Усилительный каскад с общим коллектором

 

Простейший эмиттерный повторитель представлен на рис. 3.12, 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. 3.12, б. Из рис. 3.12, а вытекает, что входное напряжение можно представить в виде суммы:

 

. (3.41)

 

 

Рисунок 3.12 − Простейший эмиттерный повторитель

 

Поскольку U_RЭ = U_ВЫХ, из выражения (3.41) вытекает, что выходное напряжение всегда меньше входного на величину падения напряжения U_БЭ. Заменив U_RЭ = I_ЭR_Э выражение (3.41) можно переписать

 

, (3.42)

 

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. 3.13) составляют уравнения Кирхгофа для входной и выходной цепей усилителя:

 

, (3.43)

. (3.44)

 

Решая их с учетом (3.23), получим

 

, (3.45)

 

, (3.46)

 

. (3.47)

 

Рисунок 3.13 – Схема усилителя ОК

 

При графическом методе расчета используют статические выходные характеристики транзистора в схеме ОЭ. Поэтому в уравнении (3.45) заменяют ток I_Э близким ему значением I_К, т. е. I_К ≈ I_Э.

Формулы (3.45), (3.46), (3.47) применимы для расчета режима усилителей на рис. 3.13. При этом в каскаде на рис. 3.13, а роль источника Е _Б выполняет источник Е_К (Е_Б = Е_К), адля усилителя на рис. 3.13, б

 

, . (3.48)

 

Для определения основных параметров каскада ОК составляют малосигнальную эквивалентную схему (рис. 3.14), считая, что в области средних частот

 

. (3.49)

 

Рисунок 3.14 – Эквивалентная схема ОК

 

1. Входное сопротивление. Входное сопротивление транзистора, определяемое между точками 0−0’, равно

 

, (3.50)

где R_ЭН = R_ЭR_Н / (R_Э + R_Н). Если считать r_К →∞, то с учетом (3.23)

 

(3.51)

 

Входное сопротивление каскада велико и составляет от десятков до сотен кило-Ом. Оно определяется в основном вторым слагаемым выражения (3.51) и оценивается приближенной формулой

 

. (3.52)

 

Большое входное сопротивление обусловлено последовательной отрицательной обратной связью по напряжению, создаваемой сопротивлением R_ЭН. Сопоставляя структуру выражения (3.51), полученного при r_К →∞, со схемой рис. 3.14, 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

 

. (3.53)

 

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',

 

. (3.54)

 

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. 3.14 следует, что

 

. (3.55)

 

Если считать R_Б >> R_ВХ.Т, что эквивалентно i_Б ≈ i_ВХ и учесть (3.23) и (3.53), то

 

(3.56)

 

Так как β + 1 = 1 /( 1 -α), то

 

(3.57)

 

(3.58)

 

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. 3.14 можно записать, что i_ВХR_ВХ =i_бR_ВХ.Т, а i_ЭR_ЭН= −i_ВЫХR_Н. Тогда с учетом (3.23), (3.55) и

 

(3.59)

получим

. (3.60)

 

Знак «−» в (3.60) означает, что реальное направление выходного тока i_ВЫХ противоположно выбранному положительному направлению (рис. 3.14).

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

 

, (3.61)

 

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 (3.58) составляют эквивалентную схему каскада рис. 3.15, в которой связь между током i_Э и ЭДС e_Г сохраняется такой же, как и в схеме на рис. 3.14. В этом можно убедиться, получив К_е непосредственно из схемы рис. 3.15.

Из схемы на рис. 3.15 находят выходное напряжение холостого хода (R_Н →∞)

(3.62)

 

и выходной ток короткого замыкания

 

(3.63)

Откуда

 

. (3.64)

 

 

 

Рисунок 3.15 – Эквивалентная схема каскада ОК

 

Выходное сопротивление каскада состоит из двух параллельно включенных сопротивлений: R_Э и выходного сопротивления транзистора. Тогда ив формулы (3.64) следует, что

 

. (3.65)

 

Так как обычно R_Э>>R_ВЫХ.Т, то

 

. (3.66)

 

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.