Каскад с общим эмиттером

При включении биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером (ОЭ) входной сигнал подаётся на базу относительно эмиттера, а выходной сигнал снимается с коллектора относительно эмиттера. При этом выходной сигнал инвертируется относительно входного (для гармонического сигнала с не очень высокой частотой фаза выходного сигнала сдвинута относительно входного на 180°, при высоких частотах фазовый сдвиг отличается от 180° из-за инерционности транзистора).

Данное включение транзистора позволяет получить наибольшее усиление по мощности, потому что усиливается и ток, и напряжение.

Общее описание включения транзистора по схеме ОЭ

Биполярные транзисторы, в отличие от полевых транзисторов, приборы управляемые током базы. Напряжение на прямо смещённом переходе база-эмиттер при этом остаётся почти постоянным и зависит от материала полупроводника, для германия около 0,2 В, для кремния около 0,65 В, но на сам каскад подаётся управляющее напряжение.

Ток базы, коллектора и эмиттера и другие токи и напряжения на электродах транзистора можно вычислить по закону Ома и правилам Кирхгофа для разветвлённой многоконтурной цепи.

Токи в транзисторе связаны нижеследующими соотношениями:

по правилу Кирхгофа для узлов алгебраическая сумма всех трёх токов ([math]\displaystyle{ I_e,\ I_c,\ I_b }[/math] — ток эмиттера, ток коллектора и ток базы соответственно) равна нулю:

[math]\displaystyle{ \sum_{k=1}^{3} I_k=0, }[/math]

[math]\displaystyle{ I_c=I_b\cdot \beta, }[/math]

[math]\displaystyle{ I_e=I_c+I_b=I_b\cdot(\beta+1), }[/math]

где [math]\displaystyle{ \beta =\alpha/(1-\alpha) }[/math] — коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером, или коэффициент передачи по току база — коллектор;

[math]\displaystyle{ \alpha=I_c/I_e }[/math] — коэффициент передачи тока эмиттера или коэффициент передачи по току эмиттер — коллектор.

Коэффициент усиления по току [math]\displaystyle{ K_I }[/math]:

[math]\displaystyle{ K_I = I_{out}/I_{in} = I_c/I_b = I_c/(I_e - I_c) = \alpha/(1-\alpha) = \beta,\ \ \beta \gg 1. }[/math]

Входное сопротивление [math]\displaystyle{ R_{in} }[/math]:

[math]\displaystyle{ R_{in} = U_{in}/I_{in} = U_{be}/I_b. }[/math]

Простейший усилительный каскад с общим эмиттером

На рисунке 1 изображён простейший каскад с общим эмиттером и его подключение к источникам сигнала, питания и нагрузке.

Каскад состоит из:

транзистора [math]\displaystyle{ VT1 }[/math];
резистора базы [math]\displaystyle{ R_b }[/math], который задаёт начальное смещение транзистора по постоянному току;
резистора [math]\displaystyle{ R_c }[/math], преобразующий изменение тока коллектора в синхронно изменяющееся напряжение на коллекторе, а также задаёт положение начальной рабочей точки по току.

Для устранения постоянной составляющей входного сигнала источник сигнала подключается ко входу каскада через разделительный конденсатор [math]\displaystyle{ C_{P1} }[/math]. С той же целью выход каскада подключается к нагрузке [math]\displaystyle{ R_H }[/math] через конденсатор [math]\displaystyle{ C_{P2} }[/math]. Поскольку конденсаторы вносят во входную и выходную цепи дополнительное реактивное сопротивление, они снижают коэффициент передачи каскада на низких частотах, но при выборе достаточно больших величин их ёмкостей это снижение можно уменьшить.

Нагрузка каскада, изображённая на схеме в виде резистора [math]\displaystyle{ R_H }[/math] может представлять собой различные устройства или схемы, например, электродинамический громкоговоритель, некоторый индикатор, вход другого усилительного каскада и т. д.

Режим работы каскада

В активном усилительном режиме транзистор [math]\displaystyle{ VT1 }[/math] открыт, напряжение на его коллекторе, при отсутствии входного сигнала, для расширения динамического диапазона, составляет приблизительно половину напряжения питания [math]\displaystyle{ E_P }[/math] — положение начальной рабочей точки, задаваемой током базы, протекающим через резистор [math]\displaystyle{ R_b }[/math].

Постоянное напряжение на базе относительно эмиттера [math]\displaystyle{ U_{be} }[/math] от входного сигнала изменяется мало и составляет примерно 0,2 В для германиевых и 0,65 В для кремниевых транзисторов. Примерное постоянство напряжения [math]\displaystyle{ U_{be} }[/math] объясняется тем, что его зависимость от тока базы логарифмическая.

С учётом этого в режиме напряжение на коллекторе при постоянном [math]\displaystyle{ R_c }[/math] полностью определяется током, втекающем в базу через резистор [math]\displaystyle{ R_b }[/math]:

[math]\displaystyle{ U_c = E_P - I_c R_c = E_P - \beta I_b R_c }[/math][math]\displaystyle{ = E_P - \beta R_c \frac {E_P - U_{be}} {R_b}, }[/math]

где [math]\displaystyle{ \beta }[/math] — коэффициент усиления по току транзистора [math]\displaystyle{ VT1 }[/math] в схеме с общим эмиттером.

Таким образом, чтобы в режиме покоя получить на коллекторе напряжение [math]\displaystyle{ U_c }[/math], при заданном [math]\displaystyle{ R_c }[/math] необходимо задать сопротивление в цепи базы [math]\displaystyle{ R_b }[/math] равным:

[math]\displaystyle{ R_b = \beta R_c \frac{E_P - U_{be}}{E_P - U_c}. }[/math]

Входное и выходное сопротивления каскада

Входное [math]\displaystyle{ R_{in} }[/math] и выходное [math]\displaystyle{ R_{out} }[/math] сопротивления каскада равны:

[math]\displaystyle{ R_{in} = R_b || r_b = \frac{R_b r_b}{R_b + r_b}, }[/math]

[math]\displaystyle{ R_{out} = R_c || r_c = \frac{R_c r_c}{R_c + r_c}, }[/math]

где [math]\displaystyle{ r_b }[/math] и [math]\displaystyle{ r_c }[/math] — внутренние сопротивления базы и коллектора транзистора соответственно. Символом [math]\displaystyle{ || }[/math] сокращённо обозначается параллельное соединение сопротивлений.

Усиление сигнала

Сигнал источника [math]\displaystyle{ U_G }[/math] поступает на вход каскада через последовательно соединённые внутреннее сопротивление источника [math]\displaystyle{ R_G }[/math] и входное сопротивление каскада [math]\displaystyle{ R_{in} }[/math], вызывая входной ток:

[math]\displaystyle{ I_b^{\sim} = \frac{U_G}{R_G + R_{in}}. }[/math]

Учитывая, что по переменному току нагрузкой в цепи коллектора является сопротивление, имеем:

[math]\displaystyle{ R_H^' = R_H || R_{out} = \frac{R_H R_{out}}{R_H + R_{out}}, }[/math]

выходное напряжение каскада можно записать как:

[math]\displaystyle{ U_{out} = I_c^{\sim} R_H^' = \beta I_b^{\sim} R_H^' = \frac{\beta U_G R_H^'}{R_G + R_{in}}, }[/math]

а коэффициент усиления по напряжению [math]\displaystyle{ K_U }[/math]:

[math]\displaystyle{ K_U = \frac{U_{out}}{U_G} = \frac{\beta R_H^'}{R_G + R_{in}}. }[/math]

Достоинства каскада с ОЭ

Большой коэффициент усиления по току.
Большой коэффициент усиления по напряжению.
Наибольшее из всех каскадов усиление по мощности.
Для питания достаточно одного источника питания.

Недостатки

Более узкий частотный диапазон по сравнению со схемой с общей базой или с общим коллектором из-за влияния ёмкости коллектор-база, вызывающей эффект Миллера.
Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.

Ключевой режим каскада с общим эмиттером

При смещении рабочей точки в одно из двух крайних состояний на проходной характеристике — или в режим отсечки коллекторного тока, или в режим насыщения транзистора, каскад с ОЭ приобретает ключевые свойства и имеет два состояния. Каскад при этом работает в ключевом режиме, как реле (состояния закрыт, открыт) и применяется как логический инвертор в логических элементах, управлением электромагнитными реле, лампами накаливания и др. Как и контактные группы реле, ключевые каскады могут формально считаться нормально закрытыми (разомкнутыми) и нормально открытыми (замкнутыми), это определяется положением рабочей точки — отсечки или насыщения.

См. также

Ссылки

Шаблон:Транзисторные усилители