Усилительный каскад с общим эмиттером

Усилительные каскады на биполярных транзисторах с резисторными нагрузками в цепи коллектора нашли широкое применение в предварительных каскадах усиления. Они обеспечивают усиление по напряжению, току, мощно-

сти. Принципиальная схема усилительного резисторного каскада с ОЭ представлена на рис. 10.22. Входной сигнал поступает на базу транзистора от генератора напряжения с внутренним сопротивлением R_г. Разделительный конденсатор служит для предотвращения протекания постоянной составляющей тока базы через источник входного сигнала. При отсутствии в цепи источника входного сигнала создавался бы постоянный ток от источника питания U_ип, который мог бы вызвать падение напряжения на внутреннем сопротивлении R_г источника сигнала, изменяющее режим работы транзистора и приводящее к нагреву источника сигнала. Конденсатор на выходе усилительного каскада обеспечивает выделение переменной составляющей коллекторного напряжения, которая поступает на нагрузочное устройство с сопротивлением R_н. Элементы R₁, R₂, R_э, C_э обеспечивают режим каскада по постоянному току и температурную стабилизацию.

Параметры усилителя (коэффициенты усиления по току K_I, напряжению K_U и мощности K_r; входное R_вх и выходное R_вых сопротивления) находятся с использованием аналитического метода, при котором на основе малосигнальной эквивалентной схемы транзистора строится эквивалентное представление каскада по переменному току и проводится его расчет по переменному току (рис. 10.23).

Расчет параметров каскада производится для области средних частот усиления, где зависимость параметров от частоты минимальна и не учитывается в расчетах. Сопротивления конденсаторов , , C_э очень малы и ими можно пренебречь. Резистор R_э зашунтирован конденсатором C_э и на эквивалентной схеме не учитывается. По переменному току сопротивление источника питания близко к нулю, поэтому верхний вывод резисторов R₁, R_к на схеме замещения соединяется с выводом эмиттера.

Цепь базы транзистора представлена на эквивалентной схеме объемным сопротивлением активной области базы r_б, составляющим единицы–сотни Ом. Эмиттерный переход представлен дифференциальным сопротивлением r_э, лежащим в пределах единиц–десятков Ом. Закрытый коллекторный переход представлен дифференциальным сопротивлением r_к, составляющим сотни кОм.

Входное сопротивление каскада представляет собой сопротивление параллельного соединения резисторов R₁, R₂ и сопротивления входной цепи транзистора r_вх

. (10.39)

Сопротивление входной цепи транзистора определяется как . Учитывая, что через сопротивление r_б протекает ток I_б, а через сопротивление r_э – ток получим

.

Тогда входное сопротивление усилительного каскада определяется выражением

(10.40)

Значение R_вх для каскада с ОЭ составляет сотни Ом или единицы кОм.

Если резистор R_э в схеме (рис. 10.22) не зашунтирован по переменному току конденсатором С_э, то последовательно с r_э в эквивалентной схеме усилителя необходимо включать сопротивление R_э. Входное сопротивление в этом случае определяется выражением

. (10.41)

Сравнение выражений (10.40) и (10.41) показывает, что введение отрицательной обратной связи по переменному току значительно увеличивает входное сопротивление усилительного каскада, а включение низкоомного делителя R₁, R₂, улучшающего температурную стабильность усилителя, значительно снижает его входное сопротивление.

Выходное сопротивление усилительного каскада определяется со стороны выходных зажимов при отключенной нагрузке и нулевом входном сигнале . Из эквивалентной схемы (рис. 10.23) видно, что выходное сопротивление каскада определяется параллельным включением сопротивления R_к и выходным сопротивлением самого транзистора, близким по величине к r_к. Обычно , и считается, что выходное сопротивление определяется величиной резистора ( ) и составляет единицы кОм.

Коэффициент усиления по напряжению каскада определяется как отношение выходного напряжения U_вых на нагрузке к ЭДС источника сигнала E_г. Значение U_вых определяется выражением , где знак минус указывает на то, что выходное напряжение находится в противофазе со входным напряжением. Ток базы определяется выражением

,

тогда

. (10.42)

Анализ выражения (10.42) показывает, что коэффициент усиления каскада по напряжению тем больше, чем больше выходное сопротивление каскада по сравнению с R_вх и чем больше статический коэффициент h_21э.

В идеальном усилителе напряжения ( ), который работает в режиме холостого хода ( ), коэффициент усиления будет максимальным и равным:

. (10.43)

Коэффициент усиления по току определяется отношением тока в нагрузке I_н ко входному току I_вх . Ток в базе и ток в нагрузке определяются следующими выражениями

; . (10.44)

Подставив полученные соотношения в выражение для коэффициента усиления по току, получим

. (10.45)

В идеальном усилителе тока ( ), который работает в режиме короткого замыкания ( ), имеем .

При работе каскада в схеме с ОЭ в диапазоне низких частот необходимо учитывать емкости разделительных конденсаторов , и C_э. Поскольку сопротивления конденсаторов на низких частотах возрастают, то эквивалентная схема каскада имеет вид (рис. 10.24).

Сначала рассмотрим влияние разделительного конденсатора на изменение коэффициента усиления по напряжению

, (10.46)

где – сопротивление емкости, w_нч = 2pf_нч. Отношение коэффициента усиления на низких частотах к коэффициенту усиления на средних частотах равно

, (10.47)

где – постоянная времени входной цепи усилительного каскада. Коэффициент частотных искажений определяется выражением

. (10.48)

Для уменьшения частотных искажений при прочих равных условиях необходимо увеличивать .

Коэффициент частотных искажений, вносимый разделительным конденсатором определяется следующим выражением:

, (10.49)

где .

Рассмотрим влияние емкости С_э на частотные искажения. Предположим, что , и в первый момент времени после поступления входного сигнала влияние С_э несущественно. По мере заряда С_э уменьшается эмиттерный ток, а следовательно и ток базы. Когда емкость С_э зарядится полностью, то через нее не будет протекать ток. Сопротивление в эмиттерной цепи будет равно R_э+r_э вместо начального значения r_э. Это приведет к уменьшению тока базы и к изменению коэффициента усиления по напряжению. В этом состоит принципиальная особенность влияния емкости С_э на частотные искажения. Постоянная времени равна произведению С_э на параллельное сопротивление R_э и выходного сопротивления каскада со стороны эмиттера транзистора, т.е. выходного сопротивления каскада с ОК, величина которого не превышает десятков Ом

.

Коэффициент частотных искажений, вносимый С_э максимальный и определяется выражением

. (10.50)

Коэффициент частотных искажений в диапазоне низких частот, вносимый емкостями усилительного каскада, равен

[дБ].

Для уменьшения М_нч в усилительном каскаде в схеме с ОЭ требуется увеличивать , и C_э в большей степени.

При работе каскада с ОЭ в диапазоне высоких частот на частотные искажения сильное влияние оказывает емкость коллекторного перехода С_к и емкость нагрузки, эквивалентная схема каскада в диапазоне высоких частот представлена на рис. 10.25.

Постоянная времени каскада с ОЭ в области высоких частот определяется выражением , тогда коэффициент частотных искажений в области высоких частот

.