Усилительный каскад с общим коллектором

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 эмиттера от 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)

Поскольку U_RЭ = U_ВЫХ , из выражения (3.3.1) вытекает, что выходное напряжение всегда меньше входного на величину падения напряжения U_БЭ. Заменив U_RЭ = I_ЭR_Э выражение (3.3.1) можно переписать

            ,                        (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)

Рекомендуемые материалы

                                                                              (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)

где R_ЭН = R_ЭR_Н /(R_Э + R_Н). Если считать r_К→∞, то с учетом (3.2.15)

                                                    (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)

Так как R_ВХ.Т обычно велико, то сопротивление R_Б сильно шунтирует вход каскада и пользоваться упрощенным выражением R_ВХ ≈ R_ВХ.Т не всегда допустимо.

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

Если считать R_Б >> R_ВХ.Т ,что эквивалентно i_Б≈ i_ВХ и учесть (3.2.15) и (3.3.12), то

                                                                                                                                                            (3.3.15)

Так как β +1=1/(1-α), то

                                                (3.3.16)

                                        (3.3.17)

Из полученных формул видно, что в усилителе ОК нет усиления сигнала по напряжению (K_e<1, К_и<1). Однако при R_ВХ.Т >> R_Г, что равносильно неравенству (1-α)(R_Г+r_Б) <<r_Э+R_ЭН, коэффициенты усиления К_е и К_u близки к единице.

3. Коэффициент усиления тока. Из эквивалентной схемы на рис. 3.3.3 можно записать, что i_ВХR_ВХ = i_бR_ВХ.Т, а i_ЭR_ЭН = - i_ВЫХR_Н. Тогда с учетом (3.2.15), (3.314) и

                                                                                (3.3.18)

получим

                               (3.3.19)

Знак «-» в (3.3.19) означает, что реальное направление выходного тока i_ВЫХ противоположно выбранному положительному направлению (рис. 3.3.3).

Максимальное значение K_i будет при R_Э> R_Н и R_Б> R_ВХ.Т :

                                  ,                                                  (3.3.20)

что значительно больше единицы.

4. Коэффициент усиления мощности. Так как K_i >> 1,и К_и ≈ 1, то

К_P= K_i К_и>1.

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 током i_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)

Откуда

              (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

Рекомендация для Вас - 16 Гражданское общество и правовое государство.

                                         (3.3.24)

Так как обычно R_Э >>R_ВЫХ.Т, то

                                        (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.