Каскад с общим эмиттером

Рисунок 1. 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, то есть для гармонического сигнала с не очень высокой частотой 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 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 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 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 $R_{in}$:

$R_{in}=U_{in}/I_{in}=U_{BE}/I_B,$ $I_{BE}$ — напряжение база-эмиттер.

Простейший усилительный каскад с общим эмиттером

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 $VT1$;
• 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 разделительный конденсатор $C_{p2}$. 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 $R_{\text{н}}$ 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 $E_{\text{П}}$ — 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 напряжения на базе от тока базы приблизительно логарифмическая.

Поэтому в этом 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 $U_{\text{к}}$, 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 $U_{\text{вх}}$ поступает на вход каскада через последовательно соединённые внутреннее сопротивление источника $R_{\text{г}}$ и входное сопротивление каскада $R_{\text{вх}}$, вызывая входной ток:

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

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

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

выходное напряжение каскада можно записать как:

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

а коэффициент усиления по напряжению $K_U$:

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

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