Русская Википедия:Каскад с общим 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 (для гармонического сигнала с не очень высокой частотой фаза выходного сигнала сдвинута относительно входного на 180°, при высоких частотах фазовый сдвиг отличается от 180° из-за инерционности транзистора).
Данное 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, приборы управляемые током базы. Напряжение на прямо смещённом переходе база-эмиттер при этом остаётся почти постоянным и зависит от материала полупроводника, для германия около 0,2 В, для кремния около 0,65 В, но 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 нижеследующими 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>
Простейший усилительный каскад с общим эмиттером
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_b</math>, который задаёт начальное смещение транзистора по постоянному току;
- резистора <math>R_c</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_H</math> через конденсатор <math>C_{P2}</math>. Поскольку конденсаторы вносят во входную и выходную цепи дополнительное реактивное сопротивление, они снижают коэффициент передачи каскада на низких частотах, но при выборе достаточно больших величин их ёмкостей это снижение можно уменьшить.
Нагрузка каскада, изображённая на схеме в виде резистора <math>R_H</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_P</math> — положение начальной рабочей точки, задаваемой током базы, протекающим через резистор <math>R_b</math>.
Постоянное напряжение на базе относительно эмиттера <math>U_{be}</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_{be}</math> объясняется тем, что его зависимость от тока базы логарифмическая.
С учётом этого в режиме напряжение на коллекторе при постоянном <math>R_c</math> полностью определяется током, втекающем в базу через резистор <math>R_b</math>:
- <math>U_c = E_P - I_c R_c = E_P - \beta I_b R_c </math><math> = E_P - \beta R_c \frac {E_P - U_{be}} {R_b},</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_c</math>, при заданном <math>R_c</math> необходимо задать сопротивление в цепи базы <math>R_b</math> равным:
- <math>R_b = \beta R_c \frac{E_P - U_{be}}{E_P - U_c}.</math>
Входное и выходное сопротивления каскада
Входное <math>R_{in}</math> и выходное <math>R_{out}</math> сопротивления каскада равны:
- <math>R_{in} = R_b || r_b = \frac{R_b r_b}{R_b + r_b},</math>
- <math>R_{out} = R_c || r_c = \frac{R_c r_c}{R_c + r_c},</math>
- где <math>r_b</math> и <math>r_c</math> — внутренние сопротивления базы и коллектора транзистора соответственно. Символом <math>||</math> сокращённо обозначается параллельное соединение сопротивлений.
Усиление сигнала
Сигнал источника <math>U_G</math> поступает на вход каскада через последовательно соединённые внутреннее сопротивление источника <math>R_G</math> и входное сопротивление каскада <math>R_{in}</math>, вызывая входной ток:
- <math>I_b^{\sim} = \frac{U_G}{R_G + R_{in}}.</math>
Учитывая, что по переменному току нагрузкой в цепи коллектора является сопротивление, имеем:
- <math>R_H^' = R_H || R_{out} = \frac{R_H R_{out}}{R_H + R_{out}},</math>
выходное напряжение каскада можно записать как:
- <math>U_{out} = I_c^{\sim} R_H^' = \beta I_b^{\sim} R_H^' = \frac{\beta U_G R_H^'}{R_G + R_{in}},</math>
а коэффициент усиления по напряжению <math>K_U</math>:
- <math>K_U = \frac{U_{out}}{U_G} = \frac{\beta R_H^'}{R_G + R_{in}}.</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.
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
Шаблон:Перевести Шаблон:Нет сносок Шаблон:Транзисторные усилители
