24. Включение биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером

Большинство активных элементов имеют по три основных электрода: эмитирующий, управляющий и собирающий. Для биполярного транзистора такими электродами являются эмиттер, база и коллектор. При включении такого активного элемента в схему четырёхполюсника один из его электродов оказывается общим для входной и выходной цепи. Названием этого электрода, являющегося общим для входа и выхода, определяется схема включения активного элемента.

Принципиальная схема включения транзистора по схеме с общим эмиттером (ОЭ) представлена на рис. 3.1. Постоянные токи в схеме I_0Э, I_0Б, I_0К (их направления и величины) определяются источниками ЭДС Е_0Б и Е_0К. Направление включения источников Е_0Б и Е_0K всегда выбирается таким образом, чтобы переход между базой и эмиттером был включён в прямом направлении, а переход между базой и коллектором - в обратном.

Постоянный ток базы I_0Б протекает по замкнутому контуру от +Е_0Б через источник Е₁ с внутренним сопротивлением R₁, базу, эмиттер к -Е_0Б. Постоянный ток коллектора I_0K протекает от +Е_0K через нагрузку R₂, коллектор, эмиттер к -Е_0K. В эмиттере эти токи суммируются (на этом участке схемы они всегда имеют одинаковые направления) и образуют ток эмиттера I_0Э.

Для определения путей протекания и направлений переменных токов зададимся полярностью мгновенного напряжения источника сигнала Е₁ (показано на рис. 3.1). Считаем, что в настоящий момент на базу транзистора попадает положительная полуволна входного напряжения (+)Е₁ . Сигнал такой полярности вызовет протекание базового тока i_Б от (+)Е1 через R₁, переход база-эмиттер, источник Е_0Б к (–)Е₁. Также как и для постоянного тока, переменные токи коллектора и базы суммируются в цепи эмиттера. Следовательно, переменный коллекторный ток i_К в цепи эмиттера должен протекать в ту же сторону, что и базовый, т.е. против часовой стрелки. Переменный ток коллектора протекает от эмиттера через источник постоянного тока Е_0K, сопротивление нагрузки R₁, коллектор и эмиттер транзистора. Протекая по сопротивлению R₁, этот ток создаёт на нём падение напряжения u₂. Это напряжение является выходным для рассматриваемого каскада. Направление протекания коллекторного тока через сопротивление нагрузки обуславливает отрицательную полярность выходного напряжения относительно земли. Из сравнения полярностей входной ЭДС Е₁ и выходного напряжения u₂ следует, что схема с общим эмиттером изменяет полярность усиливаемого сигнала на противоположную. Таким образом, в схеме усилительного каскада на транзисторе, включённом с общим эмиттером, всегда существует частотно-независимый сдвиг по фазе между входным и выходным напряжениями, равный 180^о.

Коэффициент усиления каскада с общим эмиттером равен отношению выходного напряжения u₂ = u_KE к входному u₁ = u_БЭ

Как видно из выражения (3.1), К зависит от крутизны транзистора y₂₁ и величины сопротивления нагрузки R₂. Значение крутизны y₂₁ определяется положением рабочей точки, точнее, величиной постоянного тока эмиттера. Величина сопротивления R₂ ограничивается условиями нормального питания коллекторной цепи транзистора. При значительном увеличении этого резистора постоянное напряжение на коллекторе уменьшается, и коэффициент усиления начинает снижаться, одновременно увеличиваются нелинейные искажения. Максимальное значение коэффициента усиления одиночного транзисторного усилителя по схеме с ОЭ может достигать нескольких тысяч единиц. В реаль ных условиях этот коэффициент не превышает несколько десятков, иногда сотен единиц.

Коэффициент усиления по току, определяемый как отношение коллекторного тока к току базы

также зависит от сопротивления нагрузки и стремится к величине h₂₁ при R₂, стремящемся к нулю. Увеличение этого сопротивления ведет к снижению коэффициента усиления по току. В современных транзисторах коэффициент h₂₁ может достигать нескольких тысяч единиц (для достаточно низких частот).

Большие коэффициенты усиления по напряжению и току гарантируют схеме с ОЭ значительное усиление по мощности:

K_P = K·K_i (3.3)

Следует отметить, что схема с ОЭ обладает наибольшим коэффициентом усиления по мощности по сравнению с двумя остальными схемами.

Входное сопротивление схемы, определяемое как отношение входного напряжения u_БЭ к входному току i_Б

получается средней величины по сравнению с аналогичными сопротивлениями в схемах с ОБ и ОК. Для сравнительно невысоких частот, когда можно пренебречь паразитной обратной связью, входное сопротивление становится равным величине h₁₁ = 1/y₁₁ и лежит в пределах от нескольких сотен Ом до нескольких килоОм.

Выходное сопротивление транзистора имеет величину в несколько десятков-сотен килоОм и оказывается средней величины по сравнению со схемами с ОБ и ОК.

Частотные свойства каскада с ОЭ в значительной мере зависят от внутреннего сопротивления источника сигнала R1 и сопротивления нагрузки R2.

Использование генератора ЭДС на входе каскада позволяет получить более широкую полосу пропускания, чем при использовании генератора тока.

Входное сопротивление транзистора, включённого по схеме с ОЭ, также зависит от частоты.

Выходное сопротивление транзистора оказывается весьма значительным и сложным образом зависит от частоты.

Нелинейные искажения, вносимые транзистором, включённым по схеме с ОЭ, в основном определяются нелинейностью эмиттерного перехода и достигают заметной величины уже при сравнительно малом входном напряжении. Уровень искажений существенно зависит от сопротивления источника сигнала R1. По мере увеличения этого сопротивления нелинейные искажения сначала уменьшаются, достигают минимума и затем снова увеличиваются (рис. 3.6).