4 Каскад с общим коллектором

Эмиттерным повторителем называется усилительный каскад, охваченный 100% последовательной ООС по напряжению. Транзистор в таком каскаде включен по схеме с общим коллектором.

Типовая схема эмиттерного повторителя приведена на рисунке 10.

Рисунок 10

В схеме с ОК назначение элементов R1, R2, C_p1 и C_p2 то же, что и в схеме с ОЭ. Резистор R_Э выполняет одновременно роль нагрузки в выходной цепи транзистора и элемента ООС по напряжению.

Наличие 100%-ной ООС по напряжению означает, что в эмиттерном повто­рителе выходной сигнал и сигнал обратной связи равны.

В отличие от усилителя по схеме с общим эмиттером, схема с общим коллектором не инвертирует входной сигнал. Действи­тельно, если ко входу эмиттерного повторителя приложить увели­чивающееся по уровню напряжение, то это приведет к увеличе­нию базового, а, соответственно, и эмиттерного тока транзистора. В результате этого будет увеличиваться падение напряжения на сопротивлении нагрузки каскада и, соответственно, его выходное напряжение. Таким образом, входной и выходной сигналы в схеме будут изменяться в фазе.

Математические соотношения для расчета основных параметров каскада выведем на основе анализа его эквивалентной схемы (рисунок 11).

Входное сопротивление каскада будет определяться зависимостью

R_вх = r_б + {(1 + h_21Э) [r_к || (r_э+(R_э||R_н))]}.

Однако так как r_э = 20 ... 50 Ом << R_э // R_н, r_б = 200 ... 500 Ом, то выражение для R_вх можно упростить

R_вх = (1+ h_21Э) [r_к||R_э||R_н],

Р исунок 11

или, с учетом того, что

R_вх  h_21Э (R_э||R_н) = ,

а так как обычно R_э < R_н, то допустимо считать

R_вх  h_21Э R_э.

Как видно из предыдущего выражения, входное сопротивление каскада с ОК меняется в зависимости от сопротивления нагрузки.

При выводе уравнения для входного сопротивления каскада мы не учитывали сопротивления базового делителя, однако в реальных схемах значение входного сопротивления ограничено также и сопротивлением делителя в цепи базы. Для обеспечения хорошей температурной стабилизации необходимо обеспечить, чтобы выполнялось условие R_l  R₂  R_Э. В то же время для обеспечения высокого входного сопротивления требуется, чтобы делитель не шунтировал входное сопротивление каскада, т. е. R_l  R₂ >> R_вх. Поэтому на практике приходится либо использовать непосредст­венную связь с источником сигнала (без делителя), либо искусственно повышать сопротивление цепи смещения за счет введения отрицательной ОС.

Выходное сопротивление можно найти, используя выражение

В частном случае при достаточно большом значении коэффициента передачи базового тока и низкоомном источнике входного сигнала вторым слагаемым можно пренебречь и полагать

,

где r_Э = dU_БЭ / dI_Б – дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода.

Так как сильно зависит от I_Э (например, при токе эмиттера примерно 1 мА, R_вых  25 Ом), то с увеличением тока эмиттера сопротивление r_э существенно уменьшается и R_вых может достигать единиц или даже десятых долей Ома. Однако в используемых на практике каскадах повторителей напряжения, как правило, R_вых = 100 ... 200 Ом.

Коэффициент усиления напряжения каскада найдем с учетом того, что r_э << r_к,, используя известное выражение

где

U_вых =(I_б + I_бh_21Э)  (r_к // R_э // R_н) = I_б  (1 + h_21Э)  [r_к // R_э // R_н].

Пренебрегая сопротивлением базового делителя, для входного тока можно записать

откуда E_г = I_б  (R_г + R_вх).

С учетом полученных соотношений

Используя допущения, что r_к >> R_н > R_э и R_г < r_б, последнее выражение примет вид

Анализ выражения показывает, что коэффициент усиления напряжения каскада с ОЭ K  1. В реальных схемах эмиттерных повторителей наибольшее значение коэффициента усиления может быть в пределах K = 0,9 ... 0,98. Поскольку напряжение на выходе каскада совпадает по фазе со входным напряжением, а по уровню эти напряжения также близки, за каскадом с ОК закрепилось еще одно название – повторитель напряжения.

Коэффициент усиления тока имеет значительную величину и определяется зависимостью

С учетом ранее введенных допущений окончательно получим

За счет большого усиления по току в данном каскаде обеспечивается усиление мощности.

Частотные свойства эмиттерного повторителя полностью определяются частотными свой­ствами применяемого транзистора и емкостью разделительных конденсаторов. Благодаря наличию 100 %-ой ООС каскад с ОК является более высокочастотным по сравнению с каскадом ОЭ.

Таким образом, усилительный каскад с ОК характеризуется:

• высоким входным и низким выходным сопротивлением;

• коэффициент усиления напряжения меньше единицы;

• коэффициентом усиления тока почти таким же, как и в схеме с ОЭ;

• полосой пропускания большей, чем в каскаде с ОЭ.

Основным достоинством ПН является то, что амплитуда входного сигнала для режима А может достигать до 0,5Е_п, не приводя к искажению выходного сигнала. Данное свойство и низкое выходное сопротивление и определили их применение в качестве согласующих каскадов.

Доцент кафедры ОТЗИ И. Щудро