Усилительные каскады на биполярных транзисторах

Усилительный каскад с общим эмиттером. Одним из наиболее распространенных усилительных каскадов на биполярных транзисторах является каскад с общим эмиттером (каскад ОЭ). В этом каскаде эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей, а резистор R_к (рис. 5.3), с помощью которого создается выходное напряжение, включается в коллекторную цепь транзистора.

Принцип работы. На коллекторе n-p-n транзистора относительно эмиттера через резистор R_к подают положительное напряжение источника питания (Uпит). Участок эмиттер – коллектор, резистор R_к и источника питания образует коллекторную цепь усилителя. Резистор R_к в этой цепи выполняет функцию нагрузки, на которой выделяется напряжение сигнала усиленного транзистором. На базу транзистора через резистор R_б подается положительное напряжение источника питания, называемое начальным напряжением смещения. При этом цепи база-эмиттер транзистора возникает ток (поскольку p-n включается в прямом направлении). Значение данного тока определяется напряжением источника питания и суммарным сопротивлением базового резистора и эмиттерного p-n перехода

,

(5.3)

Подбором резистора R_б на базе устанавливают такое напряжение смещения U_{база-эмиттер} при котором на коллекторе транзистора относительно эмиттера будет примерно половина напряжения источника питания. При этом транзистор открывается и в его коллекторной цепи возникает ток коллектора I_к, который во много раз больше тока в базовой цепи.

Для германиевых транзисторов, работающих в режиме усиления, начальное напряжение смещения обычно составляет 0,1-0,2 В, а для кремниевых 0,6-0,7 В.

Без начального напряжения смещения на базе транзистор будет искажать усиливаемый сигнал. Пока сигнала на входе усилителя нет, на базе транзистора действует только напряжение смещения, открывающее транзистор. В это время в коллекторной цепи течет ток покоя I_п.

Напряжение, действующее между коллектором и эмиттером (U_кэ), оказывается меньше чем напряжение источника питания. Назначение напряжения, выделяющегося на R_к

(5.4)

Сигнал U_вх, который надо усилить, подают на вход усилителя через связующий конденсатор С_св, а усиленный сигнал снимают с резистора R_к. С появление на входе усилителя сигнала U_вх напряжение на базе транзистора начинает изменяться, а именно, при положительных полупериодах входного сигнала оно становится более положительным, а при отрицательных - менее положительным. В результате соответственно изменяется и ток базы, текущий через эмиттерный переход транзистора, а также в значительной степени изменяется и ток в коллекторной цепи.

При этом на нагрузочном резисторе R_к выделяется переменное напряжение, которое во много раз больше входного напряжения входного сигнала. Напряжение U_кэ в этом случае будет в противофазе с входным напряжением и коллекторным током.

Данное напряжение через разделительный конденсатор С_раз, пропускающий только переменную составляющую, может быть подано на вход следующего каскада усиления.

Точно так же работает и усилитель на транзисторе p-n-p-типа, но в этом случае полярность напряжения источника питания должна быть обратной.

Усилительный каскад с общим коллектором. Схема усилительного каскада с общим коллектором (каскад ОК) приведена на рис. 5.11. В этом каскаде основной резистор, с которого снимается выходное напряжение, включен в эмиттерную цепь, а коллектор по переменной составляющей тока и напряжения соединен непосредственно с общей точкой усилителя, так как падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника коллекторного напряжения от переменной составляющей тока незначительно. Таким образом, можно считать, что входное напряжение подается между базой и коллектором через конденсатор С, а выходное напряжение, равное падению напряжения на резисторе R_э от переменной составляющей эмиттерного тока, снимается между эмиттером и коллектором через конденсатор связи С_с.

В режиме покоя, т. е. при U_вх=0, резистор R_б создает начальный ток смещения в цепи базы. Его значение выбирают таким, чтобы рабочая точка в режиме покоя находилась примерно посередине линейного участка входной характеристики. При наличии переменного входного напряжения U_вх появляется переменная составляющая эмиттерного тока I_э, которая создает на резисторе R_э выходное напряжение U_вых=R_эI_э.

Эмиттерный повторитель обычно применяют для согласования высокоомного источника усиливаемого напряжения с низкоомным нагрузочным устройством. В усилительных каскадах с общим коллектором температурная стабилизация обеспечивается основным резистором R_э, включенным в эмиттерную цепь.

Усилительный каскад с общей базой. Схема усилительного каскада с общей базой (каскад ОБ) приведена на рис. 5.13. В этом каскаде для создания оптимального тока базы в режиме покоя I_{б 0}, обеспечивающего работу усилительного каскада на линейном участке входной характеристики, служат резисторы R¢_б и R¢¢_б. Конденсатор С_б имеет на частоте усиливаемого сигнала сопротивление, много меньшее R_б, и падение напряжения на нем от переменной составляющей тока мало, поэтому можно считать, что по переменной составляющей тока база соединена с общей точкой усилительного каскада. Входное напряжение подается между эмиттером и базой, а выходное напряжение снимается между коллектором и базой через конденсатор связи С_с.

Усилительный каскад с общей базой имеет примерно такой же коэффициент усиления по напряжению, как и в каскаде с общим эмиттером, но коэффициент усиления по току у него меньше единицы, так как выходным является коллекторный ток, а входным - эмиттерный ток, который несколько больше коллекторного тока. Таким образом, коэффициент усиления по мощности К_р=K_UK_I каскадов с общей базой значительно меньше, чем каскадов с общим эмиттером. Другие недостатки усилительных каскадов с общей базой - малое входное и сравнительно большое выходное сопротивления. Вследствие этого усилительный каскад с общей базой применяют очень редко.