Каскад усиления

Что такое Каскад правил

Чтобы не путаться в определениях, пройдемся по основным понятиям в оптимизации контекстной рекламы в сервисе К50.

Событие — это набор Правил с определенными условиями и действиями, которые разово или периодически применяются к выбранным кампаниям, объявлениям или ключевым словам.

Каскадом называют набор Правил в событии с разным приоритетом выполнения. Если говорить проще, то Каскад правил — это действия, которые применяются к рекламной сущности в определенном порядке. И действия, и их порядок можно определять самостоятельно.

Каскад позволяет сделать работу событий более гибкой — в этом и заключается особенность инструмента. Существует несколько вариантов применения Каскада правил.

Расчёт ключевого режима транзисторного каскада

Расчёт ключевого режима транзисторного каскада производится абсолютно так же, как и ранее проведённый расчёт усилительного каскада. Отличие заключается только в том, что ключевой режим предполагает два состояния транзистора в режиме покоя (без сигнала). Он, или закрыт (но не закорочен), или открыт (но не перенасыщен). При этом, рабочие точки «покоя», находятся за пределами точек А и С изображённых на ВАХ. Когда на схеме в состоянии без сигнала транзистор должен быть закрыт, необходимо из ранее изображённой схемы каскада удалить резистор Rб1

. Если же требуется, чтобы транзистор в состоянии покоя был открыт, необходимо в схеме каскада увеличить резисторRб2 в 10 раз от расчётного значения, а в отдельных случаях, его можно удалить из схемы.

Расчёт транзисторного каскада окончен.

Характеристики биполярного транзистора.

Выделяют несколько основных характеристик транзистора, которые позволяют понять, как он работает, и как его использовать для решения задач.

И первая на очереди – входная характеристика, которая представляет из себя зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер при определенном значении напряжения коллектор-эмиттер:

I_{б} = f(U_{бэ}), \medspace при \medspace U_{кэ} = const

В документации на конкретный транзистор обычно указывают семейство входных характеристик (для разных значений U_{кэ}):

Входная характеристика, в целом, очень похожа на прямую ветвь . При U_{кэ} = 0 характеристика соответствует зависимости тока от напряжения для двух p-n переходов включенных параллельно (и смещенных в прямом направлении). При увеличении U_{кэ} ветвь будет смещаться вправо.

Переходим ко второй крайне важной характеристике биполярного транзистора – выходной! Выходная характеристика – это зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при постоянном токе базы. I_{к} = f(U_{кэ}), \medspace при \medspace I_{б} = const

I_{к} = f(U_{кэ}), \medspace при \medspace I_{б} = const

Для нее также указывается семейство характеристик для разных значений тока базы:

Видим, что при небольших значениях U_{кэ} коллекторный ток увеличивается очень быстро, а при дальнейшем увеличении напряжения – изменение тока очень мало и фактически не зависит от U_{кэ} (зато пропорционально току базы). Эти участки соответствуют разным .

Для наглядности можно изобразить эти режимы на семействе выходных характеристик:

Участок 1 соответствует активному режиму работы транзистора, когда эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. Как вы помните, в данном режиме незначительный ток базы управляет током коллектора, имеющим бОльшую величину.

Для управления током базы мы увеличиваем напряжение U_{бэ}, что в соответствии со входными характеристиками приводит к увеличению тока базы. А это уже в соответствии с выходной характеристикой в активном режиме приводит к росту тока коллектора. Все взаимосвязано

Небольшое дополнение. На этом участке выходной характеристики ток коллектора все-таки незначительно зависит от напряжения U_{кэ} (возрастает с увеличением напряжения). Это связано с процессами, протекающими в биполярном транзисторе. А именно – при росте напряжения на коллекторном переходе его область расширяется, а соответственно, толщина слоя базы уменьшается. Чем меньше толщина базы, тем меньше вероятность рекомбинации носителей в ней. А это, в свою очередь, приводит к тому, что коэффициент передачи тока \beta, несколько увеличивается. Это и приводит к увеличению тока коллектора, ведь:

I_к = \beta I_б

Двигаемся дальше!

На участке 2 транзистор находится в режиме насыщения. При уменьшении U_{кэ} уменьшается и напряжение на коллекторном переходе U_{кб}. И при определенном значении U_{кэ} = U_{кэ \medspace нас} напряжение на коллекторном переходе меняет знак и переход оказывается смещенным в прямом направлении. То есть в активном режиме у нас была такая картина – эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. В режиме же насыщения оба перехода смещены в прямом направлении.

В этом режиме основные носители заряда начинают двигаться из коллектора в базу – навстречу носителям заряда, которые двигаются из эмиттера в коллектор. Поэтому при дальнейшем уменьшении U_{кэ} ток коллектора уменьшается. Кроме того, в режиме насыщения транзистор теряет свои усилительные свойства, поскольку ток коллектора перестает зависеть от тока базы.

Режим насыщения часто используется в схемах ключей на транзисторе. В одной из следующих статей мы как раз займемся практическими расчетами реальных схем и там используем рассмотренные сегодня характеристики биполярного транзистора!

И, наконец, область 3, лежащая ниже кривой, соответствующей I_{б} = 0. Оба перехода смещены в обратном направлении, протекание тока через транзистор прекращается. Это так называемый режим отсечки.

Все параметры транзисторов довольно-таки сильно зависят как друг от друга, так и от температуры, поэтому в документации приводятся характеристики для разных значений. Вот, например, зависимость коэффициента усиления по току (в зарубежной документации обозначается как h_{FE}) от тока коллектора для биполярного транзистора BC847:

Как видите, коэффициент усиления не просто зависит от тока коллектора, но и от температуры окружающей среды! Разным значениям температуры соответствуют разные кривые.

2. Двухтактный каскад УМ на биполярных транзисторах с переходным и выходным трансформаторами.

Двухтактные каскады УМ, которые могут
работать в режимах классов А, АВ, В, дают возможность получать
полезную выходную мощность в нагрузке в два и в несколько раз
больше, чем однотактные каскады УМ. При этом уменьшаются нелинейные
искажения, а также влияние внешних помех, снижается фон переменного
тока источника питания и т. п.

В этих каскадах УМ постоянные
составляющие, а также четные гармоники коллекторных токов обоих
транзисторов  протекают по одинаковым полуобмоткам первичной
обмотки трансформатора навстречу друг другу и, взаимно
компенсируясь, не намагничивают сердечник. Это позволяет уменьшить
габариты, массу и стоимость трансформатора.

Суммарный ток обоих транзисторов,
равный току источника питания, не содержит первой гармоники, что
устраняет паразитную обратную связь через цепь источника
питания.

При работе в более экономичных режимах
классов АВ1 или В значительно повышается КПД двухтактного каскада
УМ. При этом транзисторы могут включаться по схемам с ОЭ, ОБ или
ОК.

Наибольший коэффициент усиления по
мощности получается при включении транзисторов по схеме с ОЭ, что
требует меньшей мощности входного сигнала, отбираемого от каскада
предварительного усиления, который может собираться или с переходным
трансформатором, имеющим вторичную обмотку со средней точкой, или по
схеме с разделенной нагрузкой, обеспечивающей фазоинвертирование
сигнала, подаваемого на базы выходных транзисторов, без переходного
фазоинвертирующего трансформатора.

Рис. 1.9.2. Схема транзисторного двухтактного каскада УМ с ОЭ, с
автоматическим смещением в классе АВ1 (а); то же, но без
автоматического смещения в классе В (б); график работы одного плеча
этого каскада УМ в классе В (в); диаграммы напряжений и токов в
цепях такого каскада в классе АВ1 (г)

При включении транзисторов по схеме с
ОБ получается небольшой коэффициент усиления по мощности и требуется
большей величины ток на выходе каскада предварительного усиления,
так как выходным током мощных транзисторов в схеме каскада УМ с ОБ
служат их эмиттерные токи. Входные сопротивления транзисторов в
схеме с ОБ имеют малую величину, поэтому выходной двухтактный каскад
УМ подключается к каскаду предварительного усиления при помощи
переходного фазоинвертирующего трансформатора.

На рис. 1.9.2, а приведена типовая
схема с ОЭ двухтактного каскада УМ, которая может работать в режимах
классов А или АВ. При работе в режиме класса В резисторы
R₁ и R₂ не включаются, так как в этом режиме
U_бэ0 = 0, то есть транзисторы работают без напряжения
смещения (рис. 1.9.2, б, в). Графическое пояснение принципа работы
двухтактного каскада УМ в режиме класса АВ1 показано на рис. 1.9.2,
г.

Расчет двухтактной схемы УМ проводится
графоаналитическим методом только для одного плеча, аналогично
расчету однотактного каскада УМ. При этом необходимо расчетную
величину полезной мощности Р_вых, для каждого плеча взять
равной половине заданной полезной мощности, выделяемой в нагрузке
Р_н, то есть

Р_вых = Р_н / 2 =
I_mк U_mк / 4

С учетом коэффициента трансформации и
КПД трансформатора h_тр полезная выходная мощность
каждого плеча будет определяться выражением:

Р_вых
×h_тр = Р_н / 2 = I_mк
U_mк / (2 × 2) =
I2_mк R_экв / 4,

где R_экв = n2
R_н , n = W₁ / 2W₂ ;

W₁ / 2 — число витков
полуобмотки первичной обмотки трансформатора;

R_экв — приведенное
сопротивление нагрузки к одной первичной полуобмотке выходного
трансформатора; величину напряжения источника питания в режиме
классов АВ1 или В выбирают из расчета

Е_к 0.6 *
U_{m вых} (1.1
—
1.25)U_{кэ 0}.

В таких двухтактных схемах УМ можно
получить полезную выходную мощность в нагрузке Р_вых 3Р_{к
макс доп} при заданной рабочей температуре. Коэффициент
полезного действия такого каскада УМ в режиме класса В
достигает  h_э = Р_вых * 100% 
/  Р  45
—
60%. 

4.5.4. Четырехкаскадный ОУ

ОУ на рис. 4.5.5 имеет четыре каскада усиления. Первый
каскад образован транзисторами VT1 и VT2. Он имеет дифференциальный вход и
дифференциальный выход. Смещение рабочей точки транзисторов создается отражателем тока,
реализованным на транзисторах VT3 и VT9. Вторым каскадом является дифференциальный усилитель
на транзисторах VT4 и VT5. Смещение создается источником тока на транзисторе VT6.
Выходной сигнал снимается с коллектора VT5.

Третий каскад реализован на p-n-p транзисторе VT7. Этот каскад обеспечивает дополнительное усиление
схемы. Однако его главное назначение – сдвиг постоянной составляющей
напряжения.

Последним каскадом ОУ является эмиттерный повторитель
на транзисторе VТ4. Его назначение – усиление мощности выходного
сигнала и обеспечение малого выходного сопротивления ОУ.

Расчет постоянных составляющих токов и напряжений в схеме ОУ на рис. 4.5.5
. Для упрощения расчетов полагаем, что коэффициент
,
так что для всех транзисторов .
Все транзисторы работают в активном режиме, поэтому .

1. Рассчитываем сопротивление резистора ,
обеспечивающего заданное значение тока смещения

.

2. 
Поскольку схема входного каскада симметрична, токи коллекторов VT1 и
VT2

.

3.
Напряжения
коллекторов VT1 и VT2

.

4. 
Для обеспечения нужного тока смещения для второго каскада транзистор VT6
образован четырьмя транзисторами, соединенными параллельно. Поэтому

.

5. 
Второй каскад – дифференциальный усилитель, и ток  делится поровну между
транзисторами  VT4 и VT5

.

6.Напряжение
коллектора пятого транзистора

.

7.
Напряжение коллектора второго транзистора подается на базу VT5.
Поэтому  , а
напряжение эмиттера VT5

.

8. 
Напряжение эмиттера p—n—p транзистора VT7

.

9. 
Токи коллектора и эмиттера VT7

.

10.
Напряжение
коллектора VT7

.

11. 
Выходное напряжение ОУ меньше напряжения  на величину :

.

Рис.
4.5.5

Каскад с общей базой

Усилительный каскад с общей базой носит название повторителя тока. Повторителем тока называют усилитель с коэффициентом усиления по току K_I = 1. Повторители тока, не обеспечивая усиления по току, имеют достаточно высокий коэффициент усиления по напряжению и, следовательно, по мощности. Типовая схема повторителя тока на биполярном транзисторе (каскад с ОБ) приведена на рисунке 2.33.

Рисунок 2.33 – Усилительный каскад с ОБ

Отсутствие усиления тока в усилительном каскаде с ОБ является главным недостатком данной схемы. Поэтому схема с ОБ в каскадах предварительного усиления применяется реже, чем схема с ОЭ. Однако схема с ОБ обладает и рядом преимуществ. Во-первых, каскад с ОБне инвертирует входного сигнала (то есть в пределах полосы пропускания фазы сигналов на входе и выходе усилителя совпадают). Во-вторых, ширина полосы пропускания в каскаде с ОБ больше, чем в каскаде с ОЭ (за счет расширения в область ВЧ).

Эквивалентная схема каскада с ОБ представлена на рисунке 2.34. Воспользуемся этой схемой для составления математических соотношений, позволяющих определять основные параметры каскада с ОБ.

Рисунок 2.34 – Эквивалентная схема каскада с ОБ для области средних частот

Входное сопротивление каскада равно:

, (2.71)

где h_21Б – коэффициент передачи тока со входа на выход транзистора в схеме с ОБ (h_21Б = a_ст = 0,95 … 0,998).

Значения дифференциального сопротивления эмиттерной области r_Э, как правило, не превышают несколько десятков ом, поэтому входное сопротивление каскада с ОБ, как минимум в (1 + h_21Э) раз, меньше, чем каскада с ОЭ.

Выходное сопротивление каскада такое же, как и в каскаде с ОЭ (то есть определяется выражением (2.61)):

Коэффициент усиления напряжения каскада с ОБ в области средних частот равен

. (2.72)

Из выражения (2.72) следует, что поскольку a_ст > R_н коэффициент усиления тока K_I » a_ст. Из выражения (2.73) следует, что в каскаде с ОБ коэффициент усиления тока всегда меньше единицы.

Как видно из схемы (рисунок 2.33), каскад охвачен глубокой отрицательной обратной связью по току, поскольку выходной коллекторный ток полностью протекает через входную эмиттерную цепь. Благодаря этому повторитель тока по схеме с общей базой имеет очень низкое входное сопротивление, практически равное r_Э.

Низкоомный вход повторителя тока по схеме с общей базой имеет ряд преимуществ:

— уменьшаются частотные искажения, связанные с наличием входной емкости каскада;

— более эффективно используется источник сигнала, который практически работает в режиме короткого замыкания;

— глубокая отрицательная обратная связь приводит к увеличению выходного сопротивления и снижению выходной емкости;

— нейтрализуется паразитная обратная связь через проходную емкость С_КБ;

— входной сигнал передается на выход без изменения фазы.

Рекомендуемая литература

1. Гусев, В. Г. Электроника и микропроцессорная техника: учеб. для вузов / В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев. – 3-е изд. перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 2004. – 790 с.
2. Быстров, Ю. А. Электронные цепи и микросхемотехника: учеб. /
   Ю. А. Быстров, И. Г. Мироненко. – М.: Высш. шк., 2002. – 384 с.: ил.
3. Степаненко, И. П. Основы микроэлектроники: учеб. пособие для вузов / И.П. Степаненко. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2003. – 488 с.: ил.
4. Хоровиц, П. Искусство схемотехники / П. Хоровиц, У. Хилл: пер.
   с англ. – 6-е изд. – М.: Мир, 2003. – 704 с., ил.
5. Довгун, В. П. Электротехника и электроника: учеб. Пособие: в 2-х ч. Ч. 2 / В. П. Довгун. – Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006. – 252 с.
6. Крекрафт, Д. Аналоговая схемотехника. Схемы, системы, обработка сигнала / Д. Крекрафт, С. Джерджли. – М. Техносфера, 2005 – 360 с.

Кейс 2. Удержание нужного объема трафика

В этом примере применения Каскада правил используется также инструмент К50 «Стратегии». Он автоматически рассчитывает выгодные ставки, а Событие управляет ими на аукционах показов рекламных объявлений для достижения поставленных KPI.

Расчетная ставка — это величина целевого СРС, которая позволяет получить максимальный результат по целям, не выходя за рамки заданных KPI (СРО, ДРР, ROI и других).

Такой каскад правил помогает получать нужный объем трафика, не превышая рентабельной цены целевого действия или стоимость лида. В этом случае стратегия сначала рассчитывает рентабельную списываемую цену по заданным KPI, затем каскад правил сравнивает прогнозное значение списываемой цены различных объемов трафика с полученным рентабельным значением.

Пример Каскада правил на биддинг в Яндекс.Директе в кейсе компании «Империя пиццы»

Объем выкупаемого трафика для каждой фразы последовательно повышается, пока прогнозное значение списываемой цены не достигнет лимита рентабельности.

Применение в Каскаде правил расчетной ставки помогает получить максимальные охваты и при этом снизить стоимость привлеченного лида. Например, в кейсе «Империи Пиццы» таким образом удалось:

• на 30% снизить CPO;

• на 35% снизить среднюю цену клика;

• на 94% увеличить количество транзакций.

Для Google Ads можно реализовать похожую логику с учетом особенностей рекламной площадки. Google проводит аукцион всего за три варианта размещения объявлений: показ на первой позиции, показ над результатами поиска и показ на первой странице. Поскольку нельзя торговаться за определенную позицию, то вместо списываемой цены в правилах можно использовать среднюю стоимость целевого действия за определенный период. Например, в кейсе iProspect и «Дом.ру» в качестве ориентира был взят средний CPC за семь дней.

Пример каскада правил на биддинг в Google Ads с использованием вместо списываемой цены среднего СРС за 7 дней (кейс Дом.ru)

За два месяца по сравнению с аналогичным периодом до применения каскада правил удалось снизить СРО на 19%.

История

• 1904 год — Ли де Форест на основе созданной им электронной лампы — триода — разработал устройство усиления электрических сигналов (усилитель), состоящее из нелинейного элемента (лампы) и статического сопротивления Ra, включенного в анодную цепь.
• 1932 год — Гарри Найквист определил условия устойчивости (способности работать без самовозбуждения) усилителей, охваченных отрицательной обратной связью.
• 1942 год — в США построен первый операционный усилитель — усилитель постоянного тока с симметричным (дифференциальным) входом и значительным собственным коэффициентом усиления (более 1000) как самостоятельное изделие. Основным назначением данного класса усилителей стало его использование в аналоговых вычислительных устройствах для выполнения математических операций над электрическими сигналами. Отсюда его первоначальное название — решающий.

Биполярный транзистор в схеме с ОБ

1. 
Цель и содержание работы

Целью работы является изучение принципа действия,
основных параметров и статических вольтамперных характеристик (ВАХ) биполярного
транзистора в схеме с общей базой (ОБ). В работе снимаются входные, выходные и
передаточные ВАХ германиевых и кремниевых транзисторов. По характеристикам определяется
основные параметры.

1. 
Характеристики и параметры биполярных транзисторов

Биполярный транзистор представляет собой трёхэлектродный полупроводниковый
прибор на основе p-n-p или n-p-n структуры, предназначенный для усиления и генерации
электрических сигналов. Процессы в p-n-p и n-p-n структурах протекают аналогично. Например, в р-п-р
структуре n-область, разделяющая p-области,
называется базой, одна из p-областей – эмиттером, а другая – коллектором
(рис. 3.1).

В основном рабочем режиме – активном, эмиттерный переход
смещен в прямом направлении, коллекторный – обратном. Полярности внешних напряжений
в схеме с ОБ для p-n-p или n-p-n транзисторов показаны на рис. 3.2. Эмиттер легирован
значительно сильнее, чем база, поэтому при включении его в прямом направлении
ток эмиттера  в p-n-p- транзисторе представляет собой ток инжекции дырок в базу.
Инжектированные дырки диффундируют к коллектору. Так как ширина базы  много меньше диффузионной длины дырок , то большая часть дырок доходит до обратно
смещенного коллектора, захватывается его полем и переносится в коллектор,
образуя коллекторный ток.

Рис. 3.1. Структура биполярного p-n-p транзистора

а)                                                       
б)

Рис.
3.2. Полярности
на p-n-p (а) и n-p-n (б) транзисторах
для нормального включения

Поскольку коллектор включен в обратном направлении, то его
ток определяется только дырками, дошедшими из эмиттера, и почти не зависят от
напряжения на коллекторе. Коллектор обладает большим выходным сопротивлением и
по отношению к внешней цепи является генератором тока .
Высокое выходное сопротивление коллекторного перехода позволяет включить в его
цепь достаточно большое сопротивление нагрузки, на котором выделяется мощность,
значительно больше мощности, затраченной во входной цепи. Энергия источника
питания с помощью транзистора преобразуется в энергию электрического сигнала.

2.1. Коэффициент передачи тока

При  = 0 через коллекторный переход
идет некоторый начальный обратный ток ,
обусловленный тепловой генерацией электронно-дырочных пар.

Коэффициент передачи тока  показывает
отношение коллекторного тока (без ) к эмиттерному.

,  так как обычно                          (3.1)

Величина  зависит от параметров
базы и эмиттера, она обычно близка к единице и составляет около 0,95…..0,98.

Закон Кирхгофа для токов в транзисторе выражается соотношением

, что позволяет, используя (3.1),
представить ток базы и  в виде:

=                                                    (3.2)

                                                                                         (3.3)

Основную долю базового тока составляет ток рекомбинации,
пропорциональный общему избыточному заряду дырок в базе

,                                                                                  (3.4)

где  – время
жизни дырок в базе.

На рис. 3.3 показано распределение дырок в базе для двух
напряжений на коллекторном переходе. Распределение дырок в базе подчиняется
уравнению непрерывности и граничным условиям Шокли у эмиттерного перехода

,                                                          (3.5)

где      — равновесная концентрация
дырок в n-базе;

– собственная
концентрация;

 –
концентрация доноров в базе.

На коллекторном переходе

Так как в нормальном режиме  и , то , а . Ток дырок в базе имеет
диффузионный характер, поэтому

,                                                                 (3.6)

где  –
площадь эмиттерного перехода.

Так как рекомбинация в тонкой
базе  незначительна, то

            и       

Распределение дырок в базе имеет
почти линейный вид (рис.3.3)

,                                                                      (3.7)

а заряд дырок , проходящих сквозь базу, пропорционален
заштрихованной на рис. 3.3 площади

                                      (3.8)

Рис. 3.3. Распределение дырок в базе p-n-p транзистора

 в активном нормальном режиме

Коэффициент передачи тока  с
учетом (4.3) и (4.4) принимает вид

, поскольку                 (3.9)

Это выражение правильно передаёт зависимость коэффициента передачи
от толщины базы и времени жизни дырок в ней, но не учитывает вкладов электронных
токов эмиттерного и коллекторного переходов.

2.2. Вольтамперные характеристики транзистора

При включении транзистора по схеме с ОБ входным током будет
ток эмиттера , выходным — ток коллектора , входным напряжением — напряжение на
эмиттерном переходе , выходным — напряжение на
коллекторном переходе  (рис. 3.2).

Входные ВАХ показаны на рис. 3.4.а. Они почти повторяют ВАХ
прямосмещенного эмиттерного перехода

где      —
обратный ток эмиттерного перехода.

Выходные характеристики  показаны
на рис. 3.4б.

                        
а)                                                             б)

Рис. 3.4.  Вольтамперные характеристики
транзистора в схеме с ОБ:

 а) – входные;  б) — выходные

При  выходная ВАХ представляет собой
перевернутую характеристику коллекторного перехода с током насыщения . При  к нему прибавляется ток
. Полный ток коллектора составляет

                                                                                                                                           (3.10)

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.

РК-02-18.

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.

Схема с фиксированным током базы

Схема с фиксированным током базы является самой простой
схемой усилительного каскада. Эта схема усилительного каскада используется в основном начинающими радиолюбителями. Кроме
того она рассматривается в учебном процессе при обучении основам схемотехники. Схема усилительного каскада с фиксированным
током базы позволяет использовать для питания цепей базы и коллектора транзистора один и тот же источник питания. Схема с
фиксированным током базы приведена на рисунке 1.

Недостатком данной схемы усилительного каскада является зависимость линейных и нелинейных параметров усилителя от температуры,
напряжения источника питания и разброса параметров транзисторов. По этой причине усилительные каскады с фиксированным током базы
в современной аппаратуре не применяется. Подробнее…

5.1. Общие сведения

В настоящее время в усилительной технике наиболее хорошо используются биполярные (БТ) и полевые (ПТ) транзисторы. Для построения усилителей используются ИМС. При этом ИМС при определённых условиях можно рассматривать в целом как некоторый самостоятельный своеобразный усилительный элемент (прибор).

В цепях питания усилительных элементов (УЭ) обычно протекают переменные токи и постоянные составляющее токов. Режим работы УЭ при отсутствии сигнала на его входе называют режимом по постоянному току.

Рис. 5.1. Цепи питания электродов биполярного транзистора для схемы с общим эмиттером.

На рис. 5.1. показаны цепи питания БТ для случая, когда напряжение (ток) смещения (i_Б0) создаётся отдельным источником питания Е_СМ. Резистор R_СМ в данной схеме является ограничивающим величину тока базы (смещения) i_Б0. В выходной электрод включен второй, основной источник питания Е_П. С помощью резистора R_К обеспечивается необходимый режим работы транзистора.

Для данной схемы напряжение коллектор-эмиттер U_КЭ (U_К0) будет равно:

U_К0 = Е_П – i_К0·R_К ;

в цепи эмиттера протекает сумма токов i_Б0 и i_К0:

i_Э0 = i_Б0 + i_К0.

Ёмкость С_Р является разделительной. Для расчета используют семейство статических характеристик, рис. 5.2:

Рис. 5.2. Семейство входных а) и выходных б) статических характеристик для схемы с общим эмитером

Р.Т. – рабочая точка.

Использовать два источника питания для маломощных каскадов усиления нерационально. Поэтому практические схемы обычно имеют один источник питания Е_П, а смещение и стабилизацию обеспечивают с помощью специальных цепей, называемых цепями смещения и стабилизации. Для этой же цели разработаны специальные схемы, к рассмотрению которых мы перейдём.

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.

2.8. Усилительный каскад на биполярном транзисторе с ОК

Скрыть рекламу в статье

2.8. Усилительный каскад на биполярном транзисторе с ОК

Схема каскада с ОК с эмиттерной схемой термостабилизацией приведена на рисунке 2.26.

Рисунок 2.26. Усилительный каскад с ОК

Схема для частот сигнала изображена на рисунке 2.27.

Рисунок 2.27. Схема каскада с ОК для частот сигнаа

Каскад с ОК называют еще «повторителем напряжения» или «эмиттерным повторителем», т.к. коэффициент передачи по напряжению этого каскада меньше единицы, что вытекает из его дальнейшего анализа.

При подаче на базу положительной полуволны входного синусоидального сигнала будет увеличиваться ток коллектора и, следовательно, ток эмиттера. В результате падение напряжения на Rэ увеличится, т.е. произойдет формирование положительной полуволны выходного напряжения. Таким образом, каскад с ОК не инвертирует входной сигнал.

Напряжение сигнала, приложенное к эмиттерному переходу, является разностью между U_вх и U_вых. Чем больше и U_вых (при заданном U_вх), тем меньше окажется напряжение, приложенное к эмиттерному переходу, что будет приводить к уменьшению тока эмиттера и, соответственно, к уменьшению U_вых, т.е. в каскаде с ОК проявляется действие ООС, причем 100%-ной.

Анализ работы усилительного каскада с ОК по входным и выходным динамическим характеристикам проводится как для ОЭ (см. раздел 2.5).

 Для расчета параметров каскада с ОК по переменному току используем методику раздела 2.3, а БТ представлять моделью предложенной в разделе 2.4.1.

 Представим каскад с ОК схемами для областей СЧ, ВЧ и НЧ (рисунок 2.28 а,б,в):

Рисунок 2.29. Схемы каскада с ОК для СЧ, ВЧ и НЧ

Проведя анализ, получим для области СЧ:

где R_экв = R_э ? R_н, F = 1 + SR_экв — глубина ООС;

R_вх = R₁₂ ? R_{вх T},

где R_{вх T} — входное сопротивление собственно транзистора,

R_{вх T} = r_б + (1 + H_21э)·(r_э + ?_r + R_экв);

R_вых = R₁₂ ? R_{вых T},

где R_{вых T} — выходное сопротивление собственно транзистора,

т.к. S>>g и при работе каскада от низкоомного источника сигнала (при этом R_б=R₁₂?R_г) второе слагаемое оказывается существенно меньше первого. В целом

R_вых ? 1/S,

потому, что, как правило, R_э >> 1/S.

В области ВЧполучим:

где ?_вОК — постоянная времени каскада в области ВЧ, ?_вОК =(?+C_нR_экв)/F; ? — постоянная времени БТ.

Y_вх ? 1/R₁₂ + (1/R_вхT + j?C_{вх дин}),

где C_{вх дин}=C_к+C_н/(H_21э+1), т.е. каскад с ОК имеет входную динамическую емкость меньшую, чем каскад с ОЭ;

т.е. модуль выходной проводимости уменьшается с ростом частоты, что позволяет сделать вывод об индуктивном характере выходной проводимости каскада с ОК на ВЧ. Количественно индуктивную составляющую выходного импеданса можно оценить следующим образом:

L_выхОК = r_б/2?f_Tm

где m=(1,2…1,6).

Выражения для относительного коэффициента передачи Y_в и коэффициента частотных искажений M_в и соотношения для построения АЧХ и ФЧХ каскада с ОК аналогичны приведенным в разделе 2.5 для каскада с ОЭ.

 В области НЧполучим:

K_н = K/(1 + 1/j??_н),

где ?_н — постоянная времени разделительной цепи в области НЧ. далее все так же, как для каскада с ОЭ.

Характеристики БТ при различных схемах включения приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Характеристики БТ при различных схемах включения

Оглавление книги

История

• 1904 год — Ли де Форест на основе созданной им электронной лампы — триода — разработал устройство усиления электрических сигналов (усилитель), состоящее из нелинейного элемента (лампы) и статического сопротивления Ra, включенного в анодную цепь.
• 1932 год — Гарри Найквист определил условия устойчивости (способности работать без самовозбуждения) усилителей, охваченных отрицательной обратной связью.
• 1942 год — в США построен первый операционный усилитель — усилитель постоянного тока с симметричным (дифференциальным) входом и значительным собственным коэффициентом усиления (более 1000) как самостоятельное изделие. Основным назначением данного класса усилителей стало его использование в аналоговых вычислительных устройствах для выполнения математических операций над электрическими сигналами. Отсюда его первоначальное название — решающий.

Подведем итоги:

• Посмотрите на рисунок ниже.
• Выберите схему смещения.
• Выберите RК и IЭ для вашего приложения. Значения RК и IЭ обычно должны устанавливать напряжение коллектора VК на 1/2 от Vпит.
• Рассчитайте резистор базы RБ, чтобы получить необходимый ток эмиттера.
• Если необходимо, пересчитайте ток эмиттер IЭ для стандартных номиналов резисторов.
• Для схемы смещения с делителем напряжения выполните сначала расчет смещения эмиттера, а затем определите R1 и R2.
• Для усилителей переменного тока: конденсатор обхода, параллельный RЭ, улучшает усиление по переменному напряжению. Выберите XC≤0,10RЭ для самой низкой частоты.

Формулы расчета смещения (вкратце) Оригинал статьи:

Biasing Calculations

Похожие записи:

Как выставить зажигание с помощью стробоскопа? Сигнализация действия защиты и автоматики Подключение потолочного светильника со светодиодами Маркировка smd компонентов: кодовые обозначения Как сделать веб-приложение для вашего собственного bluetooth low energy девайса? Как подключить усилитель в машине