9 Усилитель на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим коллектором (эмиттерный повторитель)

Принципиальная схема усилителя приведена на рис. 2.14.

Расчет схемы по постоянному току.

Режим работы схемы по постоянному току определяется элементами: R_Э, R_Б, E_К и параметрами транзистора. Аналогично, как и для схемы с общим эмиттером, выходную и входную цепи можно описать следующими системами уравнений:

Так как I_Э=I_К+I_Б, а I_Б<<I_К, то уравнение (2.15) можно записать в виде:

.

Рисунок 2.14 — Принципиальная схема усилителя на биполярном транзисторе, включенного по схеме с общим коллектором

Как и для схемы с ОЭ (см. рис. 2.15) построим нагрузочную линию (1) соответствующую 1^Й системе уравнений (2.15), (2.16):

По аналогии со схемой с ОЭ выбираем точку покоя "О", и определяем значения сопротивлений R_Э и R_Б (см. рис. 2.15).

, .

Расчет по переменному току.

Представим схему замещения 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 С_Р1 и С_Р2 можно пренебречь, как и влиянием емкости С_Н.

Рисунок 2.15 — Определение режима работы по постоянному току а) на выходных характеристиках транзистора, б) на входных характеристиках транзистора

Рисунок 2.16 — Схема замещения усилителя с ОК

Определение коэффициента усиления усилителя по напряжению.

Правила расстановки знаков , , источника и выполнены в соответствии с методикой, приведенной в разделе 2.2.

Схему замещения (Рис. 2.16) можно описать уравнением:

где .

,

Преобразуя полученное выражение получаем выражение коэффициента усиления:

.

Поскольку знаменатель k_U больше числителя, то k_U<1. При правильно спроектированном каскаде k_U0.9  0.99.

Так как k_U1 то , поэтому усилитель по схеме с ОК называют эмиттерным повторителем, поскольку выходной сигнал повторяет входной по фазе и амплитуде.

Определение входного сопротивления 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 k_U(0.90.99), то R_Вх.Тр=(10100)^.h_11Э, следовательно, R_Вх.Ус(10100кОм).

Следовательно, схема с ОК обладает самым высоким входным сопротивлением, и ее применение необходимо, если используется источник сигнала с высоким внутренним сопротивлением.

Определение коэффициента усиления усилителя по току.

Коэффициент усиления по току можно определить как отношение выходного тока ко входному:

,

где — ток нагрузки,

— входной ток эмиттерного повторителя.

Подставив значения и в формулу для k_i, получим:

.

Поскольку допустимые значения R_Н порядка единиц кОм – сотен Ом, то k_i>>1 и составляет порядка десятков – сотен.

Определение выходного сопротивления усилителя.

Для определения выходного сопротивления повторителя, воспользуемся методикой, изложенной в разделе 2.2. Модель каскада приведена на рис. 2.17. С учетом того, что R_Вн<<R_Вх, 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 фактическое 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 =I_Бh_21Э/h_22Э будет положительным.

Рисунок 2.17 — Модель эмиттерного повторителя для определения R_вых

Для тока коллектора можно записать следующее выражение:

.

, но так как получим, что , следовательно, выходное сопротивление транзистора можно определить как:

.

Так как , то получим . Для типовых значений этих параметров маломощных транзисторов получим R_Вых.Тр порядка десятков Ом.

Полное выходное сопротивление эмиттерного повторителя будет равно:

, т.к. R_Э обычно много больше R_Вых.Тр.

Выводы:

Схема с общим коллектором обладает самым низким выходным и самым высоким входным сопротивлениями из 3^х схем включения транзистора. Поэтому такая схема применяется как согласующий каскад между источниками входных сигналов с высоким R_Вн и низкоомной нагрузкой. Данная схема обладает самым высоким коэффициентом усиления по току , однако не усиливает напряжение (k_U1), поэтому ее называют эмиттерным повторителем, т.к. выходной сигнал повторяет входной как по фазе так и по амплитуде.

Схема с общим коллектором 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.