1. Принцип работы каскада по схеме с общим эмиттером

Простейший усилительный каскад по схеме с общим эмиттером приведен на рис. 12.6а. При схемном изображении транзистора и источников этот каскад принимает вид рис. 14.1а. Для анализа принципа работы каскада построим его передаточную характеристику (рис.14.1б).

С увеличением входного сигнала (U_бэ) растет ток базыI_б(см.рис. 12.6в), а значит и ток коллектора, причем:

,

Ток коллектора создает падение напряжения на резисторе , причем,а также на дифференциальном сопротивлении участка коллектор-эмиттер транзистора -, причем всегда.

Рост тока коллектора означает уменьшение R_кэ, а значит иU_кэ. При этом на постоянном сопротивлении резистора падение напряжения увеличивается. Так как дифференциальное сопротивлениеR_кэвычислять сложно, падение напряжения на участке коллектор-эмиттер транзистора находят как разность:

.

И так, с увеличением тока коллектора I_к увеличивается падение напряжения на резистореR_к и уменьшается напряжениеU_кэ , т.е. выходное напряжение каскада (рис.14.1б).

Когда ток коллектора достигает насыщения (т.е. максимального значения), напряжение на участке коллектор-эмиттер транзистора достигает наименьшего значения. Это значение называют напряжением насыщения -U_кэн, причем:

.

Как правило, это напряжение составляет десятые доли вольта, оно пренебрежимо мало в сравнении с Е_к,поэтому иногда им пренебрегают, полагая. Дальнейшее увеличениеU_бэне может вызвать изменений токаI_ки напряженияU_кэ.

Анализ передаточной характеристики позволяет выделить три характерных участка (они обозначены римскими цифрами). На участке Iчерез транзистор протекает только неуправляемый обратный ток коллекторного перехода. Сопротивление. Практически все напряжение источникаЕ_кпадает на сопротивлениеR_кэ, т.е..

На участке IIнапряжение на коллекторе транзистора можно изменять в пределах, а ток - в пределах. Эти изменения являются результатом регулировки параметровU_бэ, I_бмаломощного источника сигнала.

Например , а. ОтношениеобозначаютК_U и называют коэффициентом усиления по напряжению. В нашем примереК_U=50. Кроме того, увеличение напряженияU_бэ приводит к пропорциональному уменьшению напряженияU_кэ, т.е. знаки приращений входного и выходного сигналов противоположны. Такие усилители называют инвертирующими.

На участке III. Транзистор теряет свойства усилительного элемента.

Передаточная характеристика позволяет рассмотреть различные режимы работы усилительного каскада (классы усиления). При работе в классе «В» напряжение (см. рис.14.1б). На выход передается сигнал только одной полярности. При подаче на вход двухполярного сигнала часть информации будет потеряна.

При работе в классе «А» напряжение . ЗдесьU_см- напряжение смещения, постоянная величина, не зависящая отU_вх. КогдаU_вх= 0,U_бэ =U_см. Такой режим называют режимом покоя, а токиI_б,I_ки напряженияU_бэиU_кэ называют токами и напряжениями покоя и обозначаютI_бп;I_кп;U_бэп;U_кэп. Напряжение смещенияU_смвыбирают так, чтобы рабочая точка транзистора Т находилась в середине линейного участкаII. В этом случае любое приращение входного напряжениявызовет пропорциональное инверсное приращение выходного напряжения, гдеК_U- коэффициент усиления.

При работе в классе Dна вход каскада подается большой сигнал (пунктир на рис. 14.1). Передаваемый сигнал ограничивается сверху и снизу. Такой режим широко применяется в импульсной технике.

Чтобы обеспечить усиление каскада в классе А, на базу транзистора необходимо подать напряжение смещения U_см.Это обеспечивают специальные схемы, которые называют схемами смещения. Рассмотрим наиболее часто применяемые схемы.

Схема смещения с фиксацией тока базы (рис. 14.2а). Фиксация тока базы I_б достигается, когда в цепь базы включается резисторR_бс большим сопротивлением.

Для цепи базы справедливо равенство:

.

Отсюда

. (14.1)

В (14.1) и им можно пренебречь.

Из (14.1) следует, что ток покоя базы определяется величиной внешнего сопротивления R_б, не зависит от параметров транзистора и является фиксированной величиной.

Схема с фиксацией напряжения базы (рис.14.2б). Для цепи базы в этой схеме справедливо равенство:

.

Отсюда

, (14.2)

где - ток делителя.

Чтобы напряжение смещения U_бэ не зависело от параметров входной цепи транзистора, ток делителяI_д необходимо выбирать значительно больше тока базыI_б.Обычно. Тогда:

(14.3)

и не зависит от тока базы. Большое значение тока делителя приводит к необходимости дополнительных затрат энергии источника питания. Это недостаток схемы.

Общим недостатком рассмотренных схем является зависимость режима работы транзистора от температуры окружающей среды (температурные изменения токов базы и коллектора, коэффициента передачи тока базы β). Для устранения температурной зависимости в цепь смещения можно включить элементы коррекции, сопротивление которых зависит от температуры, например терморезистор или диод. Значительно чаще применяют схемы стабилизации с отрицательной обратной связью (ООС).

Рассмотрим наиболее широко применяемую схему стабилизации с ООС по току в цепи эмиттера (14.2в). В качестве элемента ООС используется резистор . Сопротивление участка база - эмиттер транзистора,иобразуют замкнутый контур. Для этого контура справедлив второй закон Кирхгофа, согласно которому:

.

Отсюда

. (14.4)

Выражение (14.4) раскрывает физику стабилизирующего действия ООС. Так если под воздействием дестабилизирующего фактора ток базы I_бначнет возрастать, то увеличится и ток эмиттера, а значит и. Но это приведет к уменьшению напряженияU_бэ настолько, чтобы ток базы принял прежнее значение. ООС всегда препятствует любому изменению тока эмиттера, а значит и тока базы тем эффективнее, чем больше значениеR_э.Это значит, что ООС будет препятствовать приращению тока коллектора под воздействием входного сигнала, резко уменьшая коэффициент усиления каскада. Чтобы устранить этот недостаток параллельноR_эвключают емкостьС_э. Значение емкости выбирают из условияна минимальной частоте сигнала. В этом случае переменная составляющая (сигнал) будет замыкаться поС_э, а медленно изменяющиеся составляющие температурной нестабильности - поR_э.Каскад сохраняет высокий коэффициент усиления и стабильность свойств в широком диапазоне температуры окружающей среды.

К основным параметрам усилительных каскадов относятся входное R_вх и выходноеR_выхсопротивления, коэффициент усиления по напряжениюК_Uи др. Значение параметров, как правило, определяют по переменной составляющей в классе усиления А. Для переменной составляющей сопротивление источникаЕ_кравно нулю (т.е. его зажимы 1 - 1^'закорачиваются). СопротивлениеR_этакже равно нулю, так как резистор закорочен емкостьюС_э.

Для оговоренных условий входное сопротивление каскада на рис. 14.2в определим по закону Ома:

.

Но , гдеR_эб - эквивалентное сопротивление входной цепи, составленное из параллельно включенныхR₂иR_бэ, т.е.

. (14.5)

Величина R_бэ для маломощных транзисторов порядка 10³Ом. ВеличинаR₂ порядка нескольких сотен Ом. Значит величинаR_вх схемы рис. 14.2в мала. Это ужесточает требования к мощности источника сигнала, т.е. мощность источника должна быть достаточно большой.

Резистор R_к по переменной составляющей оказывается включенным параллельноR_кэиR_н. ЗначениеR_кэпорядка 10⁴Ом. ЗначениеR_к- порядка 10³Ом. Пренебрегая величинойR_кэполучимR_вых R_э, где

. (14.6)

Коэффициент усиления по напряжению:

. (14.7)

Применяя к (14.7) выражения (14.5) и (14.6), получим:

, (14.8)

где: - коэффициент усиления по напряжению в режиме холостого хода;

- коэффициент потерь сигнала в выходной цепи каскада.

Последнее выражение показывает, что коэффициент усиления каскада по схеме с общим эмиттером зависит от параметров нагрузки.