Каскад с общим эмиттером (Tgvtg; v kQpnb zbnmmyjkb)

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 $R_{\text{б}}$, который задаёт начальное смещение транзистора по постоянному току;
• резистора коллектора $R_{\text{к}}$, 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 $R_{\text{н}}$ 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 $R_{\text{н}}$ 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 $R_{\text{б}}$.

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

С учётом этого в режиме напряжение на коллекторе при постоянном $R_{\text{к}}$ полностью определяется током, втекающем в базу через резистор $R_{\text{б}}$:

$U_{\text{К}}=E_{\text{П}}-I_{\text{к}}R_{\text{к}}=E_{\text{П}}-\beta I_{\text{б}}R_{\text{к}}$$=E_{\text{П}}-\beta R_{\text{к}}{\frac {E_{\text{п}}-U_{\text{бэ}}}{R_{\text{б}}}},$

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 $R_{\text{к}}$ необходимо задать сопротивление в цепи базы $R_{\text{б}}$ равным:

$R_{\text{б}}=\beta R_{\text{к}}{\frac {E_{\text{П}}-U_{\text{бэ}}}{E_{\text{П}}-U_{\text{П}}}}.$

Входное и выходное сопротивления каскада

Входное $R_{\text{вх}}$ и выходное $R_{\text{вых}}$ сопротивления каскада равны:

$R_{\text{вх}}=R_{\text{Б}}||r_{\text{б}}={\frac {R_{\text{Б}}r_{\text{б}}}{R_{\text{Б}}+r_{\text{б}}}},$

$R_{\text{вых}}=R_{\text{к}}||r_{\text{к}}={\frac {R_{\text{к}}r_{\text{к}}}{R_{\text{к}}+r_{\text{к}}}},$

где $r_{\text{б}}$ и $r_{\text{к}}$ — внутренние сопротивления базы и коллектора транзистора соответственно. Символом $||$ сокращённо обозначается параллельное соединение сопротивлений.

Усиление сигнала

Сигнал источника $U_{\text{Г}}$ поступает на вход каскада через последовательно соединённые внутреннее сопротивление источника $R_{\text{Г}}$ и входное сопротивление каскада $R_{\text{вх}}$, вызывая входной ток:

$I_{\text{б}}^{\sim }={\frac {U_{\text{г}}}{R_{\text{Г}}+R_{\text{вх}}}}.$

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

$R_{\text{н}}^{'}=R_{\text{н}}||R_{\text{вых}}={\frac {R_{\text{Н}}R_{\text{вых}}}{R_{\text{н}}+R_{\text{вых}}}},$

выходное напряжение каскада можно записать как:

$U_{\text{вых}}=I_{\text{к}}^{\sim }R_{\text{н}}^{'}=\beta I_{\text{б}}^{\sim }R_{\text{н}}^{'}={\frac {\beta U_{\text{г}}R_{\text{н}}^{'}}{R_{\text{г}}+R_{\text{вх}}}},$

а коэффициент усиления по напряжению $K_{U}$:

$K_{U}={\frac {U_{\text{вых}}}{U_{\text{г}}}}={\frac {\beta R_{\text{н}}^{'}}{R_{\text{г}}+R_{\text{вх}}}}.$

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