Лекция 4

Типы УСИЛИТЕЛЬНЫХ каскадов

Усиление в каскаде на транзисторе обеспечивается за счёт того, что коллекторный ток, являющийся выходным больше базового тока, являющегося входным. Следовательно, при построении усилительного каскада следует каким-либо образом обеспечивать протекание входного тока через базовую цепь, а выходной ток оценивать в цепи коллектора, и снимать выходное напряжение с какого либо резистора – преобразователя тока в напряжение. Это можно сделать тремя способами. Поэтому, различают три основных вида усилительных каскадов. В соответствии со способом подачи и снятия сигнала в каскаде, по названию вывода транзистора, общего для входного и выходного токов они называются: общий эмиттер (ОЭ), общая база (ОБ) и общий коллектор (ОК), так же называемый эмиттерным повторителем.

1. Усилительный каскад в схеме с общим эмиттером

Рис. 1

В данной схеме резистор R_Б задаёт рабочую точку транзистора, обеспечивая протекание начального тока смещения через база-эмиттерный переход транзистора. Входной сигнал переменного тока, протекающий через разделительную ёмкость (или ёмкость связи) С_С1 обеспечивает увеличение или уменьшение начального тока базы, также вызывая изменение тока коллектора. Выходное напряжение снимается с коллектора через разделительную ёмкость С_С2 и поступает в нагрузку – потребитель усиленного сигнала. Разделительные ёмкости С_С служат для предотвращения протекания постоянных составляющих тока через цепь нагрузки и через цепь источника сигнала, и, следовательно, предотвращения изменения положения рабочей точки.

2. Усилительный каскад в схеме с общей базой

Рис. 2

Принцип действия этой схемы такой же как и у схемы ОЭ, за исключением того, что входное напряжение подаётся на эмиттер, а база транзистора заземлена по переменной составляющей ёмкостью С_С1.

3. Усилительный каскад в схеме с общим коллектором

Рис. 3

В данной схеме коллектор транзистора заземлён по переменному току через нулевое сопротивление источника питания, и является общим контактом для входного и выходного сигнала. В этой схеме так же входной ток изменяет ток коллектора, а, следовательно, и эмиттера. Это приводит к изменению напряжения на эмиттерном сопротивлении, которое через разделительную ёмкость передаётся в нагрузку.

4. Сравнение различных схем включения биполярного транзистора

Для сравнения этих каскадов возьмем ряд критериев, таких как коэффициент усиления, частотные свойства и входные и выходные сопротивления.

Наибольшим коэффициентом усиления по мощности обладает каскад в схеме с ОЭ. Он усиливает как по току, так и по напряжению. Но, из-за высокой входной ёмкости его частотные свойства оказываются наихудшими из всех трёх типов каскадов. Входное сопротивление этого каскада определяется открытым база-эмиттерным переходом и составляет величину в несколько сотен ом. Выходное сопротивление каскада с ОЭ равно R_К и, как правило, относительно велико.

Наилучшими частотными свойствами (наиболее высокой верхней граничной частотой усиления) обладает каскад в схеме с ОК. Но этот каскад не обеспечивает усиления по напряжению, только по току. Так же этот каскад обладает высоким входным сопротивлением и низким выходным, поэтому часто используется в качестве буферного усилителя.

Каскад в схеме с ОБ обладает высоким коэффициентом усиления по напряжению, но не усиливает по току. Его выходное сопротивление такое же как и у каскада с ОЭ, равно R_К. Входное сопротивление очень низкое, благодаря этому постоянная времени входной цепи очень мала, и частотные свойства оказываются выше, чем у каскада с ОЭ. Из-за низкого входного сопротивления использование этого каскада приводит к падению входного напряжения при высоких сопротивлениях источника сигнала, поэтому его часто используют вместе с каскадом с ОК, имеющим очень низкое выходное сопротивление. То есть получается схема ОК-ОБ.

Рис. 4

Такое соединение каскадов обеспечивает согласование выходного и выходного сопротивления каскадов. И, так как, эти сопротивления весьма малы, обладает весьма высокими частотными свойствами.

Для получения других свойств усилителей применяется объединение каскадов других типов. Например, для получения высокочастотного усилителя с высоким входным сопротивлением применяют схему ОК-ОЭ.

Рис. 5

Для построения усилителя с высоким коэффициентом усиления по мощности и высокой нагрузочной (низким выходным сопротивлением) способностью применяют схему ОЭ-ОК.

Рис. 6

Благодаря тому, что коэффициент усиления ОК равен единице, отпадает необходимость использовать разделительную ёмкость, реализуется непосредственная связь между каскадами, рабочая точка каскада с ОК задаётся выходным постоянным напряжением (напряжением на коллекторе) каскада с ОЭ.