Просмотр кода страницы Каскад с общим эмиттером

[[Файл:NPN common emitter-e.svg|thumb|150px|Рисунок 1. Усилительный каскад по схеме с общим эмиттером на основе npn-транзистора (Схема с заземленным эмиттером)]]
При включении [[биполярный транзистор|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, то есть для гармонического сигнала с не очень высокой [[Частота|частотой]] [[Фаза колебаний|фаза]] выходного сигнала сдвинута относительно входного на 180°, при высоких частотах фазовый сдвиг увеличивается относительно 180° из-за инерционности транзистора.

Такое включение транзистора позволяет получить наибольшее усиление по [[Мощность|мощности]], потому что усиливается и ток, и напряжение.

== Общее описание включения транзистора по схеме ОЭ ==
Биполярные транзисторы, в отличие от полевых транзисторов, — это приборы управляемые током базы. Напряжение на прямосмещённом p-n переходе база-эмиттер в активном режиме при этом остаётся почти постоянным и зависит от материала полупроводника, для германия это около 0,2 В, для кремния около 0,65 В, но в усилительных каскадах на сам [[каскад (электроника)|каскад]] подаётся управляющее напряжение.

Ток базы, коллектора и эмиттера и другие токи и напряжения на электродах транзистора можно вычислить по [[закон Ома|закону Ома]] и [[правила Кирхгофа|правилам Кирхгофа]] для разветвлённой многоконтурной цепи.

Токи в транзисторе связаны соотношениями:
* по правилу Кирхгофа для узлов — алгебраическая сумма всех трёх токов (<math>I_E,\ I_C,\ I_B</math> — ток эмиттера, ток коллектора и ток базы соответственно) равна нулю:

: <math>\sum_{k=1}^{3} I_k=0,</math>
: <math>I_C=I_B\cdot \beta,</math>
: <math>I_E=I_C+I_B=I_B\cdot(\beta+1),</math>

: где <math>\beta = \alpha/(1-\alpha)</math> — коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером, или коэффициент передачи по току база — коллектор;
: <math>\alpha=I_C/I_E</math> — коэффициент передачи тока эмиттера или коэффициент передачи по току эмиттер — коллектор.

Коэффициент усиления по току <math>K_I</math>:

: <math>K_I = I_{out}/I_{in} = I_C/I_B = I_C/(I_E - I_C) = \alpha/(1-\alpha) = \beta,\ \ \beta \gg 1.</math>

Входное сопротивление <math>R_{in}</math>:

: <math>R_{in} = U_{in}/I_{in} = U_{BE}/I_B,~</math> <math>I_{BE}</math> — напряжение база-эмиттер.

== Простейший усилительный каскад с общим эмиттером ==
[[Файл:Простейший каскад с общим эмиттером.PNG|thumb|Рисунок 2. 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 <math>VT1</math>;
* резистора базы <math>R_\text{б}</math>, который задаёт [[Ток смещения (радиоэлектроника)|начальное смещение]] транзистора по постоянному току;
* резистора коллектора <math>R_\text{к}</math>, 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 <math>C_{p1}</math>. С той же целью выход каскада подключается к нагрузке <math>R_\text{н}</math> через разделительный конденсатор <math>C_{p2}</math>. Поскольку конденсаторы вносят во входную и выходную цепи дополнительное емкостное [[реактивное сопротивление]], они снижают [[коэффициент передачи]] каскада на низких частотах, но при выборе достаточно больших ёмкостей это снижение можно уменьшить.

Нагрузка каскада, символически изображённая на схеме в виде резистора <math>R_\text{н}</math> 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 <math>VT1</math> открыт, напряжение на его коллекторе, при отсутствии входного сигнала, для расширения динамического диапазона, составляет приблизительно половину напряжения питания <math>E_\text{П}</math> — положение начальной рабочей точки, задаваемой током базы, протекающим через резистор <math>R_\text{б}</math>.

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

Поэтому в этом режиме напряжение на коллекторе при постоянном <math>R_\text{к}</math> полностью определяется током, втекающем в базу через резистор <math>R_\text{б}</math>:

: <math>U_\text{к} = E_\text{п} - I_\text{к} R_\text{к} = E_\text{п} - \beta I_\text{б} R_\text{к} </math><math> = E_\text{п} - \beta R_\text{к} \frac {E_\text{п} - U_\text{бэ}} {R_\text{б}},</math>

: где <math>\beta</math> — коэффициент усиления по току транзистора <math>VT1</math> в схеме с общим эмиттером.

Таким образом, чтобы в режиме покоя получить на коллекторе напряжение <math>U_\text{к}</math>, при заданном <math>R_\text{к}</math> необходимо задать сопротивление в цепи базы <math>R_\text{б}</math> равным:

: <math>R_\text{б} = \beta R_\text{к} \frac{E_\text{п} - U_\text{бэ}}{E_\text{п} - U_\text{п}}.</math>

=== Входное и выходное сопротивления каскада ===
Входное <math>R_\text{вх}</math> и выходное <math>R_\text{вых}</math> сопротивления каскада равны:

: <math>R_\text{вх} = R_\text{Б} || r_\text{б} = \frac{R_\text{Б} r_\text{б}}{R_\text{Б} + r_\text{б}},</math>

: <math>R_\text{вых} = R_\text{к} || r_\text{к} = \frac{R_\text{к} r_\text{к}}{R_\text{к} + r_\text{к}},</math>

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

=== Усиление сигнала ===
Сигнал источника <math>U_\text{вх}</math> поступает на вход каскада через последовательно соединённые внутреннее сопротивление источника <math>R_\text{г}</math> и входное сопротивление каскада <math>R_\text{вх}</math>, вызывая входной ток:

: <math>I_\text{б}^{\sim} =  \frac{U_\text{вх}}{R_\text{г} + R_\text{вх}}.</math>

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

: <math>R_\text{н}^' = R_\text{н} || R_\text{вых} = \frac{R_\text{Н} R_\text{вых}}{R_\text{н} + R_\text{вых}},</math>

выходное напряжение каскада можно записать как:

: <math>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}},</math>

а коэффициент усиления по напряжению <math>K_U</math>:

: <math>K_U = \frac{U_\text{вых}}{U_\text{г}} = \frac{\beta R_\text{н}^'}{R_\text{г} + R_\text{вх}}.</math>

'''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.
<!--

== Усилительный каскад с общим эмиттером ==
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.<br>-->

== 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 (электроника)|инвертор]] в [[логические элементы|логических элементах]], управлением [[Электромагнитное реле|электромагнитными реле]], [[Лампа накаливания|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]]
* [[Эмиттерный повторитель|Каскад с общим коллектором]]
* [[Электронный усилитель#Каскады усиления|Каскады усиления]]
* [[Биполярный транзистор#Схема включения с общим эмиттером|Схема включения с общим эмиттером]]

== Ссылки ==
* [http://zpostbox.ru/az4.htm 5.Каскад с общим эмиттером.]
* [http://radiomaster.ru/stati/radio/amp_8.php Динамический режим работы каскада с общим эмиттером. Рис.1.21-Каскад с общим эмиттером]
* [http://qrx.narod.ru/book/at/2.5.htm 2.5.Согласующий каскад.]
* [https://web.archive.org/web/20031107172533/http://www.pilab.ru/csi/AUK/Microelectr/page42.html Рис.57.Обозначение токов через электроды транзистора и разности потенциалов между электродами для схемы ОЭ]
* [http://library.espec.ws/article.php?article=53 Типовые схемы и основные показатели каскадов усиления]
* [http://www.falstad.com/circuit/index.html Circuits. Transistors. Common-Emitter Amplifier]
* [http://www.club155.ru/amplifiers-circuits-ce Типовой усилительный каскад на биполярном транзисторе по схеме с ОЭ и его анализ]

{{перевести|en|Common emitter}}
{{Нет сносок|дата=2012-01-10}}
{{Транзисторные усилители}}

[[Категория:Базовые электронные узлы]]