1.3.3. Каскады “общий коллектор”, “общий эмиттер”, “общая база”
Базовые схемы включения биполярных транзисторов показаны на рис. 29 [85].
|
Рис. 29. Основные усилительные каскады на биполярных транзисторах: а – “общий эмиттер”; б – “общий коллектор”; в – “общая база” |
Рассмотрим каскад,
построенный по схеме “общий эмиттер”
(рис. 29, а). Пусть потенциал базы
транзистора равен
.
Потенциал базы будет складываться из
напряжения на переходе база – эмиттер
и падения напряжения на сопротивлении
в цепи эмиттера. Для постоянного тока
можно записать:
,
(27)
где
- ток эмиттера транзистора;
- сопротивление перехода база-эмиттер
транзистора.
Подставляя в уравнение
(27) напряжение
из уравнения (16), учитывая, что
,
и принимая во внимание падение напряжения
на эмиттерном переходе
,
получим
.
(28)
Поскольку в нормальном
активном режиме коллекторный переход
смещен в обратном направлении, т.е.
отрицательно и
,
то уравнение (28) можно упростить:
.
(29)
Пусть
.
тогда при
вторым слагаемым в уравнении (29) можно
пренебречь. Поскольку логарифмическая
функция растет медленнее, чем линейная,
то при большем токе
влияние второго слагаемого будет еще
меньше и (29) примет вид
.
(30)
Входное сопротивление транзистора можно определить как отношение приращения потенциала базы к приращению тока базы:
.
В соответствии с формулой (30) приращение потенциала базы вызовет соответствующее приращение потенциала эмиттера:
.
Учитывая, что
,
а также омическое сопротивление базовой
области
,
получим
.
(31)
Чтобы изменяющийся
ток базы транзистора не влиял на режим
работы усилителя, ток делителя
,
должен быть больше тока базы, т.е.
,
.
При выполнении
вышеуказанных условий ток покоя
транзистора (т.е. ток эмиттера при
отсутствии входного сигнала
)
определяется из уравнения
.
(32)
При расчете током покоя обычно задаются, исходя из требуемого выходного тока усилителя.
Учитывая, что
,
найдем, что напряжение на коллекторе
при отсутствии входного сигнала
.
Для обеспечения максимальной амплитуды
выходного сигнала при заданном напряжении
питания выбирают
.
При увеличении входного
напряжения транзистор открывается, при
этом ток
и падение напряжения на
увеличиваются. Потенциал коллектора
соответственно уменьшается.
Пусть входное напряжение
изменилось на величину
.
Тогда на основании (30) можно записать:
,
.
Таким образом, коэффициент усиления по
напряжению схемы “общий эмиттер” в
первом приближении
.
(33)
Отрицательное значение коэффициента усиления в формуле (33) отражает тот факт, что при увеличении напряжения на базе напряжение на коллекторе уменьшается, т.е. каскад инвертирует входной сигнал.
В общем случае
будет зависеть от выходного сопротивления
источника сигнала
,
сопротивления нагрузки
и параметров транзистора.
При учете напряжение
.
(34)
Зная напряжение
,
можно определить ток базы и ток эмиттера
транзистора:
.
(35)
При учете сопротивления
для напряжения
можно записать
.
(36)
На основании формул (34)–(36) окончательно получим
.
(37)
Входное сопротивление
схемы
будет определяться параллельным
включением сопротивлений
,
и
.
При правильном выборе делителя можно
пренебречь
и определять входное сопротивление по
формуле
.
(38)
Выходное сопротивление схемы определяется сопротивлением :
.
(39)
Емкости
и
выбирают таким образом, чтобы их
сопротивление в рабочем диапазоне
частот было пренебрежимо мало.
Емкость
и сопротивление
образуют на фильтр верхних частот
первого порядка с частотой среза
.
Емкость
образует аналогичный фильтр частот с
частотой среза
.
Как следует из (29), для повышения стабильности работы усилителя сопротивление необходимо увеличивать, однако при этом падает коэффициент усиления. Для увеличения усиления по переменному току служит емкость .
Комплексное сопротивление цепи эмиттера при учете
.
Отсюда следует, что
на частоте, большей
,
усиление будет ограничиваться
сопротивлением
в соответствии с (14.5):
.
При этом следует помнить, что одновременно
с увеличением коэффициента усиления
падает входное сопротивление схемы.
Каскад “общий коллектор”
часто называют эмиттерным повторителем,
поскольку в соответствии с (30)
,
т.е.
.
Входное сопротивление
транзистора в схеме “общий коллектор”
определяется аналогично (38), но здесь
необходимо учитывать, что параллельно
включено сопротивление нагрузки
и дифференциальное сопротивление
коллектора
:
.
(40)
В большинстве случаев каскад проектируют так, чтобы ток входного делителя был больше тока базы. При этом входное сопротивление схемы будет определяться формулой (38).
Выходное сопротивление определяется выражением
.
Влияние емкостей и будет аналогично их влиянию в схеме “общий эмиттер”.
Схема с общей базой (рис. 29, в) используется реже, чем схемы с общим эмиттером и общим коллектором.
По переменному току
база заземлена через емкость
,
поэтому потенциал базы, а следовательно,
и эмиттера, будет практически неизменным.
В результате входное сопротивление
схемы будет определяться дифференциальным
сопротивлением эмиттерного перехода:
.
Отсюда следует, что входное сопротивление схемы с общей базой очень мало и не превышает десятков Ом.
Выходное сопротивление схемы с общей базой определяется формулой (39), как и для схемы с общим эмиттером.
Коэффициент усиления по напряжению
.
Таким образом, усиление по напряжению для схемы с общей базой существенно зависит от сопротивлений источника сигнала и нагрузки.
Коэффициент усиления по току можно определить из выражения
,
откуда следует, что даже в режиме холостого хода усиление по току схемы с общей базой не может быть больше единицы.
Каскад с общей базой имеет заметно лучшие частотные характеристики, чем каскады с общим эмиттером и общим коллектором, поскольку в нем не проявляется эффект Миллера. Схема с общей базой используется в основном для работы на повышенных частотах.