uch_posobie_2014_ver_11

ду коллектором и эмиттером UKЭ: Uвыx = UКЭ = K – Э, где – потенциал коллектора.

Таким образом, эмиттер является «общим электродом» и для Uвx, и

для Uвыx, чем и объясняется название схемы. Допустим, что эмиттер заземлен и Э = 0. В большинстве случаев непосредственное соединение эмиттера

с«землей» применяют редко, но здесь рассматривается именно схема с заземленным эмиттером, так как наличие дополнительных элементов RЭ и CЭ не изменяет основной принцип работы схемы

сОЭ, но сильно усложняет объяснение.

Емкости Cp1 и Сp2 будем считать в диапазоне частот сигнала короткими замыканиями, а для постоянных питающих напряжений они, естественно, представляют собой разрывы. Впослед-

ствии вклад Сp1 и Сp2 в характеристики схемы и их назначение будут оговорены.

Для объяснения работы схемы используем известное из физики полупроводников явление: p–n-переход при подаче на р-полупроводник положительного потенциала (относительно потенциала n-полупроводника) открывается и через переход течет ток; причем в определенных пределах ток прямо пропорционален разности потенциалов на переходе. К базе транзистора приложено постоянное положительное напряжение, определяемое значением напряжения источника питания Е и соотношением сопротивлений RБ1 и RБ2 (RБ1 и RБ2 называют базовым делителем), поэтому Б всегда превышает Э и переход эмиттер – база открыт.

Если теперь учесть, что на базу транзистора кроме постоянного поло-

жительного напряжения Uвx= = E(RБ1/(RБ1 + RБ2)) поступает также переменный сигнал Uвx≈ (для простоты примем, что Uвx≈ – гармонический сигнал), то в моменты, когда Uвx≈ имеет положительную полярность, p–n-переход откры-

вается еще больше и ток через него возрастает, а в моменты, когда Uвx≈ име-

41

ет отрицательную полярность (но сохраняется Uвx= + Uвx≈ > 0), переход частично закрывается и ток уменьшается. Ток через p–n-переход эмиттер–база называют током эмиттера IЭ. Внутри транзистора он разделяется на небольшой ток базы IБ << IЭ и ток коллектора IК ≈ IЭ. В свою очередь, ток коллектора IК течет через сопротивление RK и создает на нем напряжение UR = IKRK.

Отсюда очевидно, что потенциал коллектора = Е – UR = Е – IKRK зависит

от того, насколько открыт переход эмиттер–база, т. е. от Uвx.

Для аналитического описания зависимости IК от UБЭ часто используют параметр S = IK/ UБЭ, который называется крутизной. Единицей измерения крутизны является ампер на вольт [А/В], ее название связано с очень редко встречающимися в справочниках «сквозными» вольт-амперными характеристиками транзисторов. Итак,

Uвыx = K – Э = Е – IKRK = Е – S UБЭ RK = Е – S RK(Uвx= + Uвx≈) =

= Е – S RKUвx= – S RKUвx≈.

Два первых слагаемых представляют собой постоянное напряжение

Uвых=, а переменный выходной сигнал равен Uвыx≈ = – S RKUвx≈.

Таким образом, в схеме с общим эмиттером при подаче переменного сигнала на базу транзистора обеспечивается формирование на коллекторе такого же переменного сигнала, отличающегося от входного амплитудой и знаком. При прохождении сигнала через схему имеет место сдвиг фазы, равный 180°). Коэффициент передачи схемы по напряжению

KU = | Uвыx≈/Uвx≈| = S RK.

Отметим, что использование такого параметра, как крутизна, удобно лишь для объяснения процессов в схеме. В справочниках величина S не приводится, зато обычно имеются входные и выходные вольт-амперные характеристики (зависимости IБ от UБЭ и IК от UКЭ соответственно).

Остановимся еще на некоторых моментах.

Во-первых, следует обсудить функциональное назначение емкостей

Cp1 и Сp2. Эти емкости представляют собой элементарные фильтры высоких частот, обеспечивающие развязку последовательно соединенных схем по постоянному сигналу. Допустим, что усилитель построен по двухкаскадной схеме, т. е. состоит из двух схем с общим эмиттером (выход первой схемы

42

соединен со входом второй). В этом случае, очевидно, надо без потерь передать переменный сигнал с коллектора транзистора первой схемы на базу транзистора второй схемы. Проще всего это можно было бы сделать, соединив электроды двух транзисторов накоротко. Но ведь как напряжение на базе, так и напряжение на коллекторе содержат не только переменные, но и постоянные составляющие, причем разные:

Б= = Uвx= = E(RБ2/(RБ1 + RБ2));

K= = Uвыx= = Е – S RKUвx=.

Элементом, который пропускает переменный ток, но не пропускает постоянный, является емкость. Именно «разделительная» емкость (Сp), установленная между двумя каскадами, обеспечивает прохождение переменного сигнала и «развязку» каскадов по постоянному току.

В схеме, представленной на рис. 5.1, эмиттер заземлен. Обычно это не так: схема с общим эмиттером содержит в цепи эмиттера сопротивление RЭ и блокировочный конденсатор СЭ. Назначение резистора – обеспечивать термостабилизацию параметров схемы. Дело в том, что при повышении температуры в полупроводниках возрастает подвижность носителей зарядов и их концентрация, в результате чего возрастает ток эмиттера, а значит, и ток коллектора. Чтобы вернуть токи в исходное (до нагрева) состояние, надо частично закрыть переход эмиттер–база, а для этого увеличить Э при неизменном Б. Если эмиттер заземлен, то изменить Э невозможно, а если имеется сопротивление RЭ – задача решается очень легко: Э = IЭ RЭ, поэтому с ростом IЭ обеспечивается нужный эффект увеличения потенциала эмиттера. К сожалению, наличие RЭ вызовет минимизацию изменений тока IЭ не только на инфранизких частотах температурного дрейфа, но и на частотах сигнала, усиление схемы резко снизится. Поэтому необходимо зашунтировать RЭ на частотах сигнала, применив для этой цели блокировочный конденсатор. На частотах температурного дрейфа СЭ представляет собой большое сопротивление и не влияет на механизм термостабилизации; с возрастанием f превращается в короткое замыкание.

Теперь оговорим, какими параметрами обладает схема с ОЭ.

1. Коэффициент передачи (усиления) по напряжению KU = SRK обычно достигает единиц–десятков раз.

43

2. Амплитудная характеристика (АХ) – зависимость Uвыx≈ от Uвx≈ (рис. 5.2). Линейный участок АХ имеет наклон α, связанный с коэффициентом передачи соотношением KU = tg α. При ма-

лых уровнях входного сигнала Uвыx≈ опре-

деляется уровнем шума Uш, при очень

больших (Uвx >> Uлин m) – примерно равен уровню коллекторного питания.

3. Коэффициент передачи по току

(KI) равен отношению выходного тока ко входному. Выходным электродом являет-

ся коллектор, входным – база, поэтому КI = IK/IБ. Однако IБ << IЭ, а IК = IЭ,

отсюда KI >> 1.

4. Коэффициент передачи по мощности KP весьма значителен.

5.Сдвиг фаз в схеме равен 180°.

6.Входное сопротивление (Rвx) схемы определяется параллельным со-

единением сопротивлений R Б 1 , RБ2 и эквивалентного сопротивления р–n- перехода эмиттер–база: rБЭ = IБ/UБЭ. Обычно значения RБ1 и RБ2, необходимые для работы схемы, а также rБЭ составляют килоомы – десятки килоом, поэтому и входное сопротивление равно килоомам.

7.Выходное сопротивление ненагруженной схемы (Rвыx) определяется

впервую очередь значением сопротивления RK (сотни ом – единицы килоом), а также эквивалентным сопротивлением транзистора rКЭ = IК/UКЭ (обычно порядок rКЭ – килоомы).

8.Амплитудно-частотная характеристика KU = KU(f), где f – частота (рис. 5.3). АЧХ имеет на средних частотах равномерный участок, параллель-

ный оси частот. На низких частотах, где емкости Cp1 и Сp2 еще не являются короткими замыканиями и часть сигнала падает на них, АЧХ имеет спад. Дополнительной причиной спада АЧХ на низких частотах является наличие RЭ,

44

еще не зашунтированного в полной мере блокировочным конденсатором.

обеспечивается только на средних частотах. На низких частотах из-за вклада

Cp1 и Сp2 он больше, на высоких частотах из-за наличия Спар – меньше. АЧХ и ФЧХ схемы не всегда удовлетворяют потребителя, и часто осу-

ществляется их коррекция (исправление) с помощью внесения дополнительных элементов.

Низкочастотная коррекция (НЧК) осуществляется разделением коллекторного сопротивления (рис. 5.4) на два: RK1 и RK2. Средняя точка делителя че-

рез Cф соединяется с «землей». На низких частотах Cф представляет собой большое сопротивление, и ее можно не учитывать при определении коэффициента усиления схемы, который определя-

ется как KU = S(RK1 + RK2). На средних и

высоких частотах Cф превращается в ко-

роткое замыкание и шунтирует RK2, поэтому коэффициент усиления снижается

и равен KU = SRK1.

45

ник чрезвычайно опасно, так как при этом возникают паразитные связи между каскадами, потребляющими энергию от одной общей шины питания.

Высокочастотная коррекция осуществляется двумя различными способами. Во-первых, последовательно с RK ставят катушку индуктивности L (рис. 5.5) – такой способ называется индуктивной высокочастотной коррекцией (ИВЧК). В этом случае при любом значении индуктивности коэффициент усиления схемы возрастает с ростом частоты, так как

При более тонком подборе значения L можно «организовать» резонанс между индуктивностью и паразитной емкостью на частоте, при которой начинается спад АЧХ. Резонансный контур должен быть параллельным, что в действительности имеет место и может быть объяснено с помощью эквивалентной схемы каскада по переменному току (рис. 5.6). Недостатком ИВЧК является наличие в схеме низкотехнологичного элемента – катуш-

ки индуктивности.

Второй способ высокочастотной коррекции – эмиттерная

Рис. 5.5

(ЭВЧК) не предусматривает введе-

ние в схему дополнительных элементов, а лишь существенное уменьшение значения емкости CЭ. Независимо от своего значения эта емкость не шунтирует RЭ на инфранизких частотах температурного дрейфа, поэтому механизм термостабилизации не нарушает-

Рис. 5.6

46

ся. Но маленькая CЭ (при малых значениях ее уже не принято называть блокировочной) не шунтирует RЭ и на низких и средних частотах сигнала, при этом KU снижается.

Только на высоких частотах CЭ закорачивает эмиттерное сопротивление и коэффициент усиления начинает возрастать – как раз тогда, когда в силу других причин он снижается. ЭВЧК из-за отсутствия индуктивности находит все более широкое применение, хотя обладает существенным недо-

статком – уменьшением KU усилителя на низких и средних частотах.

5.2. Схема с общим коллектором

Схема включения транзистора с общим коллектором (ОК) изображена на рис. 5.7. Входным электродом является база транзистора, а выходным – эмиттер. Коллектор накоротко соединен с

источником питания, К = Е = соnst. Так как коллекторный вывод не используется для выделения переменного сигнала, то коллектор считают «общим электродом» для входного и выходного сигналов, что и дало название схеме.

Сопротивления RБ 1 и RБ2 (базовый делитель) используются в схеме с ОК для подачи на базу постоянного напряжения

Uвx= = E(RБ2/(RБ1 + RБ2)).

Сопротивление RЭ обеспечивает получение переменного выходного сигнала: оно обычно невелико. Когда известно сопротивление нагрузки (например, это кабель с эквивалентным сопротивлением 50 или 75 Ом), то RЭ

выбирают из соотношения RЭ = Rн (условие передачи максимальной мощно-

сти в нагрузку). Если нагрузка неизвестна, но не исключено, что Rн может быть малым, выбирают RЭ порядка единиц–десятков ом.

Схема с общим коллектором работает следующим образом. Входной сигнал приложен к базе, причем Б = UБЭ + Э, а выходной сигнал равен Э =

= IЭRЭ. Таким образом, Uвx = UБЭ + Uвых. Увеличение Uвx приводит к тому, что p–n-переход эмиттер–база транзистора становится более открытым, IЭ

47

растет и увеличивается Uвыx = IЭRЭ. Вместе с тем, рост IЭ вызывает возрастание Э, транзистор частично закрывается. Изменение потенциалов базы и эмиттера транзистора, таким образом, происходит синхронно, но Э меняется несколько меньше, чем Б.

Рассмотрим параметры и характеристики схемы с общим коллектором. 1. Коэффициент передачи по напряжению КU у схемы с общим коллектором, как это видно из объяснения ее работы, меньше 1. Получим его значе-

ние аналитически:

Uвx = UБЭ + Uвыx = UБЭ + IЭRЭ ≈ UБЭ + IКRЭ = UБЭ + S UБЭ RЭ,

Uвыx = IЭRЭ ≈ S UБЭ RЭ.

Тогда KU = Uвыx/Uвx = SRЭ/(1 + SRЭ) < 1.

2.Коэффициент передачи по току КI = Iвых/Iвх = IЭ/IБ >> 1.

3.Коэффициент усиления по мощности (КP) определяется значением

KI. Таким образом, поскольку КP > 1, то схема с OK все-таки является усили-

телем, хотя главный параметр, интересующий потребителя – КU никак не располагает к подобной классификации.

4.Сдвиг фаз в схеме = 0 (так как Б и Э меняются синхронно).

5.Входное сопротивление у схемы очень большое. Rвx определяется,

как в схеме с ОЭ, параллельным соединением RБ1, RБ2 и эквивалентного сопротивления транзистора rБЭ = IБ/UБЭ. В схеме с ОК такой же, как и в схеме с ОЭ, порядок величин IБ, но к тому же мало меняется UБЭ (так как при подаче

входного переменного сигнала Б и Э изменяются синхронно). Обычно Rвx схемы с общим коллектором составляет килоомы–десятки килоом.

6.Выходное сопротивление RBЫХ = RЭ и составляет десятки ом. Значения RBЫХ можно регулировать в широких пределах, если включить в эмиттерную цепь не постоянный резистор, а потенциометр.

7.Амплитудная характеристика Uвыx = F(Uвx) является линейной и

имеет угол наклона < 45° ( 45° при KU = 1). Уровень Uвыx = E принципиально недостижим, так как даже при полностью открытом транзисторе на нем остается некоторое падение напряжения UКЭ min и Э max= E – UKЭmin < E.

48

8. Амплитудно-частотная характеристика KU = KU(f) схемы с ОК имеет вид, аналогичный АЧХ схемы с ОЭ. В области средних частот имеется горизонтальный участок с ординатой, меньшей единицы. Спад из-за наличия раз-

делительных емкостей наблюдается при очень малых частотах, так как Rвx

имеет большое значение. Спад из-за наличия Спар наблюдается при относи-

тельно больших частотах, так как Rвыx – низкоомное. Таким образом, схема с ОК – самая широкополосная из основных трех схем включения транзисторов.

9. Фазочастотная характеристика (f) отлична от нуля на низких ( > 0) и на высоких частотах ( < 0).

5.3. Схема с общей базой

Схема включения транзистора с общей базой (ОБ) изображена на рис. 5.8. Входным электродом является эмиттер (входной сигнал Uвx приложен к переходу эмиттер–база, база по переменному сигналу заземлена). Выходным электродом является коллектор; с учетом того что база по переменному сигналу заземлена, можно счи-

тать, что Uвыx = К, т. е. Uвыx≈ равно переменному напряжению между коллектором и базой. База является, таким образом, «общим электродом» для входного и выходного сигналов, откуда и происходит название схемы. Назна-

чение элементов R Б1 , RБ2, Сp1, Сp2 и RК в схеме с ОБ такое же, как и в схеме с ОЭ. Дополнительным, в сравнении со схемой с ОЭ, элементом является базовая емкость (CБ), которая обеспечивает заземление базы по переменному сигналу.

Схема работает следующим образом. Когда UВX≈ имеет положительную полярность, Э возрастает, в результате чего UБЭ = Б – Э снижается и p–n-переход эмиттер–база частично закрывается. Ток IЭ уменьшается, в результате уменьшается и ток IК ≈ IЭ, снижается падение напряжения на сопро-

49

тивлении Rк, а потенциал коллектора К = Е – IКRК возрастет. Так как

К≈ ≈ Uвыx≈, то при увеличении мгновенного значения Uвx≈ увеличивается и

мгновенное значение Uвыx≈. При отрицательной полярности Uвx≈ происходят аналогичные процессы.

Входное сопротивление схемы Rвх = RЭ׀׀rБЭ, где rБЭ – эквивалентное сопротивление открытого p–n-перехода эмиттер–база транзистора: оно чрезвычайно мало и обычно не превышает нескольких десятков ом. Выходное со-

противление (Rвых) ненагруженной схемы определяется параллельным соединением RК и эквивалентным сопротивлением rКЭ транзистора, включающим закрытый p–n-перехода коллектор–база, и поэтому велико. Однако, если один каскад с общей базой в целях увеличения коэффициента усиления нагрузить на такой же, то выходное сопротивление резко снижается и становится

меньшим, чем Rвх. Коэффициент усиления по напряжению

KU = Uвыx≈/Uвx≈ = (IКRК)/[IЭ(RЭ׀׀rБЭ)] ≈ RК/(RЭ׀׀rБЭ) = RК/Rвх.

При каскадном соединении нескольких схем с ОБ низкоомная нагрузка шунтирует RК и в формулу для KU вместо этого сопротивления следует подставить зна-

чение выходного сопротивления, которое меньше Rвх: получается, что KU < 1.

Коэффициент передачи по току КI = Iвых/Iвх = IК/IЭ ≈ 1. Фазу сигнала схема с общей базой не меняет.

5.4. Сравнение схем включения транзисторов и их применение

Сопоставим параметры трех основных схем включения транзисторов, присваивая им соответствующие индексы:

КU ОЭ > КU ОБ > КU ОК, причем КU ОЭ, КU ОБ > 1; КU ОК < 1;

КI ОК > КI ОЭ > КI ОБ, причем КI ОК, КI ОЭ > 1; КI ОБ < 1;

КP у всех трех схем больше 1;

Rвx ОК > Rвx ОЭ > Rвx ОБ;

Rвыx ОБ > Rвыx ОЭ > Rвыx ОК;

50