Усилитель с ОЭ, конденсатор в цепи эмиттера

[YS]

Последнее время я в рамках духовного развития много думал на тему самого обычного усилителя с общим эмиттером, и у меня созрел один вопрос.



Верно ли я понимаю, что конденсатор, шунтирующий эмиттерный резистор, лучше не ставить, т.к. он ухудшает стабильность каскада? Другими словами, я пришел к выводу, что его установка это отчаянная попытка выжать большее усиление ценой ухудшения параметров усилителя.

Я поясню, как я к этому пришел и в каком смысле я это говорю.

Если я все верно помню, усиление такой схемы определяется отношением сопротивления в коллекторной цепи к сопротивлению в эмиттерной цепи. Сопротивление в эмиттерной цепи складывается из сопротивления резистора и некоторого эквивалентного сопротивления эмиттера транзистора.

Так вот, если эмиттерный резистор достаточно велик, свойства транзистора не оказывают влияния на стабильность усиления каскада - только бы β был достаточно велик. Скажем, если мы хотим получить усиление 10, а β>100 (как обычно бывает), режим каскада будет стоять как вкопанный.

Эмиттерный конденсатор шунтирует эмиттерный резистор в рабочем диапазоне частот. Таким образом, усиление начинает определяться отношением сопротивления в коллекторной цепи ко внутреннему эквивалентному сопротивлению эмиттера. А оно мало того что зависит от тока каскада, так еще и от температуры, экземпляра транзистора и прочего. Т.е., усиление становится трудно предсказать, и, кроме того, оно будет плавать в зависимости от разных факторов.

Таким образом я заключаю, что лучше поставить несколько каскадов с небольшим, но стабильным усилением, чем выжимать максимальное, но плохо предсказуемое и нестабильное усиление из одного каскада.

[dr.doc]

Возможно, возможно... Только такие схемы очень часто применяются в составе дополнительного каскада с общей ООС по усилителю, нивелирующей данные последствия.

[YS]

Э-э-э, общая ООС - это уже совсем другая история. Конечно, в такой постановке вопроса самое главное - выжать максимум из каждого каскада, а все остальное компенсирует ООС.

В общем, я так понял, что в целом я не погрешил против истины. Это радует.

Вообще, после прочтения разных трудов по усилителям у меня возникло ощущение, что подобная схема в существенной степени анахронизм, наследие ламповой техники, а современные усилители строятся в основном с применением дифференциальных каскадов и самостабилизирующихся топологий, в таком духе:

[sstvov]

Такая схемотехника (1пост) применялась во времена германиевых транзисторов, когда требовалось улучшить термостабильность такого усилителя. Да и усиление было маленькое у транзисторов.

[Maks]

я заключаю, что лучше поставить несколько каскадов с небольшим, но стабильным усилением, чем выжимать максимальное

Вот Вы обобщаете, а на самом деле сводите все только к каким нибудь мигалкам типа цветомузыки или максимум к УНЧ и забываете, что есть еще ВЧ и СВЧ.
Многокаскадные схемы не всегда устойчивы. Особенно это проявляется на высоких частотах, поэтому, прежде чем обобщать, нужно просто посмотреть шире.
Схема без конденсатора, это схема с ООС по постоянному и переменному току.
Схема с большой емкостью, это схема с ООС по постоянному току.
А вообще часто, особенно на ВЧ данный конденсатор может являться элементом так называемой эмиттерной ВЧ коррекции.
Поэтому не нужно обобщать, а просто применять те схемы, которые наиболее оптимальны в каждом конкретном случае.

[B@R5uk]

Последняя схема так будет правильнее:



Конденсатор последовательно с R7 нужен, чтобы постоянное напряжение на выходе равнялось постоянному напряжению, задаваемым делителем R1/R2, а конденсатор параллельно Q3 ограничивает усиление схемы на высоких частотах, где набег фазы во всех каскадах равняется два пи, чтобы усилитель, охваченный ООС, не возбуждался. Вместо R3 лучше поставить источник тока, это улучшит второй фронт, а ещё лучше, вместо R3 и R4 поставить токовое зеркало. Вместо R5 нужен источник тока. Вместо R6 тоже нужен источник тока. Тогда усилитель станет идеальным простейшим усилителем с топологией Лина.

Резистор в эмиттерной цепи каскада в первом посте нужен в первую очередь для температурной стабилизации режима работы транзистора. Раньше транзисторы имели не только малый коэффициент передачи тока, но и очень большой обратный ток коллектора. Поэтому конденсатор там является компромиссом.

Если уж думать над тем, что мы портим добавлением конденсатора в схему, то в первую очередь бы я вспоминал про нелинейные искажения. Эмиттерный резистор образует ООС в каскаде, которая эти искажения снижает, конденсатор эту ООС блокирует, повышая искажения. Зависимость параметров каскада от параметров транзистора, на мой взгляд, на этом фоне сущие пустяки. Но это всё на НЧ. На ВЧ же, как верно заметил пользователь Maks, эта схема вполне имеет право на жизнь, а проблемы с нелинейностями шутя решаются LC-контурами.

[YS]

Вместо R3 лучше поставить источник тока, это улучшит второй фронт, а ещё лучше, вместо R3 и R4 поставить токовое зеркало. Вместо R5 нужен источник тока. Вместо R6 тоже нужен источник тока. Тогда усилитель станет идеальным простейшим усилителем с топологией Лина.

Следующий шаг - поставить операционный усилитель (который по сути и получится в дискретном варианте при таких модификациях), и схема станет усилителем Агеева.

Многокаскадные схемы не всегда устойчивы.

Устойчивость - это интересная тема. Можете в двух словах пояснить, почему может быть неустойчив усилитель без общей ООС, составленный из отдельных каскадов (если не принимать во внимание паразитное проникновение сигнала с выхода на вход)? По идее ведь все каскады должны работать независимо.

На ВЧ же, как верно заметил пользователь Maks, эта схема вполне имеет право на жизнь

Здесь у меня возникает вопрос: как в таком случае более-менее точно рассчитать усиление каскада? При введении ОС все просто, усиление определяется соотношением двух резисторов; в варианте же с конденсатором все начинает зависеть от параметров транзистора. Как в таком случае обеспечить повторяемость в производстве? Или для каждого транзистора подбирать ток базы?

Вообще - спасибо за комментарии, они дают пищу для размышлений.

[B@R5uk]

Усилитель Агеева — лютый трэш, не достойный упоминания. А по топологии Лина собрано подавляющая часть как усилителей мощности, так и операционных усилителей. Мне даже совестно эти два схемотехнических решения в одном абзаце упоминать.

как в таком случае более-менее точно рассчитать усиление каскада?

Да это и не нужно, чем больше тем лучше. Выходной каскад всё равно может работать в полуключевом режиме. В режиме В он уже будет работать. Хотя, буду честным, я не специалист в вопросе ВЧ-усилителей.

[Денис]

Устойчивость - это интересная тема.

Простейший пример.
Простейший усилитель ВЧ.
Эмиттерный конденсатор не зашунтирован емкостью.
Красным нарисовал емкость база-эмиттер и монтажную конструктивную емкость.



А теперь посмотрите схему генератора Клаппа и найдите отличия?

Спойлер

[B@R5uk]

По поводу низкочастотных УМ. YS, вы же читали книгу Данилов А. А. - Прецизионные усилители низкой частоты ? Если нет, то настоятельно рекомендую, очень интересная и познавательная. Для меня во всяком случае была.

[YS]

вы же читали книгу Данилов А. А. - Прецизионные усилители низкой частоты ?

Увы нет, я читал книгу Audio Power Amplifier Design Handbook товарища по имени Douglas Self.

Денис, про такой механизм возбуждения я в курсе. Я спрашивал про то, как может быть нестабильным усилитель из нескольких по отдельности стабильных каскадов при условии, что он не охвачен общей ОС.

Да это и не нужно, чем больше тем лучше. Выходной каскад всё равно может работать в полуключевом режиме.

Выходной - да. Но если это входной малошумящий усилитель?

[El-Eng]

Верно ли я понимаю, что конденсатор, шунтирующий эмиттерный резистор, лучше не ставить, т.к. он ухудшает стабильность каскада?

Выигрыш в усилении, чаще всего, важнее некоторого снижения стабильности.

...если эмиттерный резистор достаточно велик, свойства транзистора не оказывают влияния на стабильность усиления каскада - только бы β был достаточно велик.

Усиление каскада, даже без эмиттерного резистора, весьма слабо зависит от β. Значительно сильнее оно зависит от тока эмиттера.

...как в таком случае более-менее точно рассчитать усиление каскада?

Усиление каскада достаточно точно равно Kу=(Rк||(Ue/Iк))/(Rэ+Ut/Iэ), где Ue - напряжение Эрли (для кремниевого эпитаксиально-планарного n-p-n транзистора примерно 100-150в, для p-n-p - 50-80в), а Ut - температурный потенциал (26мв).

[YS]

Усиление каскада, даже без эмиттерного резистора, весьма слабо зависит от β. Значительно сильнее оно зависит от тока эмиттера.

Где про это можно почитать поподробнее? Просто мне казалось, что без какой-либо ОС транзистор выдаст усиление, в точности равное β.

[El-Eng]

... без какой-либо ОС транзистор выдаст усиление, в точности равное β.

Нет, это не так. Вообще, β нужно рассматривать как коэффициент, говорящий лишь о том, какой будет ток базы при заданном токе эмиттера (коллектора), ну и еще о том, какое будет входное сопротивление при известном токе эмиттера и эмиттерном резисторе. Почитать об этом лучше всего в Титце-Шенке, в Хоровице-Хилле, а если хотите углубиться как следует, то читайте И.П. Степаненко, "Основы теории транзисторов и транзисторных схем", правда там вы не всегда найдете готовые инженерные формулы, хотя их легко получить, сделав выводы из прочитанного.

[B@R5uk]

Просто мне казалось, что без какой-либо ОС транзистор выдаст усиление, в точности равное β.

Это усиление по току, а вас интересует усиление по напряжению. Оно будет определяться кроме всего прочего входным сопротивлением — коэффициентом, с которым амплитуда входного напряжения преобразуется в амплитуду базового тока транзистора. Тут нет никакой магии, даже в книжку не заглядывай. А вот от чего зависит это сопротивление, уже гораздо более интересный вопрос.

[YS]

Усиление каскада, даже без эмиттерного резистора, весьма слабо зависит от β. Значительно сильнее оно зависит от тока эмиттера.

Тем временем я почитал методичку MIT на эту тему.

Там есть формула (1.5), которая гласит, что усиление каскада по переменному току Av = (β/(β+1)) * (Rc / (RE + re)), где Rc - сопротивление в цепи коллектора, RE - сопротивление в цепи эмиттера, re - сопротивление эмиттера, определяемое как re = VT / IE, где VT - те самые 26 мВ (при комнатной температуре), IE - ток эмиттера, который в случае большого β можно положить равным току коллектора.

Получается, что усиление каскада (по переменному току) при наличии конденсатора в эмиттерной цепи можно посчитать как

Av = (β/(β+1)) * ((Rc * IE) / VT)

Однако тут никак не фигурирует напряжение Эрли, да и в целом формула получается немного другая.

Интересно, что от β усиление каскада и правда почти не зависит, что так, что так.

Кроме того видно, что наличие эмиттерного резистора (без конденсатора) снижает зависимость усиления от тока эмиттера. Тоже интересно.

[B@R5uk]

Мне больше нравится рассматривать базовый переход не как резистор с сопротивлением, зависящим от тока, а честно, как диод, для которого есть формула:

I = I_0 * ( exp ( e * U / (k * T) ) - 1 )

Я понимаю, что дифференциальное сопротивление диода и равняется

k * T / (e * I) = U_T / I

но в этом виде нагляднее нелинейность цепи.

[El-Eng]

Однако тут никак не фигурирует напряжение Эрли, да и в целом формула получается немного другая.

Приведенная мной формула является более инженерной. Я сознательно опустил множитель β/(β+1) поскольку для типичных β он очень близок к единице. Что касается эффекта Эрли, то он ограничивает максимально достижимый коэффициент усиления каскада. Представьте себе, что коллектор транзистора нагружен, скажем, на источник тока 26мА с внутренним сопротивлением порядка 1ГОм (что вполне реально), тогда по формуле из методички усиление получится в районе миллиарда, что вряд ли является правдой. Оно и не является. Именно эффект Эрли ограничит усиление величиной порядка 3-4 тысяч, что существенно ближе к истине. Напряжение Эрли определяет сопротивление тела коллектора (при обратном смещении). Аналогом этого сопротивления является внутреннее сопротивление лампы.
Еще хочу заметить, что не следует уделять чрезмерного внимания точности используемых формул. Они должны давать лишь адекватную оценку. Не нужно забывать о разбросе параметров реальных транзисторов.

Кроме того видно, что наличие эмиттерного резистора (без конденсатора) снижает зависимость усиления от тока эмиттера.

Это действует ООС по напряжению. К сожалению, она здесь не так эффективна, поскольку не снижает выходного сопротивления (сигнал снимается с коллектора, который вне петли ООС, в эмиттерном повторителе все существенно лучше). Поэтому выгоднее вытащить усиление по полной и охватить общей ООС несколько каскадов.

[YS]

B@R5uk, El-Eng, спасибо, теперь все понемногу проясняется. То есть выходит, что предельное усиление каскада вообще не зависит (слабо зависит) от типа применяемого транзистора?

Единственное, что мне теперь непонятно, - каков механизм влияния частоты единичного усиления транзистора на полосу рабочих частот каскада. Ведь в формулу, по сути, не входит никакой частотно-зависимой характеристики транзистора. Создается ощущение, что транзистор можно ставить любой.

[B@R5uk]

Есть ёмкость база-эмиттер и база-коллектор. Первую надо перезаряжать, чтобы изменить ток базы, вторая образует обратную связь.