Каскад с общим эмиттером
Усилительные каскады, в которых транзистор включен по схеме с ОЭ, наиболее часто применяются в качестве предварительных каскадов усилителей, а также в качестве выходных каскадов в усилителях малой мощности. Этому способствует то, что каскад с ОЭ характеризуется наибольшими значениями коэффициентов усиления напряжения, тока и мощности по сравнению со схемами включения транзистора с ОК и ОБ.
Типовая схема усилительного каскада на биполярном транзисторе с ОЭ (с нагрузкой, включенной в коллекторную цепь транзистора) приведена на рисунке 2.30. Назначение большинства элементов схемы изложено в подразделе 2.5, а блокировочного конденсатора Сб – в подразделе 2.6.
Входное переменное напряжение подается на базу транзистора через разделительный конденсатор Ср1. С выхода усилителя в нагрузку с сопротивлением Rн усиленное переменное напряжение подается через разделительный конденсатор Ср2.
Все конденсаторы в схеме выбирают таким образом, чтобы для переменного тока их сопротивление на частотах в пределах полосы пропускания усилителя было незначительным.
|
|
Для определения основных параметров усилительного каскада, собранного по схеме с ОЭ, воспользуемся его эквивалентной схемой в области средних частот, когда параметры всех элементов схемы имеют только действительные значения (рисунок 2.31).
Рисунок 2.31 – Эквивалентная схема каскада с ОЭ для области средних частот
Используя эквивалентную схему, запишем аналитические выражения для определения основных параметров усилительного каскада на средних частотах (в пределах полосы пропускания): KU, KI, Rвх и Rвых.
Если не учитывать внутреннее сопротивление источника сигнала Rг, то входное сопротивление каскада с ОЭ на переменном токе будет определяться параллельным соединением резисторов базового делителя R1, R2 и входного сопротивления транзистора h 11Э.
Таким образом, можно записать:
. (2.59)
Для нахождения входного сопротивления транзистора h 11 Э можно воспользоваться формулой:
, (2.60)
где – дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода, зависящее от тока эмиттера;
– омическое сопротивление базовой области транзистора;
h 21 Э = b ст – статический коэффициент передачи тока базы транзистора, численное значение которого для транзисторов разных типов приводится в справочной литературе.
Обычно входное сопротивление транзистора h 11 Э и сопротивление резистора R2 составляют сотни ом – единицы килоом. Следовательно, входное сопротивление каскада с ОЭ является относительно низким.
Выходное сопротивление каскада с ОЭ на переменном токе определяется параллельным соединением резисторов Rк, Rн и выходного сопротивления транзистора, то есть
|
|
. (2.61)
Выходное сопротивление транзистора на практике составляет десятки – сотни килоом, сопротивление резистора Rк – сотни ом – единицы килоом. Поэтому для выполнения примерного равенства (2.61) должно выполняться неравенство Rн >> Rк.
Коэффициент усиления напряжения каскада определяется выражением
, (2.62)
где RК экв – эквивалентное сопротивление коллекторной нагрузки транзистора на переменном токе, которое может быть определено по формуле
. (2.63)
Коэффициент усиления тока каскада равен:
(2.64)
Проанализируем работу каскада в области низких (НЧ) и высоких (ВЧ) частот (рисунок 2.32).
Рисунок 2.32 – АЧХ усилительного каскада
В области низких частот необходимо учитывать влияние на коэффициент усиления каскада сопротивления разделительных конденсаторов Ср1 и Ср2, а также блокировочного конденсатора Сб.
Для оценки частотных свойств каскада используем комплексный коэффициент усиления напряжения, который в области низких частот будет иметь вид
. (2.65)
В выражении (2.65) буквами и обозначены входное комплексное сопротивление каскада и комплексное сопротивление нагрузки. Комплексный характер данных сопротивлений обусловлен наличием разделительных Ср1, Ср2 и блокировочного Сб конденсаторов. С учетом наличия этих конденсаторов, полагая, что Сб >> Ср, для коэффициента усиления напряжения можно получить выражение
, (2.66)
где KU 0 – коэффициент усиления каскада на средних частотах (рисунок 2.32);
t н» Ср (Rк + Rн) – постоянная времени выходной цепи;
w – значение текущей угловой частоты от 0 до w н.
Как видно из рисунка, в области низких частот имеет место спад АЧХ (уменьшение коэффициента усиления напряжения), обусловленный наличием разделительных и блокировочного конденсаторов. Для определения нижней граничной частоты полосы пропускания усилителя можно воспользоваться выражением
(2.67)
Емкость разделительных конденсаторов выбирают из условий: Ср1 = 2 Ср, Ср2 = Ср, где
. (2.68)
С учетом усилительных свойств транзистора емкость блокировочного конденсатора Cб должна быть приблизительно в h 21 Э раз больше, чем емкости разделительных конденсаторов Ср1 и Ср2, то есть Сб» Cр×h 21 э (на практике Сб выбирают емкостью сотни микрофарад).
Рассмотрим работу резисторного каскада в области высоких частот. На частотах, превышающих w н, сопротивлением разделительных и блокировочных конденсаторов можно пренебречь. Однако на этих частотах существенную роль на усилительные свойства каскада оказывает емкость коллекторного перехода СК. С учетом этого выражение для коэффициента усиления каскада в области ВЧ можно записать в виде
, (2.69)
где t в = t вн + t вVT» СК (Rк // R н), так как tвн, как правило, намного больше tвVT;
tвн = СК (Rк // Rн) – постоянная времени, учитывающая влияние нагрузки, где СК = 1... 80 пФ и зависит от типа транзистора;
tвVT = 0,05-5 микросекунд – постояннаявремени, учитывающая частотные свойства транзистора;
w – значение текущей угловой частоты от w в до ¥.
Верхнюю граничную частоту полосы пропускания усилителя w в (рисунок 2.32) можно найти из выражения
(2.70)
Из анализа каскада с ОЭ можно сделать ряд выводов:
- усилительный каскад с ОЭ позволяет получить высокий коэффициент усиления напряжения и тока (а, следовательно, и мощности);
- каскад имеет относительно небольшое входное и, наоборот, относительно большое выходное сопротивления (это можно отнести к недостаткам усилителя с ОЭ);
- в пределах полосы пропускания каскад обеспечивает изменение фазы сигнала на 180°;
- ширина полосы пропускания усилителя существенно зависит от правильного выбора емкости разделительных и блокировочных конденсаторов (область НЧ), а также от частотных свойств транзистора (область ВЧ).
|
|
Каскад с общей базой
Усилительный каскад с общей базой носит название повторителя тока. Повторителем тока называют усилитель с коэффициентом усиления по току KI = 1. Повторители тока, не обеспечивая усиления по току, имеют достаточно высокий коэффициент усиления по напряжению и, следовательно, по мощности. Типовая схема повторителя тока на биполярном транзисторе (каскад с ОБ) приведена на рисунке 2.33.
Рисунок 2.33 – Усилительный каскад с ОБ
Отсутствие усиления тока в усилительном каскаде с ОБ является главным недостатком данной схемы. Поэтому схема с ОБ в каскадах предварительного усиления применяется реже, чем схема с ОЭ. Однако схема с ОБ обладает и рядом преимуществ. Во-первых, каскад с ОБне инвертирует входного сигнала (то есть в пределах полосы пропускания фазы сигналов на входе и выходе усилителя совпадают). Во-вторых, ширина полосы пропускания в каскаде с ОБ больше, чем в каскаде с ОЭ (за счет расширения в область ВЧ).
Эквивалентная схема каскада с ОБ представлена на рисунке 2.34. Воспользуемся этой схемой для составления математических соотношений, позволяющих определять основные параметры каскада с ОБ.
Рисунок 2.34 – Эквивалентная схема каскада с ОБ для области средних частот
Входное сопротивление каскада равно:
, (2.71)
где h 21 Б – коэффициент передачи тока со входа на выход транзистора в схеме с ОБ (h 21 Б = a ст = 0,95 … 0,998).
Значения дифференциального сопротивления эмиттерной области rЭ, как правило, не превышают несколько десятков ом, поэтому входное сопротивление каскада с ОБ, как минимум в (1 + h 21 Э ) раз, меньше, чем каскада с ОЭ.
Выходное сопротивление каскада такое же, как и в каскаде с ОЭ (то есть определяется выражением (2.61)):
Коэффициент усиления напряжения каскада с ОБ в области средних частот равен
. (2.72)
Из выражения (2.72) следует, что поскольку a ст < 1, то для обеспечения большого значения KU необходимо, чтобы каскад работал на высокоомную нагрузку.
Коэффициент усиления тока в каскаде с ОБ равен:
. (2.73)
При Rк >> Rн коэффициент усиления тока KI» a ст. Из выражения (2.73) следует, что в каскаде с ОБ коэффициент усиления тока всегда меньше единицы.
|
|
Как видно из схемы (рисунок 2.33), каскад охвачен глубокой отрицательной обратной связью по току, поскольку выходной коллекторный ток полностью протекает через входную эмиттерную цепь. Благодаря этому повторитель тока по схеме с общей базой имеет очень низкое входное сопротивление, практически равное rЭ.
Низкоомный вход повторителя тока по схеме с общей базой имеет ряд преимуществ:
- уменьшаются частотные искажения, связанные с наличием входной емкости каскада;
- более эффективно используется источник сигнала, который практически работает в режиме короткого замыкания;
- глубокая отрицательная обратная связь приводит к увеличению выходного сопротивления и снижению выходной емкости;
- нейтрализуется паразитная обратная связь через проходную емкость СКБ;
- входной сигнал передается на выход без изменения фазы.
Каскад с общим коллектором
Каскад, в котором транзистор включен по схеме с ОК, еще известен как эмиттерный повторитель (повторитель напряжения). Эмиттерным повторителем называется усилительный каскад, охваченный 100% последовательной ООС по напряжению. Типовая схема эмиттерного повторителя приведена на рисунке 2.35.
Рисунок 2.35 – Усилительный каскад с ОК
В схеме с ОК назначение элементов R 1, R 2, Cp1 и Cp2 то же, что и в схеме с ОЭ. Резистор Rэ выполняет одновременно роль нагрузки в выходной цепи транзистора и элемента ООС по напряжению.
Наличие 100%-ной ООС по напряжению означает, что в эмиттерном повторителе выходной сигнал и сигнал обратной связи равны.
В отличие от усилителя по схеме с общим эмиттером, схема с общим коллектором не инвертирует входной сигнал. Действительно, если ко входу эмиттерного повторителя приложить увеличивающееся по уровню напряжение, то это приведет к увеличению базового, а, соответственно, и эмиттерного тока транзистора. В результате этого будет увеличиваться падение напряжения на сопротивлении нагрузки каскада и, соответственно, его выходное напряжение. Таким образом, входной и выходной сигналы в схеме будут изменяться в фазе.
Эквивалентная схема каскада с ОК представлена на рисунке 2.36. Воспользуемся схемой и получим математические соотношения для расчета основных параметров каскада.
Рисунок 2.36 – Эквивалентная схема повторителя напряжения для области средних частот
Обозначим через Rэкв сопротивление в выходной цепи каскада: . Тогда входное сопротивление каскада с ОК равно
. (2.74)
Если Rэ << Rн, то можно принять
. (2.75)
Как видно из выражения (2.74), входное сопротивление каскадас ОК изменяется с изменением сопротивления нагрузки.
При выводе уравнения для входного сопротивления каскада не учитывалось сопротивление базового делителя. Однако в реальных схемах значение входного сопротивления ограничено также и сопротивлением делителя в цепи базы. Для обеспечения хорошей температурной стабильности работы каскада необходимо, чтобы выполнялось условие R1 || R2 £ Rэ.
В то же время для обеспечения высокого входного сопротивления требуется, чтобы делитель не шунтировал входное сопротивление каскада, то есть, должно выполняться условие R1 || R2 >> R вх. Поэтому на практике приходится либо использовать непосредственную связь с источником сигнала (без делителя), либо искусственно повышать сопротивление цепи смещения за счет введения отрицательной ОС.
Выходное сопротивление каскада можно найти, используя выражение:
. (2.76)
В частном случае при достаточно большом значении коэффициента передачи тока базы и низкоомном источнике входного сигнала можно полагать
. (2.77)
Поскольку дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода rЭ сильно зависит от тока эмиттера iЭ, то с увеличением тока эмиттера сопротивление rЭ существенно уменьшается и, соответственно, существенно уменьшается Rвых. В используемых на практике каскадах повторителей напряжения, как правило, Rвых = 100... 200 Ом.
Коэффициент усиления напряжения каскада найдем с учетом того, что rЭ << rК, используя выражение
. (2.78)
Учитывая, что rК >> Rн, при выполнении условия Rн > Rэ выражение (2.78) можно записать в виде
. (2.79)
Анализ выражения (2.79) показывает, что коэффициент усиления напряжения каскада с ОЭ всегда меньше единицы. В реальных схемах эмиттерных повторителей наибольшее значение коэффициента усиления может достигать значений KU = 0,9... 0,9995.
Коэффициент усиления тока в каскаде с ОК может быть найден с учетом допущений: rЭ << Rэ ÷ç Rн, rК >> Rэ ÷ç Rн. При этом выражение для коэффициента усиления тока примет вид
. (2.80)
Как видно из (2.80), коэффициент усиления тока каскада с ОК значительно больше единицы, но меньше, чем каскада с ОЭ при использовании того же транзистора. За счет большого усиления по току в каскаде с ОК обеспечивается усиление мощности.
Частотные свойства эмиттерного повторителя полностью определяются частотными свойствами применяемого транзистора и емкостью разделительных конденсаторов. Благодаря наличию 100 %-ой ООС каскад с ОК является более высокочастотным, по сравнению с каскадом с ОЭ.
Таким образом, усилительный каскад с ОК характеризуется следующими параметрами:
- высоким входным и низким выходным сопротивлением;
- коэффициент усиления напряжения меньше единицы;
- коэффициентом усиления тока почти таким же, как и в схеме с ОЭ;
- полосой пропускания большей, чем в каскаде с ОЭ (за счет расширения в область НЧ).
Одним из достоинств эмиттерного повторителя является то, что амплитуда входного сигнала для режима класса А может достигать половины напряжения источника питания, не приводя к искажению выходного сигнала. Данное свойство и низкое выходное сопротивление и определили их применение в качестве согласующих (буферных) каскадов.