 Підсилення сигналів

3.2 Елементарні підсилювальні каскади

                Елементарні підсилювальні каскади – підсилювачі, побудовані на одному біполярному чи уніполярному (польовому) транзисторі. Усі елементарні каскади підсилюють потужність, причому це може здійснюватися як за рахунок одночасного підсилення струму і напруги, так і за рахунок підсилення лише напруги або лише струму. Залежно від того, яку величину підсилює підсилювач, елементарні каскади розділяють на три групи:

                1) підсилювальні каскади – підсилюють одночасно струм та напругу;

Три можливі способи вмикання транзисторів у схему підсилювального каскаду.

                2) повторювачі напруги – підсилюють струм і передають напругу на вихід без підсилення;

                3) повторювачі струму – підсилюють напругу і передають на вихід струм без підсилення.

                Елементарні підсилювальні каскади працюють у режимі слабких сигналів, які не виходять за межі лінійних ділянок вольтамперних характеристик транзисторів.

                Залежно від способу вмикання транзисторів у схему підсилювального каскаду розрізняють  такі елементарні каскади:

                а) у разі використання біполярних транзисторів:

                – каскади зі спільним емітером (СЕ), зі спільним колектором (СК) та зі спільною базою (СБ);

                б) у разі використання уніполярних транзисторів: каскади із спільним витоком (СВ), із спільним стоком (СС) та із спільним затвором (СЗ).

                На рис.5.8 зображено малосигнальні еквівалентні схеми елементарних каскадів при різних способах вмикання біполярного (типу n-p-n) та уніполярного n-канального транзистора у схему підсилювача.




Рис.5.8. Малосигнальні еквівалентні схеми елементарних підсилювальних

каскадів: а –  СЕ; б –  СВ; в –  СК; г –  СС; д –  СБ; е –  СЗ

 

                Для розрахунку основних характеристик елементарних каскадів використаємо узагальнену схему (рис.5.9), на якій транзистор зображено у вигляді лінійного триполюсника із зовнішніми виводами l, m, n та комплексні провідності Y1...Y4 зовнішніх елементів схеми, які також можуть моделювати вплив паразитних ємностей монтажу та міжелектродних ємностей транзисторів. Матриця комплексних провідностей транзистора має вигляд:


                Нагадаємо, що сума елементів кожного рядка та стовпця цієї матриці дорівнює нулеві. Отже, із дев’яти елементів незалежними є чотири елементи.


Рис.5.9. Узагальнена схема елементарного підсилювального каскаду

 

Використання матрицевого числення для розрахунку основних характеристик підсилювального каскаду.

                Звертаючись до узагальненої схеми (рис. 5.9), бачимо, що залежно від способу вмикання транзистора виводам l, m, n відповідають різні електроди транзистора (див. табл. 5.1).

Таблиця 5.1.

Схема

 

Зовнішні виводи

 

 

l

m

n

СЕ

база

колектор

емітер

СК

база

емітер

колектор

СБ

емітер

колектор

база

СВ

заслін

стік

витік

СС

заслін

витік

стік

СЗ

витік

стік

заслін

               

Матриця провідностей узагальненої схеми має вигляд


                На підставі наведеної матриці отримуємо формули для розрахунку основних характеристик каскаду:

 (5.13)

              (5.14)

                (5.15)

       (5.16)

 

                У наведених формулах детермінант матриці провідностей D та алгебричні доповнення  описують вирази:

 

 D=Y1[(Y4+Ymm) × (Y2+Y3+ Yll)+ Y3 (Y2+Yll+ Ylm+ Yml)- YlmYml];                               

 D11=(Y1+Y2+Y3+Yll) ×(Y3+Y4+Ymm)- (Yml-Y3) (Ylm-Y3);                                       

D13=-Y1(Yml-Y3);                                                                   

D11,33= Y1+Y2+Y3+Yll.                                                               

 

                Підставляючи у наведені співвідношення значення параметрів транзисторів та провідностей зовнішніх елементів Y1...Y4, можна дослідити властивості елементарних каскадів з різними способами вмикання транзисторів. Такий  аналіз дає підстави зробити висновки:

                1) Каскади СЕ та СВ підсилюють одночасно напругу і струм та змінюють полярність сигналу.

                2) Каскади СК та СС підсилюють струм і за умови відповідного вибору параметрів елементів забезпечують коефіцієнт передавання напруги, близький до одиниці. Тому їх називають відповідно емітерним та витоковим повторювачем напруги. Обидва каскади не змінюють полярності сигналу, мають високий вхідний та низький вихідний опір. Завдяки цьому їх використовують у ролі буферних каскадів, які дають змогу узгодити високоомне джерело сигналу з низькоомним навантаженням.

                3) Каскади СБ та СЗ підсилюють напругу та передають струм з коефіцієнтом передавання, близьким до одиниці, у зв’язку з чим їх називають повторювачами струму. Ці каскади не змінюють полярності сигналу і мають низький вхідний та високий вихідний опір. Підсилення напруги досягається лише за виконання умови, що опір навантаження більший від внутрішнього опору джерела сигналу.

                Аналіз властивостей елементарних каскадів у діапазоні високих частот (з урахуванням впливу інерційності транзисторів та паразитних міжелектродних ємностей транзисторів та ємностей монтажу) виявляє такі особливості:

                1) високочастотні спотворення сигналів у каскаді СЕ зумовлені переважно впливом ємності навантаження та інерційності транзистора, а в каскаді СВ – впливом ємності навантаження. Вхідний та вихідний опори каскадів СЕ та СВ мають резистивно-ємнісний характер;

                2) причинами високочастотних спотворень сигналів в каскадах СК та СС є ті самі причини, що і в каскадах СЕ та СВ. Вхідний та вихідний опори мають теж резистивно-ємнісний характер, проте за певних умов може з’явитись від’ємна резистивна складова у вхідному опорі та викликати нестійкість (самозбудження) каскаду;

                3) каскади СБ та СЗ забезпечують в діапазоні високих частот менші спотворення, ніж каскади СЕ та СВ, оскільки низькоомний вхідний опір зменшує вплив паразитної ємності на вході каскаду.