2.3. Усилитель напряжения по схеме с общей базой.
Аналогично разделу
2.2 можно рассмотреть усилитель на
транзисторе, включенном по схеме с ОБ
(см. принципиальную схему рис.2.4), описание
которого без определения основных
параметров приведено в разделе 2.1. Его
линейная электрическая модель (схема
замещения) будет аналогичной модели
схемы с ОЭ (см. рис.2.9), в которой h
– параметры будут иметь индексы общей
базы (
)
и вместо резистора
будет стоять резистор
.
Анализ его основных
параметров
позволит получить следующее:
- Входное сопротивление усилителя, как и для ОЭ,
.
Однако значение
в десятки раз меньше, чем
,
поэтому
ОБ составляет порядка десятков-сотен
Ом.
- Выходное сопротивление схемы с ОБ определяется аналогично схеме с ОЭ
.
- Коэффициент усиления
схемы с ОБ по напряжению
,
как и в схеме с ОЭ, но имеет положительный
знак, что обуславливает нулевой фазовый
сдвиг между входным и выходным
напряжениями. В отличие от схемы с ОЭ
каскад с ОБ не усиливает ток (
),
поскольку
(
).
Выводы.
Схема усилителя
напряжения (ОЭ) имеет примерно равные
входное и выходное сопротивления, что
позволяет согласовывать по напряжению
входное сопротивление последующего
каскада с выходным сопротивлением
предыдущего при их последовательном
включении в многокаскадных усилителях.
Схема с ОБ не позволяет выполнять такое
включение, так как
.
Для последовательного включения каскадов
с ОБ между ними необходимо включать
согласующие каскады, которые строятся
по схеме с ОК.
Коэффициенты усиления
схем с ОЭ и ОБ по напряжению
(десятки) и отличаются лишь фазовым
соотношением
.
Коэффициент усиления
по току для схемы с ОЭ
,
а для схемы с ОБ
.
Поскольку коэффициент усиления по
мощности
,
то схема с ОЭ имеет наибольший коэффициент.
Схема усилителя напряжения с ОЭ находит более широкое применение в электронике. Однако схема с ОБ, несмотря на ряд указанных недостатков, используется в соответствии со своими преимуществами. К ним следует отнести наиболее высокую температурную стабильность и меньшие нелинейные искажения.
2.4. Усилитель на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим коллектором
Принципиальная схема усилителя приведена на рис.2.14.
Расчет схемы по постоянному току.
Режим работы схемы
по постоянному току определяется
элементами:
и параметрами транзистора. Аналогично,
как и для схемы с ОЭ, выходную и входную
цепи можно описать следующими системами
уравнений:
Так как
,
а
,
то уравнение (2.15) можно записать в виде:
.
Рис. 2.14. Принципиальная схема усилителя на биполярном транзисторе, включенном по схеме с ОК
Построим нагрузочную линию (1), соответствующую системе уравнений (2.15) и (2.16):
По аналогии со схемой с ОЭ выбираем точку покоя «О», и определяем значения сопротивлений и (см. рис.2.15).
, 
.
Рис. 2.15. Определение режима работы по постоянному току: а) на выходных характеристиках транзистора, б) на входных характеристиках транзистора
Расчет схемы по переменному току.
Представим схему усилителя с ОК для расчета каскада по переменному току (см. рис.2.16), при этом примем следующие допущения:
- зажимы «+» и «-« источника питания по переменному току считаем однопотенциальными за счет низкого внутреннего сопротивления источника питания;
- при определении
основных характеристик усилителя
считаем, что усилитель работает в области
средних звуковых частот, следовательно,
сопротивлениями разделительных
конденсаторов
и
можно пренебречь, как и влиянием емкости
.
Рис. 2.16. Схема замещения усилителя с ОК
Коэффициент усиления усилителя по напряжению.
Правила расстановки
знаков
,
,
источника
и
выполнены в соответствии с методикой,
приведенной в разделе 2.2.
Схемы замещения (рис.2.16) можно описать уравнением
,
где
,
.
Отсюда следует:
.
Следовательно, получим
,
.
Из последнего выражения получим коэффициент усиления
.
Поскольку знаменатель
больше числителя, то
.
При правильно спроектированном каскаде
.
Так как
,
то
,
поэтому усилитель по схеме с ОК называют
эмиттерным повторителем, поскольку
выходной сигнал повторяет входной по
фазе и амплитуде.
Входное сопротивление усилителя.
Входной ток транзистора можно описать следующим выражением:
.
Следовательно, входное сопротивление транзистора можно определить как
.
Исходя из этого, входное сопротивление усилителя определяется выражением:
.
Так как
,
то
,
следовательно,
.
Таким образом, схема с ОК обладает самым высоким входным сопротивлением, и ее применение необходимо, если используется источник сигнала с высоким внутренним сопротивлением.
Коэффициент усиления усилителя по току.
Коэффициент усиления по току можно определить как отношение выходного тока к входному:
,
где
- ток нагрузки,
- входной ток эмиттерного повторителя.
Подставив значения
и
в формулу для
,
получим:
.
Поскольку допустимые
значения
порядка единиц кОм – сотен Ом, то
и составляет порядка десятков – сотен.
Выходное сопротивление усилителя.
Для определения
выходного сопротивления повторителя
воспользуемся методикой изложенной в
разделе 2.2. Модель каскада приведена на
рис.2.17. С учетом того, что
,
замыкание активного источника ЭДС
произведем вместе с его внутренним
сопротивлением.
Для согласования
модели с реальной схемой предположим,
что напряжение
получило приращение, как показано на
рис.2.17 («+» - к эмиттеру, «-« - к общей
шине). Под действием этого напряжения
и источника ЭДС будут протекать токи
и
в направлениях, показанных на рис.2.17.
Установим физическое направление тока
.
Ток
течет с эмиттера в базу, тем самым
открывает транзистор (транзистор p-n-p),
следовательно, ток коллектора получает
положительное приращение. Таким образом,
направление тока коллектора в модели
соответствует направлению реального
тока, значит, знак перед величиной
источника ЭДС
будет положительным.
Рис. 2.17. Модель эмиттерного повторителя для определения
Для тока коллектора можно записать следующее выражение:
.
,
но, так как
,
то получим, что
,
следовательно, выходное сопротивление
транзистора можно определить как:
.
Так как
,
то получим
.
Для типовых значений этих параметров
маломощных транзисторов получим
порядка десятков Ом.
Полное выходное сопротивление эмиттерного повторителя будет равно:
,
т.к.
обычно много больше
.
Выводы:
Схема с общим коллектором обладает самым низким выходным и самым высоким входным сопротивлениями из трех схем включения транзистора. Поэтому такая схема применяется как согласующий каскад между источниками входных сигналов в высоким и низкоомной нагрузкой. Данная схема обладает самым высоким коэффициентом усиления по току , однако не усиливает напряжение ( ), поэтому ее называют эмиттерным повторителем, т.к. выходной сигнал повторяет входной как по фазе, так и по амплитуде.
Схема с ОК применяется в качестве входных и выходных каскадов для обеспечения большого входного и малого выходного сопротивлений усилителя. Также применяется в качестве согласующего каскада между усилительными каскадами ОБ-ОБ или ОЭ-ОБ.