Каскад с общим эмиттером

Усилительный каскад по схеме с общим эмиттером на основе npn-транзистора (Схема с заземленным эмиттером)

При включении биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером (ОЭ) входной сигнал подаётся на базу относительно эмиттера, а выходной сигнал снимается с коллектора относительно эмиттера. При этом выходной сигнал инвертируется относительно входного (для гармонического сигнала с не очень высокой частотой фаза выходного сигнала сдвинута относительно входного на 180°, при высоких частотах фазовый сдвиг отличается от 180° из-за инерционности транзистора).

Данное включение транзистора позволяет получить наибольшее усиление по мощности, потому что усиливается и ток, и напряжение.

Общее описание включения транзистора по схеме ОЭ

Биполярные транзисторы, в отличие от полевых транзисторов, приборы управляемые током базы. Напряжение на прямо смещённом переходе база-эмиттер при этом остаётся почти постоянным и зависит от материала полупроводника, для германия около 0,2 В, для кремния около 0,65 В, но на сам каскад подаётся управляющее напряжение.

Ток базы, коллектора и эмиттера и другие токи и напряжения на электродах транзистора 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 ($I_{e},\ I_{c},\ I_{b}$ — ток эмиттера, ток коллектора и ток базы соответственно) 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, или коэффициент передачи по току база — коллектор;

$\alpha =I_{c}/I_{e}$ — коэффициент передачи тока эмиттера или коэффициент передачи по току эмиттер — коллектор.

Коэффициент усиления по току $K_{I}$:

$K_{I}=I_{out}/I_{in}=I_{c}/I_{b}=I_{c}/(I_{e}-I_{c})=\alpha /(1-\alpha )=\beta ,\ \ \beta \gg 1.$

Входное сопротивление $R_{in}$:

$R_{in}=U_{in}/I_{in}=U_{be}/I_{b}.$

Простейший усилительный каскад с общим эмиттером

Рисунок 1. Простейший каскад с общим эмиттером и его подключение к источнику сигнала, нагрузке и источнику питания

На рисунке 1 изображён простейший каскад с общим эмиттером и его подключение к источникам сигнала, питания и нагрузке.

Каскад состоит из:

• транзистора $VT1$;
• резистора базы $R_{b}$, который задаёт начальное смещение транзистора по постоянному току;
• резистора $R_{c}$, преобразующий изменение тока коллектора в синхронно изменяющееся напряжение на коллекторе, а также задаёт положение начальной рабочей точки по току.

Для устранения постоянной составляющей входного сигнала источник сигнала подключается ко входу каскада через разделительный конденсатор $C_{P1}$. С той же целью выход каскада подключается к нагрузке $R_{H}$ через конденсатор $C_{P2}$. Поскольку конденсаторы вносят во входную и выходную цепи дополнительное реактивное сопротивление, они снижают коэффициент передачи каскада на низких частотах, но при выборе достаточно больших величин их ёмкостей это снижение можно уменьшить.

Нагрузка каскада, изображённая на схеме в виде резистора $R_{H}$ может представлять собой различные устройства или схемы, например, электродинамический громкоговоритель, некоторый индикатор, вход другого усилительного каскада и т. д.

Режим работы каскада

В активном усилительном режиме транзистор $VT1$ открыт, напряжение на его коллекторе, при отсутствии входного сигнала, для расширения динамического диапазона, составляет приблизительно половину напряжения питания $E_{P}$ — положение начальной рабочей точки, задаваемой током базы, протекающим через резистор $R_{b}$.

Постоянное напряжение на базе относительно эмиттера $U_{be}$ от входного сигнала изменяется мало и составляет примерно 0,2 В для германиевых и 0,65 В для кремниевых транзисторов. Примерное постоянство напряжения $U_{be}$ объясняется тем, что его зависимость от тока базы логарифмическая.

С учётом этого в режиме напряжение на коллекторе при постоянном $R_{c}$ полностью определяется током, втекающем в базу через резистор $R_{b}$:

$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 $\beta$ — коэффициент усиления по току транзистора $VT1$ в схеме с общим эмиттером.

Таким образом, чтобы в режиме покоя получить на коллекторе напряжение $U_{c}$, при заданном $R_{c}$ необходимо задать сопротивление в цепи базы $R_{b}$ равным:

$R_{b}=\beta R_{c}{\frac {E_{P}-U_{be}}{E_{P}-U_{c}}}.$

Входное и выходное сопротивления каскада

Входное $R_{in}$ и выходное $R_{out}$ 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 $r_{b}$ и $r_{c}$ — внутренние сопротивления базы и коллектора транзистора соответственно. Символом $||$ сокращённо обозначается параллельное соединение сопротивлений.

Усиление сигнала

Сигнал источника $U_{G}$ поступает на вход каскада через последовательно соединённые внутреннее сопротивление источника $R_{G}$ и входное сопротивление каскада $R_{in}$, вызывая входной ток:

$I_{b}^{\sim }={\frac {U_{G}}{R_{G}+R_{in}}}.$

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

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

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 $K_{U}$:

$K_{U}={\frac {U_{out}}{U_{G}}}={\frac {\beta R_{H}^{'}}{R_{G}+R_{in}}}.$

Достоинства каскада с ОЭ

• Большой коэффициент усиления по току.
• Большой коэффициент усиления по напряжению.
• Наибольшее из всех каскадов усиление по мощности.
• Для питания достаточно одного источника питания.

Недостатки

• Более узкий частотный диапазон по сравнению со схемой с общей базой или с общим коллектором из-за влияния ёмкости коллектор-база, вызывающей эффект Миллера.
• Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.

Ключевой режим каскада с общим эмиттером

При смещении рабочей точки в одно из двух крайних состояний на проходной характеристике — или в режим отсечки коллекторного тока, или в режим насыщения транзистора, каскад с ОЭ приобретает ключевые свойства и имеет два состояния. Каскад при этом работает в ключевом режиме, как реле (состояния закрыт, открыт) и применяется как логический инвертор в логических элементах, управлением электромагнитными реле, лампами накаливания и др. Как и контактные группы реле, ключевые каскады могут формально считаться нормально закрытыми (разомкнутыми) и нормально открытыми (замкнутыми), это определяется положением рабочей точки — отсечки или насыщения.

См. также

• Усилительный каскад с общей базой
• Каскад с общим коллектором
• Каскады усиления
• Схема включения с общим эмиттером

Ссылки

• 5.Каскад с общим эмиттером.
• Динамический режим работы каскада с общим эмиттером. Рис.1.21-Каскад с общим эмиттером
• 2.5.Согласующий каскад.
• Рис.57.Обозначение токов через электроды транзистора и разности потенциалов между электродами для схемы ОЭ
• Типовые схемы и основные показатели каскадов усиления
• Circuits. Transistors. Common-Emitter Amplifier
• Типовой усилительный каскад на биполярном транзисторе по схеме с ОЭ и его анализ