Каскад с общим эмиттером

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Усилительный каскад по схеме с общим эмиттером на основе npn-транзистора (Схема с заземленным эмиттером)

При схеме включения биполярного транзистора с общим эмиттером (ОЭ) входной сигнал подаётся на базу, а снимается с коллектора. При этом выходной сигнал инвертируется относительно входного (для гармонического сигнала фаза выходного сигнала отличается от входного на 180°). Каскад усиливает и ток, и напряжение. Данное включение транзистора позволяет получить наибольшее усиление по мощности, поэтому наиболее распространено. Однако, при такой схеме нелинейные искажения сигнала больше, чем в схемах с общей базой или с общим коллектором. Кроме того, при данной схеме включения на характеристики усилителя значительное влияние оказывают внешние факторы, такие как напряжение питания, или температура окружающей среды. Обычно для компенсации этих факторов применяют отрицательную обратную связь, но она снижает коэффициент усиления.

Описание[править | править вики-текст]

Биполярные транзисторы управляются током. В схеме с ОЭ — током базы. Напряжение на переходе база-эмиттер при этом остаётся почти постоянным и зависит от материала полупроводника, для германия около 0,2 В, для кремния около 0,7 В, но на сам каскад подаётся управляющее напряжение. Ток базы, коллектора и эмиттера и другие токи и напряжения в каскаде можно вычислить по закону Ома и правилам Кирхгофа для разветвлённой многоконтурной цепи.

Токи в транзисторе связаны нижеследующими соотношениями:

по правилу Кирхгофа для узлов алгебраическая сумма всех трёх токов (\ I_e, I_c, I_b) равна нулю

\sum_{k=1}^{3} I_k=0

\ I_c=I_b\cdot \beta

\ I_e=I_c+I_b=I_b\cdot(\beta+1), где

\ \beta =\alpha/(1-\alpha) — коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером,
\ \alpha=I_c/I_e — коэффициент передачи тока эмиттера.


  • Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх=Iк/Iб=Iк/(Iэ-Iк) = α/(1-α) = β [β>>1]
  • Входное сопротивление: Rвх=Uвх/Iвх=Uбэ/Iб

Достоинства:

  • Большой коэффициент усиления по току
  • Большой коэффициент усиления по напряжению
  • Наибольшее усиление мощности
  • Можно обойтись одним источником питания
  • Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.

Недостатки:

  • Худшие температурные и частотные свойства по сравнению со схемой с общей базой

Простейший усилительный каскад с общим эмиттером[править | править вики-текст]

Рис. 1. Простейший каскад с общим эмиттером и его подключение к источнику сигнала и нагрузке

На рис. 1 изображён простейший каскад с общим эмиттером и его подключение к источнику сигнала и нагрузке.

Каскад состоит из

  • биполярного транзистора VT1;
  • резистора RБ, который задаёт точку покоя каскада по постоянному току;
  • резистора RК, который преобразует меняющийся ток коллектора в синхронно изменяющееся напряжение на коллекторе, а также участвует в задании напряжения покоя на коллекторе.

Для удаления постоянной составляющей входного сигнала источник подключается ко входу каскада через разделительную ёмкость CР1. С той же целью выход каскада подключается к нагрузке RН через ёмкость CР2. Поскольку ёмкости вносят во входную и выходную цепи дополнительное реактивное сопротивление, они искажают сигнал, однако выбором достаточно больших величин ёмкости эти искажения сводятся к минимуму. Нагрузка, изображённая в виде сопротивления RН может представлять собой устройства различного назначения — динамик, индикатор, вход другого усилительного каскада и т. д.

Режим работы каскада[править | править вики-текст]

В активном режиме транзистор VT1 открыт, напряжение на базе относительно эмиттера UBE меняется слабо и составляет примерно 0,2 В для германиевых и 0,7 В для кремниевых транзисторов. Примерное постоянство напряжения UBE объясняется тем, что зависимость UBE(IB) логарифмическая, и в широком диапазоне изменении тока базы IB напряжение UBE меняется очень мало.

С учётом этого в режиме напряжение на коллекторе при фиксированном RС полностью определяется сопротивлением RB:

U_C = E_P - I_C R_C = E_P - \beta I_B R_C  = E_P - \beta R_C \frac{E_P - U_{BE}}{R_B},

где β — коэффициент усиления по току транзистора VT1 в схеме с общим эмиттером.

Таким образом, чтобы в режиме покоя обеспечить на коллекторе напряжение UC, при известном RC необходимо взять сопротивление в цепи базы RB равным

R_B = \beta R_C \frac{E_P - U_{BE}}{E_P - U_C}.

Входное и выходное сопротивления каскада[править | править вики-текст]

Входное Rin и выходное Rout сопротивления каскада равны

R_{in} = R_B || r_B = \frac{R_B r_B}{R_B + r_B},
R_{out} = R_C || r_C = \frac{R_C r_C}{R_C + r_C},

где rB и rC — сопротивления базы и коллектора транзистора соответственно (справочные величины).

Усиление сигнала[править | править вики-текст]

Сигнал источника UG поступает на вход каскада через последовательно соединённые внутреннее сопротивление источника RG и входное сопротивление каскада Rin, создавая входной ток

I_B^{\sim} =  \frac{U_G}{R_G + R_{in}}.

Учитывая, что по переменному току нагрузкой в цепи коллектора является сопротивление

R_H^' = R_H || R_{out} = \frac{R_H R_{out}}{R_H + R_{out}},

выходное напряжение каскада можно записать как

U_{out} = I_C^{\sim} R_H^' = \beta I_B^{\sim} R_H^' = \frac{\beta U_G R_H^'}{R_G + R_{in}},

а коэффициент усиления по напряжению

K_U = \frac{U_{out}}{U_G} = \frac{\beta R_H^'}{R_G + R_{in}}.

Усилительный каскад с общим эмиттером[править | править вики-текст]

При положении рабочей точки в середине входных величин на проходной характеристике каскад с ОЭ имеет одно центральное устойчивое состояние, отклонения от центрального состояния и крайние состояния — неустойчивы, каскад при этом является усилителем гармонических сигналов.

Переключательный каскад с общим эмиттером[править | править вики-текст]

При смещении рабочей точки в одно из двух крайних состояний на проходной характеристике каскад с ОЭ имеет два устойчивых крайних состояния и неустойчивое центральное состояние, каскад при этом является переключательным, работает в ключевом режиме, как реле (закрыт, открыт) и применяется как инвертор в логических элементах. Как и контактные группы реле, переключательные каскады могут быть нормально закрытыми (разомкнутыми) и нормально открытыми (замкнутыми), это определяется положением рабочей точки на проходной характеристике.

См. также[править | править вики-текст]

Ссылки[править | править вики-текст]