Простейший усилительный каскад с общим коллектором

На рисунке 2.1 приведен вариант построения усилителя по схеме с общим коллектором (ОК). Каскад с общим коллектором называют еще «повторителем напряжения» или «эмиттерным повторителем», так как коэффициент передачи по напряжению этого каскада меньше единицы, что вытекает из его дальнейшего анализа.

При подаче на базу транзистора положительной полуволны входного синусоидального сигнала будет увеличиваться ток коллектора и, следовательно, ток эмиттера. В результате падение напряжения на увеличится, т.е. произойдет формирование положительной полуволны выходного напряжения. Таким образом, каскад с ОК не инвертирует входной сигнал.

Рисунок 2.1-Усилительный каскад по схеме с общим коллектором

Напряжение сигнала, приложенное к базо-эмиттерному переходу, является разностью между и . Чем больше (при заданном ), тем меньше окажется напряжение, приложенное к эмиттерному переходу, что будет приводить к уменьшению тока эмиттера и, соответственно, к уменьшению , т.е. в каскаде с ОК проявляется действие стопроцентной отрицательной обратной связи (ООС).

Конденсаторы С1 и С2 используются для разделения постоянной и переменной составляющих сигнала и называются разделительными.

Базовый резистор Rб задает требуемый ток базы.

Переменная составляющая входного напряжения подается через разделительный конденсатор С1 и вызывает изменение тока базы транзистора. Изменение тока базы приводит к пропорциональному изменению тока в эмиттерной цепи. Для его преобразования в соответствующие изменения выходного напряжения и ограничения эмиттерного тока используется резистор .

При расчете усилительного каскада на биполярном транзисторе на его выходных характеристиках выбирают точку покоя (точка А), положение которой определяет режим работы транзистора. Обычно ее координаты обозначают как I₀ и U₀ (рис. 2.2).

На выходных характеристиках транзистора точка покоя А, соответствующая выбранному значению тока базы, лежит на нагрузочной прямой постоянного тока. Нагрузочная прямая постоянного тока проходит через точку А на оси абсцисс и точку E/R_Э на оси ординат в соответствии с уравнением второго закона Кирхгофа для коллекторной цепи:

(2.1)

Рисунок 2.2-Графическое представление работы каскада по постоянному и переменному току

Наклон нагрузочной прямой постоянного тока определяется сопротивлением выходной цепи постоянному току . В общем случае оно включает все сопротивления, последовательно подключенные в выходной цепи кроме транзистора к источнику питания.

Через разделительный конденсатор С2 к эмиттеру подключена нагрузка R_н, в которую передается часть переменной составляющей эмиттерного тока. Другая часть ответвляется в резистор R_Э, таким образом:

(2.2)

Следовательно, для переменной составляющей эмиттерного тока резисторы R_Э и R_Н соединены параллельно. Их параллельное соединение называют сопротивлением выходной цепи по переменному току:

R_~ = Rэ║ Rн (2.3)

При передаче сигнала мгновенные значения тока и напряжения в эмиттерной цепи транзистора определяются соотношениями:

; (2.4)

, (2.5)

причем переменные составляющие связаны уравнением:

Uвых(t) = - R_~ · iэ(t) (2.6)

Знак минус подчеркивает тот факт, что с ростом эмиттерного тока напряжение на транзисторе уменьшается.

Подставив в уравнение (2.6) значения переменных составляющих эмиттерного тока и напряжения из (2.4) и (2.5), получим уравнение нагрузочной прямой переменного тока:

Uкэ – Uо = - R_~(Iэ – Iо) . (2.7)

Она проходит через точку покоя A (I₀,U₀) и точку на оси абсцисс с координатой Uкэ = Uо + Iо∙R_~. По ней совершает колебания рабочая точка под действием сигнала, причем и определяют амплитуды переменных составляющих и для заданной амплитуды изменения базового тока .

Особенности усилительного каскада по схеме с ОК:

- каскад с ОК не дает усиления по напряжению ( );

- имеет большое входное и малое выходное сопротивление.

Частотные свойства каскада определяются логарифмической амплитудно-частотной характеристикой (ЛАЧХ), это зависимость коэффициента усиления каскада, измеренного в децибелах G = 20lg(K), от частоты, измеренной в декадах ω = lg(f). Типовая ЛАЧХ УНЧ приведена на рисунке 2.3.

Спад ЛАЧХ в области нижних частот определяется тем, что на низких частотах увеличивается сопротивление разделительных конденсаторов.

Спад ЛАЧХ в области верхних частот определяется частотными свойствами транзистора.

Рисуное 2.3-ЛАЧХ исследуемого каскада