3.7. Усилитель на биполярном транзисторе с общим эмиттером
Типичная схема усилительного каскада на транзисторе с ОЭ показана на рис. 3.7.1.
Рис.3.7.1. Усилитель на биполярном транзисторе с ОЭ
Входное усиливаемое переменное напряжение UВХ подводится ко входу транзистора через разделительный конденсатор СР1. Конденсатор СР1 препятствует передаче постоянной составляющей напряжения входного сигнала на вход усилителя, которая может вызвать нарушение режима работы по постоянному току транзистора VT. Усиленное переменное напряжение, выделяемое на коллекторе транзистора VT, подводится к внешней нагрузке с сопротивлением RН через разделительный конденсатор СР2. Этот конденсатор служит для разделения выходной коллекторной цепи от внешней нагрузки по постоянной составляющей коллекторного тока IК0. Значения IК0 и других постоянных составляющих тока и напряжений в цепях транзистора зависят от начального режима работы (начального положения рабочей точки), задаваемого при отсутствии сигнала.
Рабочей точкой транзистора называют точку пересечения динамической характеристик (нагрузочной прямой) с одной из статических вольт-амперных характеристик. Это положение определяется на характеристиках совокупностью постоянных составляющих токов и напряжений в выходной IК0, UКЭ0 и входной IБ0, UБЭ0 цепях.
Работа усилительного каскада поясняется рис. 3.7.2.
Рис. 3.7.2. Графическая иллюстрация работы усилительного каскада на транзисторе с ОЭ
Процесс усиления сигнала можно отразить следующей взаимосвязью электрических величин:
UВХm→IБm→IКm→IКmRК→(UКЭm = ЕПИТ – IКmRК) = UВЫХm.
Рисунок показывает, что напряжение входного сигнала с амплитудой UВХm =UБЭm синфазно изменяет величину тока базы. Эти изменения базового тока вызывают в коллекторной цепи пропорциональные изменения тока коллектора и напряжения на коллекторе, причем амплитуда коллекторного напряжения оказывается значительно больше амплитуды напряжения на базе. Напряжения сигнала на входе и выходе каскада сдвинуты между собой по фазе на 180º, т.е. находятся в противофазе.
При работе транзистора в активном (усилительном) режиме рабочая точка должна находиться примерно посредине отрезка АВ нагрузочной прямой. Предельные изменения входного тока базы должны быть такими, чтобы рабочая точка не выходила за пределы отрезка АВ.
На рис. 3.7.3 показаны временные диаграммы работы транзисторного каскада при правильном выборе точки покоя и величины входного сигнала.
Очень важно обеспечить правильно не только величину входного сигнала, но и ток покоя. При малом начальном токе покоя при минимальном сигнале транзистор не откроется и будет находиться в режиме отсечки, при большом смещении и высоком уровне сигнала он может попасть в насыщение. Рис. 3.7.4. показывает напряжение на коллекторе транзистора: а – при недостаточном токе смещении; б – при избыточном токе смещения; в – при чрезмерном входном сигнале.
Рис.3.7.3. Временные диаграммы работы транзисторного усилителя в схеме с ОЭ
Начальное положение рабочей точки обеспечивается делителем напряжения, состоящим из резисторов R1и R2, значения сопротивлений которых определяют из соотношений:
R1 = (EK – UБЭ0 – URЭ) / (IД + IБ0);
R2 = (UБЭ0 + URЭ) / IД,
где IД = (2÷5) IБ0 – ток в цепи делителя.
При обеспечении режима работы транзистора необходимо осуществить температурную стабилизацию положения рабочей точки (уменьшить влияние температуры на начальное положение рабочей точки). С этой целью в эмиттерную цепь введен резистор RЭ, на котором создается напряжение ООС по постоянному току URЭ.
Рис. 3.7.4. Временные диаграммы коллекторного напряжения при неправильных режимах
ООС в данной схеме действует следующим образом: при изменении, например, температуры транзистора увеличивается ток коллектора. Это вызывает соответствующее увеличение тока эмиттера и падения напряжения на нем. Следовательно, напряжение UБЭ = UБ – UЭ, которое является управляющим для транзистора, уменьшается, транзистор подзапирается, ток коллектора уменьшается и возвращается в заданный режим.
Введение ООС уменьшает коэффициент усиления схемы. Для того, чтобы обратная связь действовала только по постоянному току и для устранения ООС по переменному току резистор RЭ шунтируют конденсатором СЭ, сопротивление которого на частоте усиливаемого сигнала должно быть незначительным.
При анализе схемы можно считать, что ООС по переменному току отсутствует. В таком случае коэффициент усиления каскада по току
KI= βRK / (RK + RН).
Это означает, что усиление транзисторного каскада по току определяется коэффициентом усиления транзистора по току β, сопротивлениями коллектора и нагрузки.
АЧХ и ФЧХ усилителя аналогичны типовым характеристикам усилителей низкой частоты. Спад АЧХ в области низких частот обусловлен уменьшением коэффициента усиления усилителя за счет увеличения реактивного сопротивления емкостей СР1, СР2, СЭ. Спад АЧХ в области высоких частот обусловлен ограниченными частотными свойствами транзистора, в частности, наличием паразитных емкостей.