Транзистор с общим эмиттером выходное напряжение

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:

• схема с фиксированным током базы,
• схема с фиксированным напряжением на базе,
• схема с коллекторной стабилизацией,
• схема с эмиттерной стабилизацией.

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 R_вхОЭ можно определить по его входной характеристике. Эта характеристика совпадает с вольтамперной характеристикой p-n перехода. Пример входной характеристики кремниевого транзистора (зависимость напряжения U_б от тока базы I_б) приведен на рисунке 4.

Рисунок 4 Входная характеристика кремниевого транзистора

Как видно из этого рисунка, входное сопротивление транзистора R_вхОЭ зависит от тока базы I_б0 и определяется по следующей формуле:

(1)

Как определить ΔU_б0 и ΔI_б0 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 I_б — ток базы в рабочей точке;
U_бэ — напряжение базы в рабочей точке;
I_s — 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 I_s, 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 r_бб’.

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 емкость 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 R_вых и h₂₁×i_вх 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 R_и 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 R_и 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!

1. Шило В. Л. «Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре» под ред. Е.И. Гальперина — М.: «Сов. радио» 1974
2. npn транзистор общего назначения КТ3130
3. NPN general purpose transistors BC846; BC847; BC848 (один из лучших транзисторов, известных мне)
4. BFQ67 NPN 8 GHz wideband transistor
5. Усилительный каскад на биполярном транзисторе Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича
6. Электротехника и электроника Дальневосточный государственный университет путей сообщения

Вместе со статьей «Схема с общим эмиттером (каскад с общим эмиттером)» читают:

Источник

3.2 Усилительный каскад с общим эмиттером

Усилительный каскад с общим эмиттером (рисунок 3.2.1 — а) можно представить в виде делителя напряжения с переменным резистором в нижнем плече (рисунок 3.2.1 — б), функции которого выполняет транзистор. Анализ делителя в разделе 2 показал, что изменение сопротивления нижнего плеча от бесконечности до нуля приводит к изменению выходного напряжения от+Е_п до нуля. Значит, если изменять отпирающее напряжение на базе транзистора от нуля до напряжения, выводящего транзистор в насыщение, (т.е. до 0,2 ÷ 0,3В) то выходное напряжение на коллекторе транзистора изменится от +Е_п до напряжения коллектор – эмиттер насыщенного транзистора.

Принцип усиления поясняется временными диаграммами на рис 3.2.2 для случая, когда на вход усилителя действует гармонический сигнал e_г(t)=е_г.махsinωt. При отсутствии сигнала (е_г=0) в транзисторе существуют постоянные токи I_К.РТ, I_Б.РТ и напряжения U_КЭ.РТ, ,U_БЭ.РТ , которые в совокупности определяют его режим (рабочую точку). Под действием ЭДС е_Г(t) изменяется напряжение база — эмиттер транзистора (U_бэ), что приводит к изменению токов базы, эмиттера и коллектора. При положителыной полуволне ЭДС e_г(t) эмиттерный переход смещается в прямом направлении, сопротивление транзистора уменьшается, токи I_К, I_Б увеличиваются, а при отрицательной — уменьшаются. Изменение тока I_К создает на сопротивлении R_K (при R_H>>R_K) приращение напряжения ∆U=∆I_K·R_K. Таким образом, с помощью резистора R_K переменный ток преобразуется в переменное напряжение. С учетом коэффициента передачи тока базы β выражение для переменного напряжения на коллекторе транзистора примет вид ∆U=∆I_Б·β·R_K

При малом входном сигнале, когда напряжения и токи меняются в пределах линейных участков входных и выходных характеристик, законы изменения токов и напряжений повторяют с точностью до знака переменную ЭДС сигнала е_г(t).

(3.2.1)

Из выражений вытекает, что выходной сигнал содержит постоянную и переменную составляющие, и что усилитель ОЭ изменяет полярность входного сигнала.

Из графиков на рис. 3.2.2 видно, что неправильный выбор рабочей точки может привести к ограничению входного сигнала. Прималых значениях I_Б.РТ и I_K.РТ будет ограничиваться отрицательная полуволна вследствие отсечки коллекторного тока, а при больших I_Б.РТ и I_K.РТ положительная полуволна из-за насыщения транзистора. Положение рабочей точки может меняться при изменении питающих напряжений и за счет температурного и временного дрейфа статических характеристик и параметров транзистора. Увеличение амплитуды входного сигнала приводит к росту нелинейных искажений и к его ограничению. Достоинством такой схемы усилителя является ее простота, высокий коэффициент усиления по напряжению, большое входное сопротивление, широкая полоса пропускания, особенно в области низких частот (полоса пропускания начинается от нуля). К недостаткам следует отнести то, что положение рабочей точки транзистора должно задаваться источником сигнала. Поскольку это условие трудно выполнимо, усилитель ОЭ дополняют резистором R_Б, рисунок 3.2.3.

При таком включении резистор R_Б образует делитель напряжения с внутренним сопротивлением перехода транзистора база – эмиттер — r_бэ. Именно этим делителем задается положение рабочей точки транзистора. Сопротивление R_Б можно определить, задавшись типом транзистора и по его входной характеристике определив I_Б.РТ и U_БЭ.РТ

(3.2.2)

гдеE_К – напряжение питания. Такой усилитель упрощает требования к источнику сигнала. Однако положение рабочей точки усилителя может сильно изменяться под действием температуры из-за температурной нестабильности r_бэ, поскольку сопротивление базового перехода имеет полупроводниковую природу. Кроме того изменение выходного сопротивления источника сигнала также вызывает изменение положения рабочей точки, поскольку оно включено последовательно r_бэ. Если спектр входного сигнала не содержит постоянной составляющей, то температурную стабильность каскада можно повысить, установив на входе разделительный конденсатор С_Р (рисунок 3.2.4) . Конденсатор вместе со входным сопротивлением усилителя образует дифференцирующую цепочку. Поскольку такая цепь не пропускает постоянную составляющую, эта мера обеспечивает гальваническую развязку источника сигнала и усилителя, а если С_Р ставится между каскадами, то и развязку между каскадами, что существенно повышает термостабильность всего усилителя. Но такой усилитель «чувствует» только переменный сигнал и не может использоваться для усиления медленно меняющихся напряжений. Следует отметить, что введение в схему усилителя R_Б снижает входное сопротивление каскада, поскольку R_ВХ =R_Б ||r_БЭ.

Рассмотрим режим каскада ОЭ. При анализе и расчете режима усилительных каскадов выполняют проверочный или проектировочный расчеты. Проверочный расчет проводится для заданного усилителя и заключается в том, что по известным напряжениям Е_б, Е_к и сопротивлениям R_Б, R_К к (Рис 3.4) определяют токи I_Б.РТ и I_K.РТ и напряжения U_Б.РТ и U_K.РТ в рабочей точке.

При проектировании усилителей выполняется проектировочный расчет, суть которого состоит в выборе напряжений источников питания и сопротивлений резисторов, обеспечивающих заданные токи и напряжения в рабочей точке.

Для расчета режима составляют систему уравнений Кирхгофа для постоянных токов и напряжений во входной и выходной цепях усилительного каскада

(3.2.3)

и решают ее относительно неизвестных

Расчет режима может выполняться аналитическим, графическим и графоаналитическим методами. При аналитическом методе систему (3.2.3) решают аналитически с использованием соотношений между токами в транзисторе При этом вместо дифференциальных коэффициентов передачи тока β и α используют статические коэффициенты передачи β и α. Графический метод заключается в том, что уравнения (3.2.3) решаются графически на семействах статических входных и выходных характеристик транзистора. При графоаналитическом методе уравнение для входной цепи решается аналитически, а уравнение для выходной цепи — графически на статических выходных характеристиках. Подробно расчет режима изложен в [7]. Здесь рассмотрим только расчет положения рабочей точки аналитическим методам.

Для входной цепи каскада ОЭ (рис 3.4) в соответствии cо вторым законом Кирхгофа

(3.2.4)

где Е_Б при питании базовой и коллекторной цепи от одного источника равно Е_К, откуда

(3.2.5)

(3.2.20)

2. Коэффициенты усиления ЭДС и напряжения. Из схемы рис. 3.2.9 следует, что , а, Если допустить, чтоR_Б>R_ВХ.Т и, следовательно, и учесть (3.2.18); то коэффициент усиления ЭДС

.(3.2.21)

Коэффициент усиления напряжения К_и -можно определить из выражения (3.2.21), положив R_Г =0:

. (3.2.22)

Знак «-» в формулах для К_е и К_и означает, что выходное напряжение противофазно входному (усилитель инвертирует входной сигнал). В дальнейшем этот знак будем опускать, понимая под К_е и К_и только численные значения параметра.

3. Коэффициент усиления по току. Из схемы на рис. 3.2.9 следуют очевидные соотношения и. Учитывая (3.2.16), (3.2.17) и (3.2.19), получаем

(3.2.23)

(3.2.24)

и его величина больше единицы.

(3.2.25)

5. Выходное сопротивление. Выходное сопротивление может быть найдено исходя из основного определения . Однако такой путь достаточно сложен. Для приближенной оценки поступают следующим образам. Выходное сопротивление усилителя представляет собой эквивалентное сопротивление левой (по рисунку) части схемы между точками 2 — 2′ приe_l = 0. Оно состоит из параллельного соединения сопротивления и выходного сопротивления транзистора

где h_22Э — выходная проводимость транзистора. Выходная проводимость может быть определена по статическим выходным характеристикам транзистора. Она связана с сопротивлением коллекторного перехода транзистора r_K соотношением

(3.2.26)

а выходное сопротивление усилителя

(3.2.27)

Обычно поэтому

(3.2.28)

Таким образом, усилительный каскад ОЭ обеспечивает усиление сигнала по напряжению, току и мощности (К_и>1, К_i>1, К_P>1). Его входное сопротивление составляет сотни Ом — единицы кило-Ом, выходное сопротивление R_ВЫХ ≈ R_K имеет такой же порядок. Сравнительно близкие значения входного и выходного сопротивления позволяют включать каскадно усилительные каскады ОЭ в многокаскадном усилителе. При этом входное сопротивление промежуточного каскада, являясь нагрузкой для предыдущего, не шунтирует его выход, а выходное сопротивление каскада, являясь внутренним сопротивлением источника сигнала R_Г для последующего, не шунтируется входным сопротивлением последующего каскада и не происходит значительного уменьшения коэффициента усиления К_e.

Входное сопротивление каскада ОЭ можно увеличить включением эмиттерную цепь транзистора резистора R_Э (рис. 3.2.6) При отключенном конденсаторе С_э резистор R_Э для переменной составляющей включен последовательно с сопротивлением эмиттерного перехода r_Э (рис 3.2.6) и параметры усилителя будут определяться следующими формулами:

(3.2.29)

Как видно из (3.2.29), включение резистора R_Э увеличивает входное сопротивление, но уменьшает коэффициенты усиления К_и и К_e.

3.3 Усилительный каскад с общим коллектором (ОК)

Простейший ЭП представлен на рисунке 3.3.1 –а, и содержит транзистор и резистор, включенный в цепь эмиттера. Входной сигнал подается между базой и «землей». Изменение отпирающего напряжения на базе транзистора относительно эмиттераот нуля до напряжения насыщения базы вызывает изменение сопротивления (идеального) транзистора от бесконечности до нуля, из-за чего выходное напряжение изменяется от нуля до Е_К. Т.е. входной и выходной сигналы совпадают по фазе. Из-за чего усилитель с общим коллектором получил

второе название, более точно описывающее его свойства — эмиттерный повторитель (ЭП) . Аналогом такой схемы является делитель напряжения, рис. 3.3.1-б. Из рис. 3.3.1-а вытекает, что входное напряжение можно представить в виде суммы:

(3.3.1)

, (3.3.2)

из чего следует, что усилитель охвачен стопроцентной отрицательной обратной связью по току, которая, как показано в разделе 3.2, повышает температурную стабильность усилителя. Более совершенная схема ЭП содержит один или два базовых резистора для задания положения рабочей точки транзистора и разделительные конденсаторы для гальванической развязки с источником сигнала и нагрузкой. Включение С_Э, аналогично усилителю ОЭ, привело бы к шунтированию выходного сигнала на ВЧ, из-за чего в ЭП такой конденсатор ставить нельзя.

Для расчета режима каскада ОК (рис. 3.3.2) составляют уравнения Кирхгофа для входной и выходной цепей усилителя:

(3.3.3)

(3.3.4)

Решая их с учетом (3.2.15), получим

(3.3.5)

(3.3.6)

(3.3.7)

При графическом методе расчета используют статические выходные характеристики транзистора в схеме ОЭ. Поэтому в уравнении (3.3.7) заменяют ток I_Э близким ему значением I_К, т. е. I_К≈ I_Э.

Формулы (3.3.5), (3.3.6), (3.3.7) применимы для расчета режима усилителей на рис. 3.3.2. При этом в каскаде на рис. 3.3.2-а роль источника Е_Б выполняет источник Е_К (Е_Б = Е_К), а для усилителя на рис. 3.3.2-б

,(3.3.8)

Для определения основных параметров каскада ОК составляют малосигнальную эквивалентную схему (рис. 3.3.3), считая, что в области средних частот

(3.3.9)

1. Входное сопротивление. Входное сопротивление транзистора,определяемое между точками 0-0’, равно

(3.3.10)

(3.3.11)

Входное сопротивление каскада велико и составляет от десятков до сотен кило-Ом. Оно определяется в основном вторым слагаемым выражения (3.3.11) и оценивается приближенной формулой

(3.3.12)

Большое входное сопротивление обусловлено последовательной отрицательной обратной связью по напряжению, создаваемой сопротивлением R_ЭН. Сопоставляя структуру выражения (3.3.11), полученного при r_К→∞, со схемой рис. 3.3.3, можно установить, что второе слагаемое этого выражения эквивалентно сопротивлению эмиттерной цепи транзистора (с учетом действия отрицательной обратной связи). Если учесть влияние сопротивления r_К, подключенного параллельно эмиттерной цепи транзистора, то получается

(3.3.13)

Из последнего выражения следует, что входное сопротивление транзистора не может быть больше величины r_К даже при сколь угодно больших сопротивлениях R_ЭН.

Входное сопротивление каскада, определяемое между точками 1-1′,

(3.3.14)

Для увеличения входного сопротивления надо выбирать R_Б >> R_ВХ.Т, что не всегда можно реализовать в практических схемах.

2. Коэффициент усиления ЭДС и напряжения. Из эквивалентной схемы рис. 3.3.3 следует, что

(3.3.15)

(3.3.16)

(3.3.17)

, (3.3.20)

что значительно больше единицы.

5. Выходное сопротивление. При расчете выходного сопротивления исходят из общего определения . Для этого по упрощенному выражению (3.3.17) составляют эквивалентную схему каскада рис. 3.3.4,(СХЕМУ НАРИСОВАТЬ) в которой связь между токомi_Э и ЭДС e_Г сохраняется такой же, как и в схеме на рис. 3.3.3. В этом можно убедиться, получив К_е непосредственно из схемы рис. 3.3.4.

Из схемы на риc. 3.3.4 находят выходное напряжение холостого хода (R_Н→∞)

(3.3.21)

и выходной ток короткого замыкания

(3.3.22)

(3.3.23)

Выходное сопротивление каскада состоит из двух параллельно включенных сопротивлений: R_Э и выходного сопротивления транзистора. Тогда ив формулы (3.3.23) следует, что

(3.3.24)

(3.3.25)

Таким образом, выходное сопротивление каскада ОК весьма мало и составляет десятки Ом.

Проведенный анализ показывает, что усилительный каскад ОК не усиливает напряжения, но дает усиление тока и мощности. Коэффициент усиления тока в этом каскаде наибольший из всех рассмотренных. Каскад обладает наибольшим входным и очень малым выходным сопротивлением.

Большое входное и малое выходное сопротивление позволяют использовать усилитель ОК в качестве согласующего каскада для передачи сигнала от источника с большим внутренним сопротивлением в низкоомную нагрузку. Обычно ЭП ставят на входе электронного устройства, если известно, что источник сигнала – высокоомный, или на выходе для обеспечения большого тока в нагрузку. В основе компенсационного стабилизатора напряжения также лежит эмиттерный повторитель.

Источник