Усилительный каскад с общим эмиттером

Схема усилительного каскада на биполярном транзисторе (n-p-n), включенного по схеме с общим эмиттером показана на рис. 1.2.2. В этой схеме сопротивление в базовой цепи

служит для задания тока базы (и напряжения база-эмиттер в режиме покоя -

) в режиме покоя.

Значение этого сопротивления определяется исходя из требуемого значения тока базы в режиме покоя -

где - напряжение источника питания.

Для задания положения точки покоя на выходных характеристиках ( , ) служит сопротивление :

Конденсатор необходим для того, чтобы постоянный ток базы в режиме покоя не влиял на источник усиливаемого сигнала, а постоянная составляющая напряжения источника сигнала не поступала на вход транзистора, изменяя положение точки покоя. Конденсатор на выходе усилительного каскада обеспечивает выделение из напряжения коллектор-эмиттер переменной составляющей, которая поступает на нагрузочный резистор .

На рис. 1.2.3 показаны входные и выходные вольт-амперные характеристики (ВАХ) биполярного транзистора. На выходных характеристиках построена опрокинутая ВАХ сопротивления , которая представляет собой прямую, соединяющую точки (на оси ) и (на оси ).

Положение рабочей точки транзистора определяется пересечением опрокинутой характеристики и одной из кривых выходной ВАХ транзистора, соответствующей заданному току базы транзистора. В режиме покоя (при отсутствии внешнего сигнала) рабочая точка совпадает с точкой покоя П.

При подаче на вход усилителя гармонического синусоидального сигнала (рис. 1.2.3) напряжение база-эмиттер будет изменяться, то есть кроме постоянной составляющей оно будет иметь переменную составляющую . Одновременно будет изменяться и ток базы в соответствии с входной характеристикой. При изменении тока базы будет изменяться и ток коллектора ( ) то есть положение рабочей точки на выходных характеристиках (при рабочая точка "А", при - точка "Б"). В соответствии с изменением положения рабочей точки будет изменяться напряжение коллектор-эмиттер (в точке "А" - , в точке "Б" - ). Таким образом переменная составляющая напряжения коллектор-эмиттер (напряжение на нагрузочном резисторе ) противоположна по фазе входному напряжению. Следовательно усилительный каскад с общим эмиттером инвертирует входной сигнал (инвертирующий усилитель). Благодаря тому, что ток коллектора транзистора намного превышает ток базы (в раз), выходное напряжение усилительного каскада во много раз больше входного.

Если изменения входного напряжения, тока базы, тока коллектора укладываются в линейные участки входной и выходной характеристик, то форма выходного напряжения будет соответствовать форме входного (усиленного в раз). При больших входных напряжениях, переменные составляющие токов , и напряжений , выйдут за пределы линейных участков входной и выходной характеристик, в результате чего форма кривой выходного напряжения претерпевает значительные искажения. Эти искажения обусловленные нелинейностью характеристик транзистора называют нелинейными. Именно нелинейные искажения обуславливают вид амплитудной характеристики усилительного каскада, которая при больших значениях входного напряжения отличается от линейной зависимости.

Для определения основных параметров усилительного каскада воспользуемся малосигнальной схемой замещения биполярного транзистора для области средних частот (рис. 1.2.4). При составлении малосигнальной модели учитывается то, что сопротивления разделительных конденсаторов и в области средних частот равны нулю. Для входного сигнала сопротивление источника питания, который имеет очень большую емкость, так же равно нулю. Поэтому по отношению ко входному сигналу верхний вывод схемы через источник питания подключен к выводу эмиттера транзистор. При этом сопротивление в цепи базы подключено параллельно входному сопротивлению транзистора , а сопротивление в цепи коллектора – параллельно

переходу коллектор-эмиттер.

Считая, что и из схемы замещения получим коэффициент усиления каскада по напряжению:

Входное сопротивление усилительного каскада с общим эмиттером в области средних частот:

Выходное сопротивление усилительного каскада с общим эмиттером:

Входное сопротивление усилительного каскада с общим эмиттером обычно лежит в пределах от нескольких сотен Ом до нескольких кОм. Выходное сопротивление больше входного (единицы – десятки кОм). Низкое входное и высокое входное сопротивление являются существенным недостатком усилительного каскада с общим эмиттером. Так при работе с высокоомным источником сигнала, имеющим внутреннее сопротивление , входное напряжение усилителя может быть намного меньше ЭДС источника сигнала:

Если сопротивление нагрузочного устройства значительно меньше чем , то коэффициент усиления каскада существенно снижается:

где - эквивалентное сопротивление параллельно включенных сопротивлений и . При этом и .