Усилительный каскад с общим эмиттером

Одним из наиболее распространенных усилительных каскадов на биполярных транзисторах является каскад с общим эмиттером (рис. 8.9). В этом каскаде эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей, а резистор Rk, с помощью которого создается выходное напряжение, включается в коллекторную цепь транзистора VT. Полярность источника питания с ЭДС Ек по отношению к коллекторной цепи зависит от типа транзистора. На рис. 8.9 полярность источника питания соответствует усилительному каскаду с транзистором типа п-р-п. Для усилительного каскада с транзистором типа р-п-р полярность источника питания должна быть противоположной. Величина напряжения источника питания современных усилительных каскадов на биполярных транзисторах составляет обычно 10 — 15 В.

Для коллекторной цепи усилительного каскада в соответствии со вторым законом Кирхгофа можно записать следующее уравнение электрического состояния:

aside class="viderzhka__img" itemscope itemtype="http://schema.org/ImageObject">

Рис. 8.9. Схема усилительного каскада с общим эмиттером.

т.е. сумма падения напряжения на резисторе Rk и коллекторного напряжения Uk транзистора всегда равна постоянной величине — ЭДС источника питания. Вольт-амперная характеристика коллекторного резистора Rk Ik⁼/(Urk) является линейной, а вольтамперные характеристики транзистора 1к=/Ш представляют собой нелинейные коллекторные характеристики транзистора, включенного по схеме с ОЭ (рис. 8.10).

Расчет такой нелинейной цепи, т. е. определение Ik, Uk и Ur_k для различных значений токов базы 1б и сопротивлений резистора Rk, можно провести.

Рис 8.10. Построение динамической входной (Г), переходной характеристики (передачи тока) — (//), выходной характеристики (///) и нагрузочной характеристики (1У) при Ек= 10 В и Rk=500 Ом.

Рис. 8.11. Временные зависимости токов базы (а), коллектора {б), и выходного напряжения (в) при большом входном напряжении графически. Для этого на семействе коллекторных характеристик (рис. 8.10) необходимо провести из точки Ек на оси абсцисс вольт-амперную нагрузочную характеристику резистора Rk, удовлетворяющую уравнению.

Эту характеристику удобнее строить по двум точкам: Uk = Ек при 1к= 0 на оси абсцисс и 1к= Ек/ Rk при Uk — 0 на оси ординат. Построенную таким образом вольт-амперную характеристику коллекторного резистора Rk часто называют линией нагрузки (IV).

С помощью линии нагрузки можно построить динамическую входную характеристику (рис. 8.10, I), т. е. зависимость 1б=А^б) при включенном в коллекторную цепь резисторе Як- Отличие динамической входной характеристики от статической заключается в том, что статическую характеристику /я=/(C/g) определяют при условии Uk, — const, которое не выполняется для динамической характеристики, так как разным значениям 1б соответствуют разные значения 1к, а следовательно, и Uk (т.е. Uk T^const). Однако входные характеристики для разных значений Uk отличаются незначительно, поэтому в качестве динамической характеристики принимают обычно усреднённую статическую входную характеристику.

Анализ работы усилительного каскада удобно проводить с помощью переходной (рис. 8.10,^{характеристики} 1к= f (h), которую строят по точкам пересечения линии нагрузки с коллекторными характеристиками.

На рис. 8.10 помимо коллекторных (выходных) характеристик (III) приведена динамическая входная характеристика^), повёрнутая на 90° и дано построение переходной характеристики (II). Из рисунка видно, что переходная характеристика имеет практически линейный участок аЪ при изменении тока базы от нуля до некоторого значения, зависящего от типа транзистора и величины сопротивления R_K. Проецируя этот участок на линию нагрузки и динамическую входную характеристику, отметим на них соответствующие участки аЪ' и а" Ъ" . Сопротивление резистора Rk выбирают исходя из требуемого усиления входных сигналов.

В состав схемы рис. 8.9 входят конденсаторы С и С_с, которые служат для фильтрации постоянной составляющей входного и, соответственно, выходного сигналов; C_cR_c — цепь связи (выходная цепь); Со - паразитная ёмкость, образованная монтажными проводами; Re/, Re2 — сопротивления, с помощью которых подаётся постоянное напряжение на базу — делитель напряжения; /?э, Сэ — цепь температурной компенсации, с помощью которой стабилизируются выходные характеристики транзистора при его нагреве.

Благодаря тому, что коллекторный ток во много раз превышает ток базы, а сопротивление Rk больше R_ex, выходное напряжение усилительного каскада с общим эмиттером получается во много раз больше входного напряжения. Если изменения входного напряжения^, тока базы Is и тока коллектора 1к укладываются в линейные участки переходной и динамической входной характеристик, то форма выходного напряжения будет соответствовать форме входного напряжения. В частности, при подаче на вход усилительного каскада гармонического напряжения выходное напряжение будет также гармоническим.

Важнейшей характеристикой усилительных устройств является коэффициент усиления по напряжению К_и.

При больших входных напряжениях переменные составляющие токов выходят за пределы линейных участков переходной и динамической входной характеристик, в результате чего форма кривой выходного напряжения претерпевает значительные искажения. Эти искажения, обусловленные нелинейностью указанных характеристик, называются нелинейными.

На рис. 8.11 показаны временные зависимости токов базы 1б, коллектора 1к и выходного напряжения Lfc усилительного каскада при большом входном напряжении. Из рис. 8.11 видно, что при больших входных напряжениях рост выходного напряжения замедляется, т. е. коэффициент усиления уменьшается. Для оценки диапазона изменений входных напряжений, усиливаемых без искажений, используют амплитудную характеристику, представляющую собой зависимость амплитудного значения выходного напряжения от амплитудного значения входного напряжения.