9(2) Усилительный каскад на биполярном транзисторе с общим коллектором

Усилительные каскады с общим коллектором больше извест­ны как эмиттерные повторители (рис. 4.27,а). По своим основным характеристикам они близки к истоковым повтори­телям. Анализ их статического режима ничем не отличается от рассмотренного ранее.

Эквивалентная схема эмиттерного повторителя для диапа­зона средних частот приведена на рис. 4.27,6.

В ходное сопротивление каскада можно найти из эквивалент­ной схемы или из выражения входного сопротивления для схемы с ОЭ путем замены сопротивления r_{э диф} на [r*_кдиф||( r*_кдиф + R_э||R_н)]:

Так как обычно r_{э диф} << R_э||R_н,,то

В большинстве случаев r_кдиф можно не учитывать. Однако его наличие накладывает принципиальное ограничение на значение входного сопротивления. Если увеличивать сопротив­ление R_э||R_н, то даже при R_э||R_н>> r*_кдиф входное сопротивление каскада не сможет превысить значения r_кдиф = r*_кдиф(1+ h*_21э). Обычно в практических схемах R_BX достигает 200—300 кОм при сопротивлении R_э10кОм в режиме холостого хода. Входное сопротивление не остается постоянным, а меняется в зависимости от сопротивления нагрузки.

Значение входного сопротивления ограничено сопротивле­нием делителя в цепи базы. Для обеспечения хорошей температурной

Рис. 4.27. Схема эмиттерного повторителя (а), его эквивалентная схема для области средних частот (б) и для области высоких частот (в), переходная характеристика эмиттерного повторителя (г)

стабилизации желательно, чтобы R_l||R₂>R₃. В то же время для обеспечения высокого входного сопротивления требуется, чтобы делитель не шунтировал входное сопротивление каскада, т. е. R₁||R₂>R_BXh*_21э(R_э || R_н)-Поэтому иногда приходится либо использовать непосредст­венную связь с источником сигнала (без делителя), либо искусственно повышать сопротивление цепи смещения за счет введения отрицательной ОС .

Входное сопротивление эмиттерного повторителя уменьша­ется при коротких импульсах и при повышенной частоте сигнала. Это обусловлено инерционностью процессов в базах транзисторов h*_21э =f(t), а также наличием коллекторной и нагрузочной (в общем случае) емкостей.

Выходное сопротивление найдем исходя из следующих соображений. Пусть е_г = 0, а напряжение в точке А (рис. 4.27,6) равное е. Тогда ток в цепи базы i₆ = e/(R_r + r_б’). В цепи эмиттера протекает ток /_э = /₆ (1 + h*_21э)

Таким образом, внутреннее сопротивление источника ЭДС е, вызывающего ток i_э, формально определяют из выражения

Теперь, учитывая, что сопротивления r*_кдиф и R_э незначитель­но изменяют выходное сопротивление, можно записать окон­чательное выражение для выходного сопротивления:

В частном случае при достаточно большом значении коэффициента передачи базового тока h*_21э и низкоомном источнике входного сигнала вторым членом можно пренебречь и R_вых  r_эдиф - Так, при токе порядка 1 мА выходное сопротив­ление порядка 25 0м (R_г→0; h*_21э>>l).

С увеличением рабочего тока r_эдиф уменьшается и соответ­ственно уменьшается выходное сопротивление. Минимальное выходное сопротивление (при r_эдиф 0 и R_г = 0)

может составлять 0,2—2 Ом.

Важно подчеркнуть, что выходное сопротивление сущест­венно зависит от внутреннего сопротивления источника сигнала, причем можно показать, что при R_г →∞ R_{вых max}  r*_кдиф || R_э.

Для наиболее часто встречающихся случаев выходное сопротивление равно 100—200 Ом, что намного меньше, чем в схемах с ОЭ и ОБ.

Коэффициент усиления по напряжению найдем, учитывая малое значение сопротивления r_эдиф (r_эдиф << r*_кдиф). Выходное напряжение можно записать в виде

где 1₆ = е_г/(R_г+R_вх).

Учитывая, что е_г  (R_r + R_BХ) i₆, определим коэффициент передачи по напряжению:

Если учесть, что обычно выполняется неравенство г_эдиф<<R_э ||R_н, то выражение можно упростить:

Из выражения видно, что коэффициент передачи по напряжению меньше единицы и его значение в основном зависит от внутреннего сопротивления источника R_г. Обычно К_и находится в пределах 0,9…0,9995.

Коэффициент усиления по току значительный и в пределе равен l+ h*_21э.

За счет большого усиления по току происходит усиление мощности.

Эмиттерные повторители могут работать с большими входными сигналами по сравнению с усилительными каскадами других типов. Влияние разделительных конденсаторов С₁,С₂ на частотную характеристику полностью аналогично влиянию соответствующих конденсаторов в каскаде с ОЭ. Отметим только, что они полностью определяют вид низкочастотной части амплитудно-частотной характеристики каскада.

Поведение каскада в области малых времен рассмотрим только качественно. При этом будем использовать эквивалент­ную схему для области малых времен, приведенную на рис. 4.27, в.

Важной особенностью эмиттерного повторителя является то, что его входное сопротивление резко уменьшается при повышенной частоте и передаче коротких импульсов. Это обусловлено инерционностью процессов в базе транзистора, а также наличием коллекторной и нагрузочной емкостей. Из эквивалентной схемы видно, что в первый момент после подачи импульса входное сопротивление равно r'₆, т. е. имеет достаточно малое значение. По мере зарядки емкостей и на­растания коэффициента h*_21э входное сопротивление увеличива­ется до своего установившегося значения.

Аналогично обстоит дело с коэффициентом усиления по напряжению. Это видно из переходной характеристики эмит­терного повторителя в области малых времен (рис. 4.27, г). Если С_н = 0 и С_к* = 0, то в момент поступления импульса на выходе сразу появился бы сигнал. По мере нарастания функции h*_21э одна часть тока h*_21э i₆ ответвлялась бы в выходную цепь, увеличивая выходное напряжение вплоть до установив­шегося значения, а другая — в цепь базы и была бы направлена навстречу исходному току базы. Это уменьшило бы эк­вивалентный входной ток и, следовательно, увеличило бы усиление тока и так до установившихся значений.

Влияние емкости С_к* сказывается в том, что начальный скачок напряжения на выходе отсутствует и увеличивается время нарастания. Емкость нагрузки С_н оказывает приблизи­тельно такое же влияние, что и С_к*, и еще больше уменьшает крутизну начального участка фронта.

Таким образом, вследствие 100%-ной обратной связи по напряжению, которая имеется в усилительных каскадах с ОК , их коэффициент по напряжению стабилен и близок к единице, входное сопротив­ление высокое, а выходное — низкое.

Рис. 4.28. Схема эмиттерного повторителя:

а — на составном транзисторе, 6 — с дополнительной обратной связью, в — с «динамической нагрузкой», г с «нейтрализованным сопротивлением» делителя

Сложные эмиттерные повторители. В рассмотренном каскаде входное сопротивление не превышает сопротивления r*_кдиф. При необходимости получить более высокое входное сопротив­ление приходится использовать различные схемы сложных эмиттерных повторителей. Простейшая из них на составных транзисторах (рис. 4.28, а) имеет R_{вх макс} r*_кдиф, но у нее входное сопротивление возрастает с увеличением R_э || R_н значительно быстрее, чем у обычных повторителей. При его расчете можно использовать полученные ранее уравнения, подставляя в них эквивалентный коэффициент передачи базового тока:

Максимальное входное сопротивление приблизительно такое же, как у простого эмиттерного повторителя, но его значение, близкое к максимальному, получается при меньшем значении R_э || R_н. Коэффициент передачи намного ближе к единице (К_и> 0,995).

Для увеличения входного сопротивления необходимо по­вышать сопротивление коллекторного перехода r*_кдиф. Это часто можно выполнить за счет различных схемных решений. Иногда применяют составные повторители с дополнительной обратной связью, когда напряжение на коллекторе изменяют так, чтобы к r*_кдиф было приложено нулевое (в идеальном случае) напряжение. Это приводит к тому, что ток через него не протекает. В реальном случае, используя это решение, можно только значительно уменьшить ток через сопротивление r*_кдиф Для практической реализации этой идеи в схему составного эмиттерного повторителя включают резистор R_K1 и на коллектор VT1 полностью подают переменную состав­ляющую выходного напряжения (рис. 4.28,6). Батарея Е_я, роль которой в схемах выполняет или конденсатор большой емкости, или стабилитрон, служит для компенсации постоянного на­пряжения на коллекторе VT1.

Входное сопротивление в таких каскадах может достигать 100 МОм при большом значении сопротивления R_э || R_н.

Как в простом, так и в составном эмиттерном повторителях желательно увеличение R_Э. Однако при этом растет напряжение постоянной составляющей /_ЭR_Э. Из-за необходимости обес­печить определенный режим по постоянному току (/_э определен­ного значения) сопротивление резистора R_э не может быть выбрано высоким. Это ограничение можно обойти, если использовать элемент, имеющий малое сопротивление для постоянного тока и большое для переменного, например транзистор.

В схеме рис. 4.28, в, которую иногда называют схемой с динамической нагрузкой, ток транзистора VT2 опре­деляется только током его базы и практически не зависит от напряжения на коллекторе. Следовательно, сопротивление по переменному току у транзистора VT2 велико (близко к r*_кдиф), что и требовалось получить. Отметим, что все меры по увеличению входного сопротивления могут не дать резуль­татов, если не учесть наличие делителя из активных резисторов, которым задается режим работы по постоянному току. Для получения высокого входного сопротивления этот делитель должен быть или устранен вообще, или его влияние должно быть нейтрализовано. Последнее возможно только на перемен­ном токе.

В приведенной на рис. 4.28, г схеме сравнительно низкоомное сопротивление резистора R₃ за счет обратной связи повышается в 1/(1– К_и) раз. Это сопротивление по переменному току может достигать десятков МОм и не будет существенно шунтировать вход эмиттерного повторителя.

Эмиттерные повторители широко применяются во вход­ных и выходных каскадах. Их также часто используют при необходимости согласовать между собой два каскада, например при построении многокаскадных усилителей по схеме с ОК.

Таким образом, для усилительных каскадов с ОК харак­терны: 1) высокое входное сопротивление, значение которого достаточно стабильно; 2) большой коэффициент усиления по току; 3) стабильный коэффициент усиления по напряжению, близкий к единице; 4) малое выходное сопротивление; 5) отсутствие в рабочем диапазоне частот фазового сдвига между входным и выходим напряжениями.