1.2.11 Усилительный каскад с общим эмиттером

Усилительные каскады на биполярных транзисторах с резисторными нагрузками в цепи коллектора нашли широкое приме­нение в предварительных каскадах усиления. Они обеспечивают усиление по напряжению, току, мощности.

Рисунок 1.24 Принципиальная схема усилительного

Резисторного каскада в схеме с оэ

Принципиальная схема усилительного резисторного каскада с ОЭ представлена на рис. 1.24. Входной сигнал поступает на базу транзистора от генератора напряжения с внут­ренним сопротивлением . Раз­делительный конденсатор служит для предотвращения протекания постоянной состав­ляющей тока азы через источ­ник входного сигнала. При от­сутствии в цепи источника входного сигнала создавался бы постоянный ток от источника питания , который мог бы вызвать падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника сигнала, изменяющее режим работы транзистора и приводящее к нагреву источника сигнала. Конденсатор на выходе усилительного каскада обеспечивает выделение переменной составляющей коллекторного напряжения, которая поступает на нагрузочное устройство с со­противлением . Элементы обеспечивают режим каскада по постоянному току и температурную стабилизацию.

Параметры усилителя (коэффициенты усиления по току _, напряжению и мощности ; входное и выходное сопротивления) определяются с использованием аналитического метода, при котором на основе малосигнальной эквивалентной схемы транзистора строится эквивалентное представление каска­да по переменному току и проводится его расчет (рис. 1.25).

Рисунок 1.25 Эквивалентная схема усилительного каскада в схеме с ОЭ в диапазоне средних частот

Расчет параметров каскада производится для области средних частот усиления, где зависимость параметров от частоты минимальна и не учитывается в расчетах. Сопротивле­ния конденсаторов очень малы иими можно пренебречь.

Резистор зашунтирован конденсатором и на эквивалентной схеме не учитывается. При переменном токе сопротивление ис­точника питания близко к нулю, поэтому верхний вывод резисто­ров на схеме замещения соединяется с выводом эмиттера.

Цепь базы транзистора представлена на эквивалентной схе­ме объемным сопротивлением активной области базы , состав­ляющим единицы-сотни Ом. Эмиттерный переход представлен дифференциальным сопротивлением , лежащим в пределах единиц-десятков Ом. Закрытый коллекторный переход представлен дифференциальным сопротивлением , составляющим сотни кОм.

Входное сопротивление каскада представляет собой сопро­тивление параллельного соединения резисторов и сопро­тивления входной цепи транзистора ( , ):

(2.29)

Сопротивление входной цепи транзистора определяется как . Учитывая, что через сопротивление протекает ток , а через сопротивление — ток , получим:

Тогда входное сопротивление усилительного каскада определяет­ся выражением

2.30)

Значение для каскада с ОЭ составляет сотни Ом или единицы кОм.

Если резистор в схеме (рис. 2.15) не зашунтирован по переменному току конденсатором , то последовательно с в эквивалентной схеме усилителя необходимо включать сопротив­ление . Входное сопротивление в этом случае определяется вы­ражением

(2.31)

Сравнение выражений (2.30) и (2.31) показывает, что введение отрицательной обратной связи по переменному току значительно увеличивает входное сопротивление усилительного каскада, а включение низкоомного делителя , улучшающе­го температурную стабильность усилителя, значительно снижает его входное сопротивление.

_{Выходное сопротивление}усилительного каскада определя­ется со стороны выходных зажимов при отключенной нагрузке и нулевом входном сигнале . Из эквивалентной схемы (рис. 1.25) видно, что выходное сопротивление каскада определя­ется параллельным включением сопротивления и выходные сопротивлением самого транзистора, близким по величине к

Обычно и считается, что выходное сопротивление определяется сопротивлением резистора и составляет единицы кОм.

Коэффициент усиления по напряжению каскада определя­ется как отношение выходного напряжения на нагрузке к ЭДС источника сигнала . Значение определяется выраже­нием где знак минус указывает на то, что выходное напряжение находится в противофазе с входным. Ток базы определяется выражением

тогда

(2.32)

Анализ выражения (2.32) показывает, что коэффициент усиления каскада по напряжению тем больше, чем больше вы­ходное сопротивление каскада по сравнению с и чем больше статический коэффициент

В идеальном усилителе напряжения ( ), который работает в режиме холостого хода ( ), коэффициент усиления будет максимальным и равным:

(2.33)

Коэффициент усиления по току определяется отношением тока в нагрузке ко входному току Ток в базе и ток в нагрузке определяются следующими выражениями:

(2.34)

Подставив полученные соотношения в выражение для ко­эффициента усиления по току, получим:

(2.35)

В идеальном усилителе тока ( ), который работает в режиме короткого замыкания ( ), имеем .

Рисунок 1.26 Эквивалентная схема усилительного каскада в схеме с ОЭ в диапазоне низких частот

При работе каскада в схеме с ОЭ в диапазоне низ­ких частот необходимо учи­тывать емкости раздели­тельных конденсаторов , и Поскольку сопротивления конденсато­ров на низких частотах воз­растают, то эквивалентная схема каскада имеет сле­дующий вид (рис. 1.26). Сначала рассмотрим вли­яние разделительного конденсатора на изменение коэффициента усиления по напряжению:

(2.36)

где — сопротивление емкости,

Отношение коэффициента усиления на низких частотах к коэффициенту усиления на средних частотах равно

(2.37)

где — постоянная времени входной цепи усилительного каскада.

Коэффициент частотных искажений определяется выражением

(2.38)

Для уменьшения частотных искажений при прочих равных условиях необходимо увеличивать

Коэффициент частотных искажений, вносимый разделитель­ным конденсатором , определяется следующим выражением:

(2.39)

где

Рассмотрим влияние емкости на частотные искажения. Предположим, что и в первый момент времени после поступления входного сигнала влияние несущественно. По мере зарядки уменьшается эмиттерный ток, а следователь­но, и ток базы. Когда емкость зарядится полностью, то через нее не будет протекать ток. Сопротивление в эмиттерной цепи будет равно вместо начального значения .Это приведет к уменьшению тока базы и изменению коэффициента усиления по напряжению. В этом состоит принципиальная особенность влия­ния емкости на частотные искажения. Постоянная времени равна произведению на параллельное сопротивление и вы­ходного сопротивления каскада со стороны эмиттера транзистора, т.е. выходного сопротивления каскада с ОК, величина которого не превышает десятков Ом:

Коэффициент частотных искажений, вносимый , макси­мальный и определяется выражением

(2.40)

Коэффициент частотных искажений в диапазоне низких частот, вносимый емкостями усилительного каскада, равен

дБ.

Рисунок 1.27 Эквивалентная схема усилительного каскада в схеме с ОЭ в диапазоне высоких частот

Для уменьшения в усилительном каскаде в схе­ме с ОЭ требуется увеличи­вать и в боль­шей степени.

При работе каскада с ОЭ в диапазоне высоких частот на частотные искажения силь­ное влияние оказывают ем­кость коллекторного перехо­да и емкость нагрузки. Эквивалентная схема каскада в диапазоне высоких частот представлена на рис 1.27. Постоянная времени каскада с ОЭ в области высоких частот определяется выражением , тогда коэффициент частотных искажений в области высоких частот