Усиление в режиме малого сигнала

Рассмотрим усилитель в схеме с общей базой с активной нагрузкой R_н в цепи коллектора (рис..). На рис… представлены характеристики и временные диаграммы, иллюстрирующие усиление в схеме с общей базой в режиме малого сигнала. Из анализа графиков можно заключить, что в режиме малого сигнала имеется усиление по напряжению и сдвиг по фазе на 180^о между входным и выходным напряжением.

Рассчитаем коэффициент усиления по напряжению малого сигнала на частотах, когда сдвигом фаз между током эмиттера и коллектора можно пренебречь. Он равен отношению

,

где DU_вых – приращение выходного напряжения, DU_вх – приращение входного напряжения.

При усилении малых сигналов стремятся получить необходимый коэффициент усиления напряжения при приемлемом уровне искажений формы входного сигнала (его оценивают процентом высших гармоник в выходном сигнале при синусоидальном входном напряжении). Для этого необходимо установить режим работы транзистора по постоянному току. Иначе говоря, надо установить рабочие точки на входной и выходной характеристиках транзистора. Это делается для того, чтобы исключить влияние участка входной характеристики с малой крутизной и уменьшить искажения, обусловленные нелинейностью выходной характеристики. Обычно напряжение на коллекторе в рабочей точке выходной характеристики выбирают равной половине напряжения источника питания коллектора E_к/2. Перпендикуляр из точки E_к/2 на оси абсцисс выходной характеристики восстановленный до точки пересечения с нагрузочной прямой равен току коллектора в рабочей точке I_крт. Его ещё называют током покоя. Это ток протекает, когда входного сигнала нет. Ток эмиттера в рабочей точке I_эрт можно считать равным току коллектора в рабочей точке, поскольку коэффициент передачи тока эмиттера близок к единице. Зная ток эмиттера в рабочей точке, можно определить дифференциальное сопротивление эмиттера

.

Приращение входного напряжения DU_вх можно выразить как произведение приращения тока эмиттера на дифференциальное сопротивление эмиттера

.

Приращение выходного напряжения равно

.

Тогда коэффициент усиления по напряжению, равный отношению приращения выходного напряжения к входному будет

.

Поскольку коэффициент передачи тока эмиттера близок к единице, то коэффициент усиления будет равен

.

Коэффициент усиления больше единицы, когда R_н > R_диф. R_диф зависит от режима по постоянному току.

Рассчитаем режим работы усилителя в схеме с общей базой по постоянному току.

Пусть дано напряжение источника питания коллектора Е_к и величина сопротивления нагрузки в цепи коллектора R_н. Определим напряжение источника смещения в цепи эмиттера Е_э, сопротивление R_э и ёмкость разделительного конденсатора С_э. Для получения максимальной амплитуды выходного напряжения и минимальных нелинейных искажений сигнала постоянное напряжение коллектора в рабочей точке (рис…) выбирается как

U_крт = Е_к/2.

Тогда отсюда можно определить постоянный ток коллектора в рабочей точке и примерно равный ему ток эмиттера в рабочей точке

I_крт = Е_к/2R_н = I_эрт.

Зная ток эмиттера в рабочей точке, определим дифференциальное сопротивление эмиттера в рабочей точке

R_эдиф = kT/eI_эрт.

Чтобы переменный ток не шунтировался сопротивлением R_э, то есть весь шёл в эмиттер, для управления током коллектора R_э надо выбирать много большим R_эдиф. Много больше означает не менее чем в 10 раз. Определим требуемое напряжение источника смещения в цепи эмиттера Е_э

Е_э = I_эрт.R_эдиф + U_pn,

где U_pn - падение напряжения на переходе эмиттер-база для кремниевого транзистора. Для кремниевого транзистора оно находится в пределах 0,5 – 0,7 В. Величина ёмкости конденсатора С_э исключает протекание постоянного тока от источника смещения Е_э через источник переменного сигнала. Её величина определяется условием, что на нижней частоте усиления f_н сопротивление ёмкости было много меньше R_диф. Много меньше означает не менее чем в 10 раз. То есть большая часть входного переменного напряжения должна падать на входе транзистора, а не на конденсаторе С_э. Это условие выражается следующими неравенствами

1/(2pС_э f_н) << R_эдиф,

или

С_э >>1/ 2p f_нR_эдиф).

Схема с общей базой обеспечивает усиление по мощности и напряжению. Предельная частота в этой схеме является самой высокой по сравнению с другими схемами включения. Поэтому эта схема используется для высокочастотных и сверхвысокочастотных применений.