Усилитель напряжения

Рис. 9. Простейшая схема усилителя с общим эмиттером

На рис. 9 показана простейшая схема усилителя на транзисторе с общим эмиттером. Входной сигнал U_вх подается между базой и эмиттером, а выходной U_вых снимается с коллектора. В отсутствие сигнала (U_вх = 0) через транзистор протекают постоянные токи I_к0, I_б0; режим постоянного тока задается источником базового смещения Е_б0. Обсудим работу схемы, используя введенные выше параметры.

Входной сигнал (приращение) U_вх = U_б вызывает изменение тока базы I_б = U_бэ /h₁₁. Ток коллектора также получит приращение I_к = h₂₁I_б. Запишем, пользуясь законом Кирхгофа, напряжение на коллекторе

Как видим, приращение тока коллектора вызывает изменение падения напряжения на сопротивлении R_к и обратное по знаку изменение напряжения на коллекторе:

Тогда коэффициент усиления равен

(5)

Знак минус указывает на то, что усилитель с общим эмиттером является инвертирующим.

Формула (5) учитывает не все параметры транзистора, поэтому является приближенной. Однако она дает простую интерпретацию механизма усиления; в соответствии с нею коэффициент усиления пропорционален усилительным свойствам транзистора (параметру h₂₁) и сопротивлению R_к. В то же время формула (5) обеспечивает приемлемую точность оценки коэффициента усиления. Например, для параметров h₂₁ = 100, h₁₁ = 2,5 кОм выбор сопротивления R_к = 5 кОм дает К= 200.

Расчет характеристик усилителя удобно проводить, используя эквивалентную схему транзистора, изображённую на рис.8. В этом случае в эквивалентную схему следует вводить только те внешние элементы, которые оказывают влияние на распределение переменных токов и напряжений. Такую схему называют схемой по переменному току. В простейшем случае в неё вводится только сопротивление R_к (на рис. 8 оно показано пунктиром). Обратим внимание, что в эту схему не входит источник питания Е_к. Это объясняется тем, что сопротивление источника для переменного тока практически равно нулю, на этом участке цепи не создается переменного падения напряжения, и он исключен из схемы. Пренебрегая обратной связью (h₁₂ = 0), получаем из эквивалентной схемы для коэффициента усиления выражение

, (6)

где - сопротивление параллельного соединения элементов 1/h₂₂ и R_к. Как правило, h₂₂ R_к << 1, и из (6) следует (5). Входное и выходное сопротивления усилителя в том же приближении равны

. (7)

Последние являются важными параметрами; они необходимы для оценки влияния на характеристики усилителя внешних по отношению к нему цепей источника сигнала и нагрузки.

Рассчитаем таким же образом полезный практический случай. Для улучшения работы усилителя с общим эмиттером последовательно эмиттеру транзистора включают дополнительное сопротивление R_э (на рис. 9 оно показано пунктиром).

Построим эквивалентную схему такого усилителя (рис. 10), используя упрощенную эквивалентную схему транзистора (рис. 8).

Рис. 10. Эквивалентная схема усилителя с резистором в цепи эмиттера

Входное сопротивление

с учетом I_э = (1+h₂₁) I _б равно

.

Тогда коэффициент усиления

.

Таким образом, включение R_э увеличивает входное сопротивление и уменьшает коэффициент усиления. Обычно R_э ≈ h₂₁ и составляет единицы килоом. Тогда, принимая во внимание h₂₁ >> 1, получаем

. (8)

Включение R_э обеспечивает так называемую отрицательную обратную связь по току. Из рис.9 видно, что переменный (усиленный) ток эмиттера, протекая по сопротивлению R_э, создает на нем переменное напряжение I_эR_э. Управляющее напряжение между базой и эмиттером транзистора равно U_бэ = U_вх - I_эR_э, то есть меньше, чем U_вх. В результате коэффициент усиления становится меньше.