Усилительный каскад на транзисторе по схеме с общим эмиттером

Усилительные каскады на транзисторах по схеме с общим эмиттером (ОЭ) имеют наиболее широкое распространение. На рис. 2.9 показана схема простейшего усилителя по схеме ОЭ. Полярность напряжения зависит от типа используемого транзистора. Источник сигнала включен между базой и эмиттером, выходное напряжение снимается с коллектора. Величина напряжения питания находится обычно в пределах 10–30 В; она не должна превышать предельно допустимого значения напряжения на коллекторе U_{к доп} выбранного транзистора. Входная С и выходная С_с разделительные емкости предназначены для гальванического разделения усилителя от источника сигнала и нагрузки. Емкость выбирается такой, чтобы на минимальной рабочей частоте f_немкостное сопротивлеие Х_с было значительно меньше того сопротивления, последовательно с которым включена емкость. Для выходной емкости условие выбора таково:

На больших частотах величину разделительной емкости можно не учитывать.

Резистор R_б обеспечивает смещение рабочей точки, т.е. задает исходный (без сигнала) режим транзистора. В принципе, может быть посторонний внешний источник смещения. В схеме ОЭ малые изменения i_вх, вызывают изменения i_б относительно начального значения и в b раз большие изменения коллекторного тока I_к. Здесь b = h_21э — коэффициент усиления транзистора в схеме с общим эмиттером.

Для расчета и анализа схемы наиболее нагляден графоаналитический метод, хотя можно провести расчет чисто аналитическим путем, используя h-параметры.

Для выбора рабочей точки транзистора на семейство выходных коллекторных характеристик транзистора накладывают вольтамперную характеристику коллекторного резистора (рис.2.10).

Координаты рабочей точки должны принадлежать как одной из выходных характеристик транзистора, так и вольтамперной характеристике резистора R_к. Характеристика резистора называется нагрузочной прямой или линией нагрузки. Она строится по двум точкам: точка а на оси ординат, соответствующая току через полностью открытый транзистор, E_к/R_к и точка б на оси абсцисс, соответствующая напряжению E_к на коллекторе полностью закрытого транзистора. Напряжение E_к и ток E_к/R_к должны находиться в пределах допустимых для выбранного транзистора. При этом по заданному I_кmax выбирают R_к или, наоборот, по заданному R_к определяют I_кmax = E_к/R_к. Точка исходного режима усилительного каскада (точка покоя) П принадлежит как нагрузочной прямой аб, так и коллекторной характеристике транзистора при соответствующей базовому току I_б2.

Наклонные линии I и II на рис. 2.10 отсекают области нелинейных участков коллекторных характеристик. Рабочий режим каскада должен находиться между этими линиями, в противном случае возникнут искажения усиливаемого сигнала.

Линия нагрузки аб проведена без учета сопротивления нагрузки R_н. Такая линия еще называется линией нагрузки по постоянному току, т.к. нагрузка R_н не влияет на режим каскада по постоянному току. Обычно R_н значительно больше R_к и такое допущение справедливо.

Для тех случаев, когда необходимо учесть влияние нагрузки строят линию нагрузки по переменному току а¢б¢. При этом точка б сместится влево, т.к. напряжение на коллекторе закрытого транзистора по переменному тому будет определяться делителем R_к/ R_н. Для тока точка а поднимается, т.к. по переменному току R_к и R_н включены параллельно. Линии нагрузки по постоянному и переменному току пересекаются в точке покоя П. В подавляющем большинстве случаев каскад усиления с ОЭ является предварительным каскадом, работающим в области малых сигналов. Нагрузкой такого каскада является следующий каскад усиления и соотношение R_н>>R_к выдерживается, что позволяет не учитывать различие в положении линий нагрузки по постоянному и переменному току.

Проведение графоаналитического расчета усилительного каскада производится следующим образом. Строится семейство выходных коллекторных характеристик используемого транзистора на основании справочной литературы. На них накладывается линия нагрузки по постоянному току как геометрическое место точек, координаты которых U_кэ и I_к соответствуют возможным значениям режима покоя транзистора:

Выделяем диапазон возможных значений базового тока i_б, исключая нелинейные участки характеристик. По известной усредненной базовой характеристики I_б = f(U_б) строим переходную характеристику I_к = f(I_б) (рис. 2.11.). На усредненной базовой характеристике выделяем диапазонлинейного изменения I_б (отрезок аб), а на переходной характеристике — диапазон соответствующих линейных изменений I_к (отрезок а'б'). Выбранные диапазоны изменений I_б и I_к исключают участки возможных нелинейностей этих величин. На середине линейного участка выбранного диапазона отмечаем точку покоя П и определяем значения тока базы I_бп, тока коллектора I_кп и напряжения базы U_бп, соответствующие этой точке. Сносим точку покоя на коллекторные характеристики и определяем напряжение на коллекторе транзистора U_кп в режиме покоя. Графики на рис. 2.11 позволяют определить параметры усилителя в режиме покоя. Выбор точки покоя в середине линейного диапазона входных и выходных характеристик определяет работу усилителя в классе А, характеризующимся наименьшими нелинейными искажениями. Класс А применяется во всех предварительных линейных усилителях на транзисторах.

Зная координаты точки покоя, вычисляют величину базового резистора смещения:

Величина коллекторного резистора связана с координатами точки покоя зависимостью:

При подаче на вход усилителя переменного напряжения U_вх, ток базы будет меняться в соответствии с входной характеристикой: кроме постоянной составляющей I_бп он будет содержать переменную составляющую i_б — изменение базового тока влечет за собой изменение коллекторного тока. Перенося изменение I_к на линию нагрузки (строго говоря, линию нагрузки по переменному току), можно проследить за изменением напряжения на коллекторе транзистора U_к и напряжением на коллекторном резисторе U_rк (рис. 2.11). Переменная составляющая U_к представляет собой выходное напряжение усилителя U_вых, которое числено равно и противоположно по фазе переменной составляющей U_rк:

Амплитуда U_вых значительно превышает амплитуду U_вх. На графиках рис.2.11 для наглядности приведены осциллограммы входных и выходных токов и напряжений при изменении сигнала во всем диапазоне.

Такой большой диапазон усиливаемых сигналов соответствует так называемому режиму большого сигнала. В этом режиме существует опасность нелинейных искажений сигнала на границах допустимого диапазона аб.

В режиме малого сигнала, свойственного предусилителям, амплитуда сигнала незначительна по сравнению с допустимым диапазоном. В этом режиме нет смысла точно строить семейство характеристик, достаточно ориентировочно определить току покоя.

При работе усилителя на линейных участках входной и выходной характеристик параметры усилителя можно рассчитать аналитически с помощью, h-параметром. С этой целью используют схему замещения усилителя для переменных составляющих токов и напряжений — рис.2.12. Пунктирной линией обведен транзистор.

Резистор смещения R_б значительно больше входного сопротивления транзистора h₁₁, поэтому в расчетах им можно пренебречь.

Процессы в эквивалентной схеме описываются системой уравнений:

С учетом условий R_б >> h₁₁; R_б > R_к, система уравнений упрощается:

Решение этой системы относительно U_вых:

Знак минус означает, что сигнал U_вых в противофазе с U_вх. Коэффициент усиления в режиме холостого хода (без учета R_н):

Реально значения выходной проводимости транзисторов находятся в пределах h₂₂ =(10^-5–10^-6) См, а коллекторного сопротивления (10³–10⁴) Ом. Поэтому h₂₂R_к << 1 и выражение для расчета коэффициента усиления каскада принимает вид:

Коэффициент усиления по напряжению пропорционален коэффициенту усиления по току транзистора и отношению величины коллекторного резистора к входному сопротивлению.

Входное сопротивление каскада практически равно входному сопротивлению транзистора:

Выходное сопротивление каскада практически равно R_к. Коэффициент усиления каскада по току:

.

Каскад ОЭ усиливает не только напряжение, но и ток и мощность. Большое усиление по напряжению и мощности является основным достоинством схемы. Недостатком можно считать относительно низкое входное и высокое выходное сопротивления.

Если сопротивление нагрузки сопоставимо с R_к, то следует учитывать уменьшение коэффициентов усиления:

На высоких частотах в эквивалентной схеме учитывают емкость коллекторного перехода транзистора C_к . Эта емкость шунтирует входную цепь транзистора, вызывая уменьшение усиления каскада. При этом входное коллекторное сопротивление каскада будет зависеть от частоты:

где — входная емкость каскада.

Кроме того, на высоких частотах уменьшается величина h₂₁ усиления по току самого транзистора. Влияние частоты начинает сказываться с уровня (0,1–0,2) верхней граничной частоты транзистора, поэтому выбор последнего необходимо производить с учетом максимальных частот сигнала, подлежащего усилению.