1.11Сравнительный анализ схемы с общей базой и общим эмиттером

Сравнивая выражение (6 ОБ) с аналогичным выражением (6 ОЭ) для коэффициента усиления по мощности схемы с ОЭ, можно видеть, что теоретически в усилителе с ОЭ достижимо более высокое значение коэффициента усиления по мощности, чем в усилителе с ОБ. Однако, для нормальной работы в широком частотном диапазоне усилитель с ОЭ приходится охватывать достаточно глубокой ООС, которая существенно снижает общий коэффициент усиления по мощности (сильная частотная зависимость коэффициента усиления по мощности каскада с ОЭ без цепи ООС обусловлена заметным падением коэффициента передачи тока базы по мере роста частоты усиливаемого сигнала). В случае же использования усилителя по схеме с ОБ необходимость в глубокой ООС обычно отпадает, поскольку частотная зависимость коэффициента передачи тока эмиттера не выражена так явно, как в случае с коэффициентом передачи тока базы (т.е. , где , — граничные частоты коэффициентов передачи тока и соответственно). В результате, на практике, при конструировании широкополосных усилителей в схемах с ОБ достижим коэффициент усиления, сравнимый, а иногда и больший, чем в аналогичных усилителях с ОЭ. Для узкополосных усилителей эффективнее все-таки оказываются решения с ОЭ.

В общем случае применение усилительных каскадов с ОБ наиболее рациональным оказывается в высокочастотных усилителях, особенно во входных трактах высокочувствительной приемной аппаратуры, в различных датчиках и измерительных приборах, где важнейшими параметрами являются чувствительность и коэффициент шума каскада. По данным показателям усилители с ОБ занимают первое место среди схем на базе биполярных транзисторов. Проблемы здесь могут возникнуть только в вопросах обеспечения устойчивости, особенно при построении узкополосных усилителей. Основным способом их преодоления является охват усилителя цепями внутрикаскадных ООС, которые хотя и снижают коэффициент усиления, но повышают общую устойчивость усилителя. В низкочастотных трактах использование усилителей с ОБ затруднено по причине низкого входного сопротивления и относительно узкого динамического диапазона.

1.12Схема с общим коллектором

На рис. 1.18 приведена схема усилительного каскада на биполярном транзисторе р-п-р-типа, включенном с ОК (для транзистора п-р-п-типа все останется прежним, только полярность источника питания, а соответственно, и направление токов изменятся на противоположные).

Р ис. 1.18 Схема усилительного каскада с ОК

С1, С2 — разделительные конденсаторы (являются элементами межкаскадных связей, предотвращают проникновение постоянной составляющей сигнала с выхода одного каскада усиления на вход другого, могут использоваться для коррекции частотных характеристик);

С3 — фильтрующий конденсатор (предотвращает проникновение переменной составляющей сигнала в цепи питания).

Прежде всего, отметим, что единственное принципиальное отличие данной схемы от схемы усилительного каскада с ОЭ (рис. 1.10) состоит в том, что выходной сигнал снимается не с коллекторного, а с эмиттерного вывода транзистора. Это определяет отсутствие инверсии сигнала в усилителе с ОК.

Полная эквивалентная схема для переменных токов и напряжений представлена на рис. 1.18.

Принципы построения эквивалентной схемы в данном случае те же, что были описаны для каскада с ОЭ. По эквивалентной схеме сразу видно, что направления входного и выходного напряжений совпадают, именно это и означает, что инверсии сигнала в данном каскаде нет.

Сопротивление отражает общее сопротивление входных цепей каскада переменному току равно: .

Входное сопротивление эквивалентной схемы на рис. 1.19 определяется как параллельное включение цепи смещения базы, и входного сопротивления транзистора : , .

Запишем уравнение Кирхгофа для входной цепи транзистора (Б — Корпус):

Тогда:

(1 ОК)

Таким образом, общее входное сопротивление транзисторного усилительного каскада по схеме с ОК определяется: параметрами делителя напряжения , ; коэффициентом передачи тока базы ; сопротивлением отрицательной обратной связи в цепи эмиттера . Более глубокий анализ показывает, что входное сопротивление в любом случае не превышает величины:

.

Сравнивая выражение (1 ОК) с формулой для входного сопротивления усилительного каскада с ОЭ (1 ОЭ), можно видеть, что отличия между ними минимальны и обусловлены только включением в эмиттерную цепь транзистора нагрузки , несколько шунтирующей резистор и снижающей тем самым входное сопротивление. На практике, однако, в каскадах с ОК обычно достигаются большие значения входного сопротивления, чем в каскадах с ОЭ. Причина здесь в том, что в каскаде с ОК резистор , обеспечивающий отрицательную обратную связь по току, как правило выбирается достаточно большим по сравнению с резистором , который в пределе может и вообще отсутствовать (эмиттерный повторитель).

Выходное сопротивление ( ) эквивалентной схемы на рис. 1.19 определяется при отключенной нагрузке по переменному току и нулевом входном сигнале, т.е. = 0. Рассмотрим случай, когда к точкам схемы Э — Корпус приложено напряжение сигнала стороннего генератора подключаемого вместо нагрузки ) . Сопротивление обычно достаточно велико, и его можно исключить из дальнейшего рассмотрения. Уравнение Кирхгофа для напряжения ( будет иметь следующий вид:

Рис. 1.19. Эквивалентная схема усилительного каскада с ОК для переменных составляющих токов и напряжений

Выходное сопротивление в точках схемы Э – Корпус соответствует формуле , где:

.

Таким образом, выражение для полного выходного сопротивления схемы принимает вид:

(2 ОК)

Сразу видно, что полученный в формуле (2 ОК) результат даже близко не лежит со значениями выходного сопротивления в каскадах с ОЭ (2 ОЭ) и с ОБ (2 ОБ). В схеме с ОК выходное сопротивление оказывается очень малым, поскольку определяется только дифференциальным сопротивление эмиттерного перехода транзистора . У современных маломощных транзисторов величина обычно лежит в пределах 1...100 Ом. Она сильно зависит от постоянного ток эмиттера. В некотором приближении можно считать: . Т.е. при токе 10 мА выходное сопротивление каскада будет не более 3 Ом. Столь низкое выходное сопротивление каскада с ОК позволяет подключать к нему низкоомные нагрузки, обеспечивая при этом хороший КПД (напомним, что большой КПД достигается при значительном превышении сопротивления нагрузки над выходным сопротивлением источника сигнала).

Коэффициент усиления по току ( ). Ток в нагрузке зависит от токораспределения в выходной цепи:

.

С учетом получаем:

, где

– коэффициент передачи тока выходной цепи.

Подобно схеме с ОЭ, входной ток в схеме с ОК также содержит две составляющие:

– ток делителя, определяющий часть мощности входного сигнала, рассеиваемой в цепи делителя;

– ток базы, определяющий часть мощности входного сигнала, затрачиваемой на управление выходным током.

Поэтому коэффициент передачи тока входной цепи выражается так же, как и в схеме с ОЭ:

;

Коэффициент усиления по току определяется как отношение тока нагрузки ко входному току :

(3 ОК)

Коэффициент усиления по напряжению ( ). Для напряжения выходного сигнала в схеме на рис. 1.19 можно записать:

В свою очередь, уравнение Кирхгофа для входной цепи имеет вид:

Дифференциальное сопротивление прямовключенного эмиттерного перехода на практике оказывается достаточно малым, и его влиянием в дальнейших вычислениях можно пренебречь.

С учетом полученных выше соотношений можно записать:

(4 ОК)

Из полученной формулы видно, что каскад с ОК не обеспечивает усиления по напряжению (даже наоборот — имеется некоторое незначительное затухание сигнала). Может показаться, что такой каскад совершенно бесполезен (или, по крайней мере, неприменим в усилительных схемах), но это не так. Не обладая усилением по напряжению, схема с ОК имеет высокий коэффициент усиления по току, что позволяет использовать ее для усиления мощности.

Коэффициент усиления по мощности ( )Перемножение соотношений (3 ОК) и (4 ОК) дает формулу:

(5 ОК)