Схема с общим эмиттером (каскад с общим эмиттером)
Схема с общим эмиттером — это усилитель, где эмиттер транзистора используется как для подключения входного сигнала,
так и для подключения нагрузки. Схема с общим эмиттером обладает наибольшим коэффициентом усиления по мощности, поэтому
остается наиболее распространенным решением для высокочастотных усилителей, систем GPS, GSM, WiFi. В настоящее время она
обычно применяется в виде готовых интегральныхмикросхем (MAXIM, VISHAY, RF Micro Devices), но, не зная основы ее работы,
практически невозможно получить параметры, приведенные в описании микросхемы. Именно поэтому при приеме на работу и поиске
сотрудников основным требованием является знание принципов работы транзисторных усилителей с общим эмиттером.
Усилитель сигналов, каким бы он не был, (усилитель аудио, ламповый усилитель или усилитель радиочастоты) представляет
собой четырехполюсник, у которого два вывода являются входом и два вывода являются выходом. Структурная схема включения
усилителя приведена на рисунке 1.
Рисунок 1 Структурная схема включения усилителя
Основной усилительный элемент — транзистор имеет всего три вывода, поэтому один из выводов транзистора
приходится использовать одновременно для подключения источника сигнала (как входной вывод) и подключения нагрузки (как
выходной вывод). Функциональная схема усилителя с биполярным транзистором, включенным
по схеме с общим эмиттером приведена на рисунке 2.
Рисунок 2 Функциональная схема включения транзистора с общим эмиттером
На данной схеме пунктиром показаны границы усилителя, изображенного на рисунке 1. На ней не показаны цепи питания
транзистора. В настоящее время схема с общим эмиттером практически не применяется в звуковых усилителях, однако в схемах
усилителей телевизионного сигнала, усилителях GSM или других высокочастотных усилителях она находит широкое применение.
Для питания транзистора в схеме с общим эмиттером можно использовать два источника питания, однако для этого потребуется
два стабилизатора напряжения. В аппаратуре с батарейным питанием это может быть проблематично, поэтому обычно применяется
один источник питания. Для питания усилителя с общим эмиттером может подойти любая из рассмотренных нами схем:
Рассморим пример схемы усилителя с общим эмиттером и эмиттерной стабилизацией режима работы транзистора. На рисунке 3
приведена принципиальная схема каскада на биполярном npn-транзисторе,
предназначенная для усиления звуковых частот.
Рисунок 3 Принципиальная схема усилительного каскада с общим эмиттером
Расчет элементов данной схемы по постоянному току можно посмотреть в статье
"схема эмиттерной стабилизации". Сейчас нас будут интересовать параметры
усилительного каскада, собранного по схеме с общим эмиттером. Его наиболее важными характеристиками является входное
и выходное сопротивление и коэффициент усиления по мощности. В основном эти характеристики определяются параметрами
транзистора.
Входное сопротивление схемы с общим эмиттером
В схеме с общим эмиттером входное сопротивление транзистора RвхОЭ можно определить по
его входной характеристике. Эта характеристика совпадает с вольтамперной характеристикой p-n перехода. Пример
входной характеристики кремниевого транзистора (зависимость
напряжения Uб от тока базы Iб) приведен на рисунке 4.
Рисунок 4 Входная характеристика кремниевого транзистора
Как видно из этого рисунка, входное сопротивление транзистора RвхОЭ зависит от тока базы
Iб0 и определяется по следующей формуле:
(1)
Как определить ΔUб0 и ΔIб0 в окрестностях рабочей точки транзистора
в схеме с общим эмиттером показано на рисунке 5.
Рисунок 5 Определение входного сопротивления схемы с общим эмиттером по входной характеристике кремниевого транзистора
Определение сопротивления по формуле (1) является наиболее точным способом определения входного сопротивления.
Однако при расчете усилителя мы не всегда имеем под рукой транзисторы, которые будем использовать, поэтому было бы
неплохо иметь возможность рассчитать входное сопротивление аналитическим способом. Вольтамперная характеристика p-n
перехода хорошо аппроксимируется экспоненциальной функцией.
(2)
где Iб — ток базы в рабочей точке;
Uбэ — напряжение базы в рабочей точке;
Is — обратный ток перехода эмиттер-база;
—
температурный потенциал;
k — постоянная Больцмана;
q — заряд электрона;
T — температура, выраженная в градусах Кельвина.
В этом выражении коэффициентом, нормирующим экспоненту, является ток Is, поэтому чем точнее
он будет определен, тем лучше будет совпадение реальной и аппроксимированной входных характеристик транзистора.
Если в выражении (2) пренебречь единицей, то напряжение на базе транзистора можно вычислить по следующей
формуле:
(3)
Из выражения (1) видно, что входное сопротивление является производной напряжения на базе транзистора по току.
Продифференцируем выражение (3), тогда входное сопротивление схемы с общим эмиттером можно определить по следующей формуле:
(4)
Однако график реальной входной характеристики транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, отличается от экспоненциальной
функции. Это связано с тем, что омическое сопротивление полупроводника в базе транзистора не равно нулю, поэтому при больших
базовых токах транзистора в схеме с общим эмиттером ее входное сопротивление будет стремиться к омическому сопротивлению базы
rбб'.
Входной ток схемы с общим эмиттером протекает не только через входное сопротивление транзистора, но и по всем резисторам
цепей формирования напряжения на базе транзистора. Поэтому входное сопротивление схемы с общим эмиттером определяется как
параллельное соединение всех этих сопротивлений. Пути протекания входного тока по схеме с общим эмиттером показаны на
рисунке 6.
Рисунок 6 Протекание тока по входным цепям схемы с общим эмиттером
Значительно проще вести анализ данной схемы по эквивалентной схеме входной цепи, где приведены только те цепи, по
которым протекает входной ток от источника сигнала. Эквивалентная схема входной цепи схемы с общим эмиттером приведена
на рисунке 7.
Рисунок 7 Эквивалентная схема входной цепи схемы с общим эмиттером
Данная схема построена для средних частот с применением эквивалентной схемы транзистора. На средних частотах входная ёмкость транзистора не оказывает влияния, поэтому мы ее не отображаем на
эквивалентной схеме. Сопротивление конденсатора C3 на средних частотах близко к нулю, поэтому на схеме нет элементов R4C3.
Элементы Rвых и h21×iвх не влияют на входную цепь и изображены
на схеме для отображения усилительных свойств транзистора.
И, наконец, мы можем записать формулу входного сопротивления схемы с общим эмиттером:
(5)
После изготовления усилителя, рассчитанного по приведенным выше методикам необходимо измерить входное сопротивление
схемы с общим эмиттером. Для измерения входного сопротивления используют схему измерения входного сопротивления
усилителя, изображенную на рисунке 8. В данной схеме для измерения входного сопротивления используются измерительный
генератор переменного напряжения и два высокочастотных вольтметра переменного тока (можно воспользоваться одним и сделать
два измерения).
Рисунок 8 Схема измерения входного сопротивления усилительного каскада
В случае, если сопротивление Rи будет равно входному сопротивлению усилителя, напряжение, которое
покажет вольтметр переменного тока V2, будет в два раза меньше напряжения V1. В случае, если нет возможности изменять
сопротивление Rи при измерении входного сопротивления, входное сопротивление усилителя можно вычислить
по следующей формуле:
(6)
Выходное сопротивление схемы с общим эмиттером
Выходное сопротивление транзистора зависит от конструктивных особенностей транзистора, толщины его базы, объемного
сопротивления коллектора. Выходное сопротивление транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, можно определить
по выходным характеристикам транзистора. Пример выходных характеристик
транзистора приведен на рисунке 9.
Рисунок 9 Выходные характеристики кремниевого транзистора
К сожалению, в характеристиках современных транзисторов выходные характеристики обычно не приводятся. Связано это с
тем, что их выходное сопротивление достаточно велико и выходное сопротивление транзисторного каскада с общим эмиттером
определяется сопротивлением нагрузки. В схеме, приведенной на рисунке 6, это сопротивление резистора R3.
Дата последнего обновления файла
31.05.2018
Понравился материал? Поделись с друзьями!
Литература:
Вместе со статьей "Схема с общим эмиттером (каскад с общим эмиттером)" читают:
Коллекторная стабилизация
https://digteh.ru/Sxemoteh/ShTrzKask/KollStab/
Эмиттерная стабилизация
https://digteh.ru/Sxemoteh/ShTrzKask/EmitStab/
Схема с общей базой (каскад с общей базой)
https://digteh.ru/Sxemoteh/ShVklTrz/OB/
Схема с общим коллектором (каскад с общим коллектором)
https://digteh.ru/Sxemoteh/ShVklTrz/OK/
Схемы включения транзистора
https://digteh.ru/Sxemoteh/ShVklTrz/
Автор Микушин А. В. All rights reserved. 2001 ... 2024