Транзистор в схеме с общим коллектором ок не увеличивает амплитуду входного сигнала почему?

15 ответов на вопрос “Транзистор в схеме с общим коллектором ок не увеличивает амплитуду входного сигнала почему?”

  1. masloff357 Ответить

    Усилитель представляет собой четырехполюсник, у которого два вывода являются входом и два вывода являются выходом. Структурная схема
    включения усилителя приведена на рисунке 1.

    Рисунок 1 Структурная схема включения усилителя
    Основной усилительный элемент — транзистор имеет всего три вывода, поэтому один из выводов транзистора приходится
    использовать одновременно для подключения источника сигнала (как входной вывод) и подключения нагрузки (как выходной вывод). Схема
    с общим коллектором — это усилитель, где коллектор транзистора используется как для подключения входного сигнала, так
    и для подключения нагрузки. Функциональная схема усилителя с транзистором, включенным по схеме с общим коллектором приведена на
    рисунке 2.

    Рисунок 2 Функциональная схема включения транзистора с общим коллектором
    На данной схеме пунктиром показаны границы усилителя, изображенного на рисунке 1. На ней не показаны цепи питания
    транзистора. Учитывая, что источник питания обладает нулевым сопротивлением для переменного тока, подключение вывода транзистора
    к источнику питания (стабилизатору напряжения) эквивалентно подключению к общему проводу. Основным преимуществом усилителя с
    общим коллектором является его большое входное сопротивление, поэтому схема с общим коллектором обычно применяется на низких
    частотах. С этим связан выбор схемы питания транзистора. Для питания транзистора в схеме с общим коллектором обычно используются
    стабилизированные по току схемы: схема с коллекторной стабилизацией
    и схема с эмиттерной стабилизацией. Расчет резисторов, входящих
    в эти схемы не зависит от схемы включения транзистора и для схемы с общим коллектором проводится точно так же как и для
    схемы с общим эмиттером. Схема с общим коллектором не инвертирует
    сигнал и не усиливает его по напряжению, поэтому она часто называется эмиттерным повторителем На рисунке 3 показана
    принципиальная схема усилительного каскада на биполярном npn-транзисторе,
    выполненного по схеме с общим коллектором.

    Рисунок 3 Схема включения транзистора с общим коллектором (коллекторная стабилизация)
    В данной схеме резистор R2 одновременно является резистором нагрузки и элементом
    коллекторной стабилизации. То, что резистор подключен к эмиттеру транзистора, ситуации не меняет. Ток коллектора все равно
    протекает через этот резистор и падение напряжения прикладывается к эмиттеру транзистора. Глубина обратной связи по постоянному
    току определяется соотношением сопротивления резистора R1 и входного сопротивления транзистора.
    Схема каскада с общим коллектором и эмиттерной стабилизацией обладает лучшими характеристиками по стабильности параметров.
    В ней глубина обратной связи по постоянному току приближается к 100%.
    Принципиальная схема включения транзистора с общим коллектором и эмиттерной стабилизацией приведена на рисунке 4.

    Рисунок 4 Схема включения транзистора с общим коллектором (эмиттерная стабилизация)
    Отличительной особенностью схемы с общим коллектором является высокое входное сопротивление. Его можно определить по
    формуле, подобной формуле (4) схемы с общим эмиттером. Однако в данном
    случае ко входу будет пересчитываться сопротивление цепи эмиттера, которое значительно больше внутреннего сопротивления
    эмиттера транзистора rэ.

    В схеме, приведенной на рисунке 3, в качестве сопротивления Rэ используется резистор R2, а в
    схеме, приведенной на рисунке 4, — резистор R3. При номинале сопротивления
    этого резистора 1 кОм и h21э, равным 100, входное сопротивление транзистора будет равно 100 кОм!
    При таком сопротивлении, расчитывая транзисторный каскад, следует учитывать влияние сопротивления цепи смещения, так как по нему
    тоже протекает входной ток. Пути протекания входного тока в схеме с общим коллектором показаны на рисунке 5.

    Рисунок 5 Протекание тока по входным цепям эмиттерного повторителя
    Как видно из данной схемы, входной ток протекает не только через базу транзистора и резистор R2, но и через резистор R1,
    источник питания и возвращается к источнику сигнала. В результате входное сопротивление эмиттерного повторителя будет определяться
    как параллельное включение входного сопротивления транзистора и резистора R1:

    Например, при питании усилителя от источника напряжения 5 В, и токе коллектора 1 mA, для получения на выходе
    максимального динамического диапазона нужно напряжение на эмиттере задать равным 2,5 В. Тогда сопротивление R2 = 2,5кОм,
    ток базы транзистора iб = 1мА/100 = 10мкА. Сопротивление R1 = (5В − 2,5В − 0,7В)/10мкА = 180кОм.
    Входное сопротивление каскада Rвх = 100кОм || 180кОм = 64кОм.
    Присущая схеме с ОК обратная связь не только увеличивает входное сопротивление, но и уменьшает выходное. Его можно
    приблизительно считать равным сопротивлению эмиттера транзистора:

    Более точно выходное сопротивление схемы с общим коллектором можно определить как параллельное соединение сопротивления
    эмиттера транзистора и резистора R2:

    Высокое входное сопротивление схемы с общим коллектором определило то, что она обычно применяется в качестве входного
    каскада усилителей, обычно низкочастотных, где паразитные емкости схемы не оказывают влияние на параметры схемы. Низкое
    выходное сопротивление позволяет применять эмиттерный повторитель для согласования выходного и входного сопротивлений
    промежуточных каскадов. В высокочастотных усилителях низкое выходное сопротивление позволяет применять этот каскад в
    качестве выходного.

  2. V_Sch Ответить

    Предисловие

    Поскольку тема транзисторов весьма и весьма обширна, то посвященных им статей будет две: отдельно о биполярных и отдельно о полевых транзисторах.
    Транзистор, как и диод, основан на явлении p-n перехода. Желающие могут освежить в памяти физику протекающих в нем процессов здесь или здесь.
    Необходимые пояснения даны, переходим к сути.

    Транзисторы. Определение и история

    Транзистор — электронный полупроводниковый прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом. (tranzistors.ru)
    Первыми были изобретены полевые транзисторы (1928 год), а биполярные появилсь в 1947 году в лаборатории Bell Labs. И это была, без преувеличения, революция в электронике.
    Очень быстро транзисторы заменили вакуумные лампы в различных электронных устройствах. В связи с этим возросла надежность таких устройств и намного уменьшились их размеры. И по сей день, насколько бы «навороченной» не была микросхема, она все равно содержит в себе множество транзисторов (а также диодов, конденсаторов, резисторов и проч.). Только очень маленьких.
    Кстати, изначально «транзисторами» называли резисторы, сопротивление которых можно было изменять с помощью величины подаваемого напряжения. Если отвлечься от физики процессов, то современный транзистор тоже можно представить как сопротивление, зависящее от подаваемого на него сигнала.
    В чем же отличие между полевыми и биполярными транзисторами? Ответ заложен в самих их названиях. В биполярном транзисторе в переносе заряда участвуют и электроны, и дырки («бис» — дважды). А в полевом (он же униполярный) — или электроны, или дырки.
    Также эти типы транзисторов разнятся по областям применения. Биполярные используются в основном в аналоговой технике, а полевые — в цифровой.
    И, напоследок: основная область применения любых транзисторов — усиление слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

    Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики


    Биполярный транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. В зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой. Поскольку площадь контакта эмиттер-база получается значительно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами с помощью смены полярности подключения нельзя. Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам.
    Прежде, чем рассматривать физику работы транзистора, обрисуем общую задачу.

    Она заключаются в следующем: между эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора), а между эмиттером и базой — слабый управляющий ток (ток базы). Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы. Почему?
    Рассмотрим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК). В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым, а второй — с обратным смещениями. Что же при этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки».
    Поскольку переход ЭБ открыт, то электроны легко «перебегают» в базу. Там они частично рекомбинируют с дырками, но большая их часть из-за малой толщины базы и ее слабой легированности успевает добежать до перехода база-коллектор. Который, как мы помним, включен с обратным смещением. А поскольку в базе электроны — неосновные носители заряда, то электирическое поле перехода помогает им преодолеть его. Таким образом, ток коллетора получается лишь немного меньше тока эмиттера. А теперь следите за руками. Если увеличить ток базы, то переход ЭБ откроется сильнее, и между эмиттером и коллектором сможет проскочить больше электронов. А поскольку ток коллектора изначально больше тока базы, то это изменение будет весьма и весьма заметно. Таким образом, произойдет усиление слабого сигнала, поступившего на базу. Еще раз: сильное изменение тока коллектора является пропорциональным отражением слабого изменения тока базы.
    Помню, моей одногрупнице принцип работы биполярного транзистора объясняли на примере водопроводного крана. Вода в нем — ток коллектора, а управляющий ток базы — то, насколько мы поворачиваем ручку. Достаточно небольшого усилия (управляющего воздействия), чтобы поток воды из крана увеличился.
    Помимо рассмотренных процессов, на p-n переходах транзистора может происходить еще ряд явлений. Например, при сильном увеличении напряжения на переходе база-коллектор может начаться лавинное размножение заряда из-за ударной ионизации. А вкупе с туннельным эффектом это даст сначала электрический, а затем (с возрастанием тока) и тепловой пробой. Однако, тепловой пробой в транзисторе может наступить и без электрического (т.е. без повышения коллекторного напряжения до пробивного). Для этого будет достаточно одного чрезмерного тока через коллектор.
    Еще одно явления связано с тем, что при изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах меняется их толщина. И если база черезчур тонкая, то может возникнуть эффект смыкания (так называемый «прокол» базы) — соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.
    Коллекторный ток транзистора в нормальном активном режиме работы транзистора больше тока базы в определенное число раз. Это число называется коэффициентом усиления по току и является одним из основных параметров транзистора. Обозначается оно h21. Если транзистор включается без нагрузки на коллектор, то при постоянном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектора к току базы даст статический коэффициент усиления по току. Он может равняться десяткам или сотням единиц, но стоит учитывать тот факт, что в реальных схемах этот коэффициент меньше из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно уменьшается.
    Вторым немаловажным параметром является входное сопротивление транзистора. Согласно закону Ома, оно представляет собой отношение напряжения между базой и эмиттером к управляющему току базы. Чем оно больше, тем меньше ток базы и тем выше коэффициент усиления.
    Третий параметр биполярного транзистора — коэффициент усиления по напряжению. Он равен отношению амплитудных или действующих значений выходного (эмиттер-коллектор) и входного (база-эмиттер) переменных напряжений. Поскольку первая величина обычно очень большая (единицы и десятки вольт), а вторая — очень маленькая (десятые доли вольт), то этот коэффициент может достигать десятков тысяч единиц. Стоит отметить, что каждый управляющий сигнал базы имеет свой коэффициент усиления по напряжению.
    Также транзисторы имеют частотную характеристику, которая характеризует способность транзистора усиливать сигнал, частота которого приближается к граничной частоте усиления. Дело в том, что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления снижается. Это происходит из-за того, что время протекания основных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. Т.е. транзистор просто не успевает реагировать на изменения входного сигнала и в какой-то момент просто перестает его усиливать. Частота, на которой это происходит, и называется граничной.
    Также параметрами биполярного транзистора являются:
    обратный ток коллектор-эмиттер
    время включения
    обратный ток колектора
    максимально допустимый ток
    Условные обозначения n-p-n и p-n-p транзисторов отличаются только направлением стрелочки, обозначающей эмиттер. Она показывает то, как течет ток в данном транзисторе.

    Режимы работы биполярного транзистора

    Рассмотренный выше вариант представляет собой нормальный активный режим работы транзистора. Однако, есть еще несколько комбинаций открытости/закрытости p-n переходов, каждая из которых представляет отдельный режим работы транзистора.
    Инверсный активный режим. Здесь открыт переход БК, а ЭБ наоборот закрыт. Усилительные свойства в этом режиме, естественно, хуже некуда, поэтому транзисторы в этом режиме используются очень редко.
    Режим насыщения. Оба перехода открыты. Соответственно, основные носители заряда коллектора и эмиттера «бегут» в базу, где активно рекомбинируют с ее основными носителями. Из-за возникающей избыточности носителей заряда сопротивление базы и p-n переходов уменьшается. Поэтому цепь, содержащую транзистор в режиме насыщения можно считать короткозамкнутой, а сам этот радиоэлемент представлять в виде эквипотенциальной точки.
    Режим отсечки. Оба перехода транзистора закрыты, т.е. ток основных носителей заряда между эмиттером и коллектором прекращается. Потоки неосновных носителей заряда создают только малые и неуправляемые тепловые токи переходов. Из-за бедности базы и переходов носителями зарядов, их сопротивление сильно возрастает. Поэтому часто считают, что транзистор, работающий в режиме отсечки, представляет собой разрыв цепи.
    Барьерный режим В этом режиме база напрямую или через малое сопротивление замкнута с коллектором. Также в коллекторную или эмиттерную цепь включают резистор, который задает ток через транзистор. Таким образом получается эквивалент схемы диода с последовательно включенным сопротивлением. Этот режим очень полезный, так как позволяет схеме работать практически на любой частоте, в большом диапазоне температур и нетребователен к параметрам транзисторов.

    Схемы включения биполярных транзисторов

    Поскольку контактов у транзистора три, то в общем случае питание на него нужно подавать от двух источников, у которых вместе получается четыре вывода. Поэтому на один из контактов транзистора приходится подавать напряжение одинакового знака от обоих источников. И в зависимости от того, что это за контакт, различают три схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). У каждой из них есть как достоинства, так и недостатки. Выбор между ними делается в зависимости от того, какие параметры для нас важны, а какими можно поступиться.
    Схема включения с общим эмиттером

    Эта схема дает наибольшее усиление по напряжению и току (а отсюда и по мощности — до десятков тысяч единиц), в связи с чем является наиболее распространенной. Здесь переход эмиттер-база включается прямо, а переход база-коллектор — обратно. А поскольку и на базу, и на коллектор подается напряжение одного знака, то схему можно запитать от одного источника. В этой схеме фаза выходного переменного напряжения меняется относительно фазы входного переменного напряжения на 180 градусов.
    Но ко всем плюшкам схема с ОЭ имеет и существенный недостаток. Он заключается в том, что рост частоты и температуры приводит к значительному ухудшению усилительных свойств транзистора. Таким образом, если транзистор должен работать на высоких частотах, то лучше использовать другую схему включения. Например, с общей базой.
    Схема включения с общей базой

    Эта схема не дает значительного усиления сигнала, зато хороша на высоких частотах, поскольку позволяет более полно использовать частотную характеристику транзистора. Если один и тот же транзистор включить сначала по схеме с общим эмиттером, а потом с общей базой, то во втором случае будет наблюдаться значительное увеличение его граничной частоты усиления. Поскольку при таком подключении входное сопротивление низкое, а выходное — не очень большое, то собранные по схеме с ОБ каскады транзисторов применяют в антенных усилителях, где волновое сопротивление кабелей обычно не превышает 100 Ом.
    В схеме с общей базой не происходит инвертирование фазы сигнала, а уровень шумов на высоких частотах снижается. Но, как уже было сказано, коэффициент усиления по току у нее всегда немного меньше единицы. Правда, коэффициент усиления по напряжению здесь такой же, как и в схеме с общим эмиттером. К недостаткам схемы с общей базой можно также отнести необходимость использования двух источников питания.
    Схема включения с общим коллектором

    Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь.
    Напомню, что отрицательной называют такую обратную связь, при которой выходной сигнал подается обратно на вход, чем снижает уровень входного сигнала. Таким образом происходит автоматическая корректировка при случайном изменении параметров входного сигнала
    Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению маленький (основной недостаток этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким образом, коэффициент усиления по мощности получается равным всего нескольким десяткам единиц.
    В схеме с общим коллектором фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным — потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода.
    Такое включение используют для согласования транзисторных каскадов или когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление (например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон).

    Два слова о каскадах

    Бывает такое, что нужно увеличить выходную мощность (т.е. увеличить коллекторный ток). В этом случае используют параллельное включение необходимого числа транзисторов.

    Естественно, они должны быть примерно одинаковыми по характеристикам. Но необходимо помнить, что максимальный суммарный коллекторный ток не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора любого из транзисторов каскада.
    Тем не менее (спасибо wrewolf за замечание), в случае с биполярными транзисторами так делать не рекомендуется. Потому что два транзистора даже одного типономинала хоть немного, но отличаются друг от друга. Соответственно, при параллельном включении через них будут течь токи разной величины. Для выравнивания этих токов в эмиттерные цепи транзисторов ставят балансные резисторы. Величину их сопротивления рассчитывают так, чтобы падение напряжения на них в интервале рабочих токов было не менее 0,7 В. Понятно, что это приводит к значительному ухудшению КПД схемы.
    Может также возникнуть необходимость в транзисторе с хорошей чувствительностью и при этом с хорошим коэффициентом усиления. В таких случаях используют каскад из чувствительного, но маломощного транзистора (на рисунке — VT1), который управляет энергией питания более мощного собрата (на рисунке — VT2).

    Другие области применения биполярных транзисторов

    Транзисторы можно применять не только схемах усиления сигнала. Например, благодаря тому, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, их используют в качестве электронных ключей. Также возможно использование транзисторов в схемах генераторов сигнала. Если они работают в ключевом режиме, то будет генерироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления — то сигнал произвольной формы, зависящий от управляющего воздействия.

    Маркировка

    Поскольку статья уже разрослась до неприлично большого объема, то в этом пункте я просто дам две хорошие ссылки, по которым подробно расписаны основные системы маркировки полупроводниковых приборов (в том числе и транзисторов): http://kazus.ru/guide/transistors/mark_all.html и файл .xls (35 кб) .
    Список источников:
    http://ru.wikipedia.org
    http://www.physics.ru
    http://radiocon-net.narod.ru
    http://radio.cybernet.name
    http://dvo.sut.ru
    Полезные комментарии:
    http://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133136/#comment_4419173

  3. Chkponks Ответить

    Наш следующий в изучении тип включения транзистора немного проще для вычисления коэффициентов усиления. Так называемая схема с общим коллектором показана на рисунке ниже.
    В схеме с общим коллектором и вход, и выход используют коллектор (стрелками показаны направления движения потоков электронов)Конфигурация этого каскада называется схемой с общим коллектором, потому что (игнорируя батарею источника питания) и источник сигнала, и нагрузка делят между собой вывод коллектора как общую точку (рисунок ниже).
    Общий коллектор: входной сигнал подается на базу и коллектор, выходной сигнал берется со схемы эмиттер-коллекторДолжно быть очевидно, что через резистор нагрузки, помещенный в цепь эмиттера, в схеме усилителя с общим коллектором протекают как ток базы, так и ток коллектора. Поскольку через вывод эмиттера транзистора протекает самое большое значение тока (сумма токов базы и коллектора, которые всегда объединяются вместе для формирования тока эмиттера), было бы разумным предположить, что этот усилитель буде иметь очень большой коэффициент усиления по току. Это предположение действительно правильное: коэффициент усиления по току усилителя с общим коллектором довольно большой, больше, чем в любом другом типе схемы транзисторного усилителя. Однако это не совсем то, что его отличает от других типов схем транзисторных усилителей.
    Давайте сразу же перейдем к SPICE анализу этой схемы усилителя, и вы сможете сразу увидеть, что уникального в этом типе включения транзистора. Схема и список соединений приведены ниже.
    Схема усилительного каскада с общим коллектором для SPICEcommon-collector amplifier
    vin 1 0
    q1 2 1 3 mod1
    v1 2 0 dc 15
    rload 3 0 5k
    .model mod1 npn
    .dc vin 0 5 0.2
    .plot dc v(3,0)
    .endОбщий коллектор: напряжение на выходе меньше напряжения на входе на 0,7 В (на падение напряжения VБЭ)В отличие от усилительного каскада с общим эмиттером из предыдущего раздела, схема с общим коллектором создает выходное напряжение в прямой, а не в обратной пропорции к возрастающему входному напряжению. Смотрите рисунок выше. По мере увеличения входного напряжения увеличивается и выходное напряжение. Более того, тщательный анализ показывает, что выходное напряжение почти идентично входному, отставая от него примерно на 0,7 вольта.
    Это уникальная особенность усилительного каскада с общим коллектором: выходное напряжение, которое почти равно входному напряжению. При рассмотрении с точки зрения изменения выходного напряжения для заданного изменения величины входного напряжения, этот усилитель имеет коэффициент усиления по напряжению, равный почти единице (1), или 0 дБ. Это справедливо для транзисторов с любым значением β и для любых сопротивлений нагрузки.
    Понять, почему выходное напряжение в схеме с общим коллектором всегда почти равно входному напряжению, очень просто. Обратившись к модели транзистора на базе диода и источника тока (рисунок ниже), мы увидим, что ток базы должен протекать через PN-переход база-эмиттер, который эквивалентен обычному выпрямляющему диоду. Если этот переход смещен в прямом направлении (транзистор проводит ток в активном режиме или режиме насыщения), падение напряжения на нем будет равно примерно 0,7 вольта (предполагаем, что транзистор кремниевый). Это падение 0,7 вольта во многом не зависит от реальной величины тока базы; таким образом, мы можем считать его постоянным.
    Эмиттерный повторитель: напряжение на эмиттере повторяет напряжение на базе (меньше на величину падения напряжения база-эмиттер, 0,7 вольта) (стрелками показаны направления движения потоков электронов)Учитывая полярности напряжений на PN-переходе база-эмиттер и на резисторе нагрузки, мы видим, что одни должны складываться вместе, чтобы в соответствии с законом напряжений Кирхгофа равняться входному напряжению. Другими словами, напряжение на нагрузке всегда будет примерно на 0,7 вольта меньше входного напряжения при всех условиях, когда транзистор проводит ток. Отсечка происходит при входном напряжении ниже 0,7 вольта, а насыщение – при входном напряжении выше напряжения батареи (источника питания) плюс 0,7 вольта.
    Поэтому схема усилителя с общим коллектором также известна как повторитель напряжения или эмиттерный повторитель, поскольку напряжения на эмиттерной нагрузке почти повторяют напряжения на входе.
    Применение схемы с общим коллектором для усиления сигналов переменного напряжения также требует использования «смещения» входного сигнала: постоянное напряжение должно быть добавлено к входному сигналу переменного напряжения, чтобы удерживать транзистор в активном режим в течение всего периода синусоиды входного сигнала. Когда смещение будет добавлено, в результате получится неинвертирующий усилитель, показанный на рисунке ниже.
    Усилительный каскад с общим коллектором (эмиттерный повторитель)common-collector amplifier
    vin 1 4 sin(0 1.5 2000 0 0)
    vbias 4 0 dc 2.3
    q1 2 1 3 mod1
    v1 2 0 dc 15
    rload 3 0 5k
    .model mod1 npn
    .tran .02m .78m
    .plot tran v(1,0) v(3,0)
    .endРезультаты моделирования SPICE на рисунке ниже показывают, что выходной сигнал повторяет входной. Амплитуда выходного сигнала такая же, как и у входного. Тем не менее, уровень постоянной составляющей смещается вниз на падение напряжения VБЭ.
    Схема каскада с общим коллектором (эмиттерный повторитель): выход V(3) повторяет вход V(1), но ниже на VБЭ = 0,7 вольтаВот еще один вид схемы (рисунок ниже) с осциллографами, подключенным к нескольким интересным точкам.
    Коэффициент усиления по напряжению каскада с общим коллектором равен 1Поскольку эта конфигурация усилителя не обеспечивает никакого усиления по напряжению (на самом деле, коэффициент усиления по напряжению у нее чуть меньше 1), ее единственным усиливающим фактором является ток. Коэффициент усиления по току схемы усилителя с общим эмиттером, рассмотренной в предыдущем разделе, равен β транзистора, поскольку входной ток проходит через базу, а выходной ток (ток нагрузки) – через коллектор, а β – это и есть отношение тока коллектора к току базы. Однако в схеме с общим коллектором нагрузка расположена последовательно с эмиттером, и, следовательно, ток через неё равен току эмиттера. В схеме протекает два тока: ток от эмиттера к коллектору и ток базы. Через нагрузку в этом типе схемы усилителя протекают оба этих тока: ток коллектора плюс ток базы. Это дает коэффициент усиления по току, равный β плюс 1.
    \[A_I = { I_{эмиттер} \over I_{база} }\]
    \[A_I = { I_{коллектор} + I_{база} \over I_{база} }\]
    \[A_I = { I_{коллектор} \over I_{база} } + 1\]
    \[A_I =\beta + 1\]
    Опять же, PNP транзисторы так же можно использовать в схеме с общим коллектором, как и NPN транзисторы. Расчеты усиления одинаковы, равно как и неинвертирование усиленного сигнала. Единственное различие заключается в полярностях напряжений и направлениях токов (рисунок ниже).
    PNP версия усилительного каскада с общим коллекторомПопулярное применение усилителя с общим коллектором – стабилизированные источники питания постоянного напряжения, где нестабилизированное (изменяющееся) постоянное напряжение источника фиксируется на заданном уровне для подачи стабилизированного (устойчивого) напряжения на нагрузку. Конечно, стабилитроны уже выполняют эту функцию по стабилизации напряжения (рисунок ниже).
    Стабилизатор напряжения на стабилитронеОднако при использовании этой схемы стабилизатора непосредственно для питания нагрузки величина тока, которая может быть подана на нагрузку, обычно очень сильно ограничена. По сути, эта схема стабилизирует напряжение на нагрузке, поддерживая ток на последовательном резисторе на уровне достаточно высоком, чтобы на нем упало всё избыточное напряжение источника, при этом и стабилитрон, если необходимо, потребляет ток, чтобы напряжение на нем было постоянным. Для сильноточных нагрузок простой стабилизатор напряжения на стабилитроне должен будет пропускать через стабилитрон большой ток, чтобы эффективно стабилизировать напряжение на нагрузке в случае сильных изменений сопротивления нагрузки или напряжения источника.
    Одним из популярных способов увеличения допустимой величины тока, подаваемого на нагрузку, в подобных схемах является использование транзистора, включенного по схеме с общим коллектором, для усиления тока нагрузки так, чтобы цепь стабилитрона работала только с той величиной тока, которая необходима для подачи на базу транзистора (рисунок ниже).
    Применение схемы с общим коллектором: стабилизатор напряжения (стрелками показаны направления движения потоков электронов)Есть только одна оговорка: напряжение на нагрузке будет примерно на 0,7 вольта меньше напряжения стабилитрона из-за падения напряжения на PN переходе транзистора база-эмиттера. Так как эта разница в 0,7 вольта довольно постоянна в широком диапазоне токов нагрузки, в реальной схеме стабилитрон может быть выбран с номинальным напряжением на 0,7 вольта выше, чем необходимое выходное напряжение стабилизатора.
    Иногда в конкретном приложении со схемой с общим коллектором бывает недостаточно высокого коэффициента усиления по току одиночного транзистора. Если это так, то несколько транзисторов могут быть объединены в популярную схему, известную как пара Дарлингтона, являющуюся просто расширением концепции схемы с общим коллектором (рисунок ниже).
    NPN пара ДарлингтонаПары Дарлингтона, по сути, ставят один транзистор в качестве нагрузки другого транзистора по схеме с общим коллектором, тем самым перемножая их собственные коэффициенты усиления по току. Ток базы верхнего левого транзистора усиливается на эмиттере этого транзистора, который напрямую соединен с базой нижнего правого транзистора, где ток снова усиливается. Общий коэффициент усиления по току выглядит следующим образом:
    Коэффициент усиления по току пары Дарлингтона:
    \[A_I = (\beta_1 + 1)(\beta_2 + 1)\]
    где
    β1 – бета первого транзистора;
    β2 – бета второго транзистора;
    Если вся сборка включена по схеме с общим коллектором, коэффициент усиления по напряжению по-прежнему равен почти 1, хотя напряжение на нагрузке будет на 1,4 вольта меньше входного напряжения (рисунок ниже).
    В схеме усилителя с общим коллектором на паре Дарлингтона теряется удвоенное напряжение VБЭ, падение напряжение на PN переходахПары Дарлингтона могут быть приобретены как отдельные устройства (два транзистора в одном корпусе) или могут быть собраны из пары отдельных транзисторов. Конечно, если требуется еще большее усиление по току, чем то, что может быть получено на паре, можно собрать и триплет, и квадруплет Дарлингтона.

    Подведем итоги:

    Усилительный каскад с общим коллектором называется так потому, что (игнорируя батарею источника питания) и источник сигнала, и нагрузка делят между собой вывод коллектора как общую точку.
    Усилитель с общим коллектором также известен как эмиттерный повторитель.
    Выходное напряжение усилителя с общим коллектором будет синфазно с входным напряжением, что делает каскад с общим коллектором неинвертирующим усилителем.
    Коэффициент усиления по току у усилителя с общим коллектором равен β плюс 1. Коэффициент усиления по напряжению примерно равен 1 (на самом деле, чуть меньше).
    Пара Дарлингтона представляет собой пару транзисторов, «переплетающихся» друг с другом так, чтобы эмиттер одного из них был источником тока для базы другого по схеме с общим коллектором. Результатом является общий коэффициент усиления по току равный произведению их собственных коэффициентов усиления по току (β плюс 1).
    Оригинал статьи:
    The Common-collector Amplifier

    Теги

    Биполярный транзисторКаскад с общим коллекторомКоэффициент усиления по напряжениюКоэффициент усиления по токуОбучениеПара ДарлингтонаЭлектроникаЭмиттерный повторитель

  4. multizero Ответить

    Стабильный усилительный каскад на транзисторе
    Действительно, «правильный» усилительный каскад на транзисторе есть комбинация той и другой схемы, показанная на рис. 6.8. Для конкретности предположим, что Uпит = 10В, Uвх = 5 В (постоянная составляющая). Как правильно рассчитать сопротивления Rэ и Rк ? Заметим, что схема обладает двумя выходами, из которых нас больше интересует выход 1 (выход усилителя напряжения, соответствующий выходу в схеме с общим эмиттером по рис. 6.6).

    Рис. 6.8. Стандартный усилительный каскад на биполярном транзисторе
    При нормальной работе каскада (чтобы обеспечить максимально возможный размах напряжения на выходе) разумно принять, что в состоянии покоя, т. е. когда Uвх равно именно 5 В, на выходе (на коллекторе транзистора) была бы половина питания, т. е. в данном случае тоже примерно 5 В. Это напряжение зависит от коллекторного тока и от сопротивления нагрузки по этому выходу, которое равно в нашем случае Rк . Как правило, сопротивление нагрузки Rк нам задано, примем для определенности, что Rк = 5,1 кОм. Это означает, что в «хорошем» режиме, чтобы обеспечить Uвых1 = 5 В, ток коллектора должен составлять 1 мА – посчитайте по закону Ома[9]! Но ток коллектора мы уже умеем рассчитывать, исходя из закономерностей для каскада с о. к., – он ведь равен Uвх – Uбэ )/Rэ (в данном случае Rэ и есть Rн ). Из этих условий получается, что резистор Rэ должен быть равен 4,3 кОм (мы всегда выбираем ближайшее из стандартного ряда сопротивлений, и больше не будем об этом упоминать). Мы не сильно нарушим законы природы, если просто положим в этой схеме Rэ = Rк = 5,1 кОм – с точностью до десятых вольта выходные напряжения по обоим выходам будут равны – проверьте!
    Такая (очень хорошая и стабильная) схема не обеспечит нам никакого усиления по напряжению, что легко проверить, если при рассчитанных параметрах увеличить Uвх , скажем, на 1 В. Напряжение на эмиттере увеличится также на 1 В, общий ток коллектора‑эмиттера возрастет на 0,2 мА (1 В/5 кОм), что изменит падение напряжения на коллекторном резисторе также на 1 В в меньшую сторону (помните, что выходы инвертированы?). Зато! Мы в данном случае имеем схему, которая имеет два совершенно симметричных выхода: один инвертирующий, другой точно совпадающий по фазе с входным сигналом. Это дорогого стоит!
    Единственное, что портит картинку – факт, что выходные сопротивления такой схемы сильно разнятся. Нагрузив нижний выход (Uвых2 ) еще какой‑то нагрузкой (что равносильно присоединению параллельного резистора к Rэ ), мы изменим общий ток коллектора, и напряжение верхнего выхода (Uвых1 ) также изменится. А обратного не получается, т. е., если мы уменьшим Rк , нагрузив его, то Uвых1 изменится – но это практически никоим образом не скажется на Uвых2 .
    Как нам обеспечить полную (или близкую к таковой) симметричность схемы усилителя – чуть далее. А пока нас занимает вопрос – так как же на этом якобы усилителе что‑нибудь усилить? У меня есть микрофон или гитарный звукосниматель с выходом 1 мВ. Хочу получить на выходе хотя бы 100 мВ, чтобы хватило для линейного входа усилителя – ну и? Оказывается, все просто, нужно только поступиться принципами, от чего предостерегала незабвенная Нина Андреева еще в советские времена.
    Принципы заключаются в следующем: в рассчитанной схеме мы старались все сбалансировать и обеспечить наилучший режим работы транзистора. Но зло и добро в мире, говорят, существуют в одинаковых количествах – если режим наилучший, значит, что‑то будет наихудшим. В данном случае – усиление по напряжению.
    Ранее мы писали, что коэффициент усиления по напряжению каскада с общим эмиттером зависит от соотношения сопротивлений (т. е. токов в базе и коллекторе). Сделав его неоптимальным для транзистора, мы можем что‑то улучшить для себя.
    Практически это делается так: пусть мы предполагаем, что максимально возможная амплитуда на входе каскада (относительно среднего значения) не превысит, допустим, 1 В. При минимуме сигнала напряжение на базе не должно быть меньше 1,7 В, иначе транзистор запрется, и сигнал будет ограничен «снизу». Примем его равным 2 В для надежности. Номинал эмиттерного резистора Rэ (при все том же оптимальном токе коллектора 1 мА) будет тогда равен 1,3 кОм. Нагрузка коллектора (Rк ) пусть останется такой же – 5,1 кОм. Обратите внимание, что на выходе Uвых1 среднее напряжение – напряжение покоя – в этом случае осталось тем же самым (5 В).
    При таких параметрах каждый вольт изменения напряжения на входе даст уже примерно 4 вольта изменения напряжения на выходе Uвых1 , т. е. коэффициент усиления по напряжению составит 4 и всегда будет примерно равен соотношению резисторов в коллекторе и эмиттере. Мы можем в определенных пределах увеличить этот коэффициент, уменьшая номинал Rэ вплоть до нуля, тем самым все больше дестабилизируя схему (как показано при описании схемы с общим эмиттером) и одновременно уменьшая диапазон усиливаемых входных напряжений. Интересным свойством рассмотренной схемы является то, что абсолютное значение напряжения питания здесь не важно, – рассчитанный на одно питание, каскад сохранит все свои свойства (кроме максимально допустимого выходного напряжения) и при другом, таковы свойства систем с обратной связью.
    Для усилителей переменного тока хорошим – и часто используемым – приемом является шунтирование эмиттерного резистора конденсатором большой емкости. В результате режим усилителя по постоянному току (точка покоя, т. е. напряжение на коллекторе) обеспечен, а при наличии переменного входного напряжения эмиттерный резистор по номиналу уменьшается (к нему оказывается подключен параллельно конденсатор, сопротивление которого тем меньше, чем выше частота, как мы узнали из главы 5 ), поэтому растет и коэффициент усиления по напряжению всей схемы.
    Теоретически транзисторный каскад на хорошем биполярном транзисторе в одиночку может усилить переменное напряжение с размахом 1 мВ раз в сто – если он правильно спроектирован, однако лучше полагаться на величину в 10–30 раз (если помните, максимальное увеличение по напряжению для современных биполярных транзисторов ограничено несколькими сотнями, если без всякой стабилизации).
    Еще лучше в этом случае работают операционные усилители, но чтобы перейти к ним (см. главу 12 ), надо еще много понять о работе простых транзисторных каскадов.
    Дифференциальный каскад
    Значительно улучшает схему использование в паре двух одинаковых транзисторов, соединенных эмиттерами, – так называемого дифференциального каскада (см. рис. 6.9). Дифференциальные каскады в силу их удобства широко применяли еще в эпоху недоступности микросхем (в том числе даже и в ламповые времена), но теперь их отдельно почти не используют, кроме некоторых областей вроде звукотехники. Они являются основой операционных усилителей, которые имеет смысл рассматривать, как единое целое. Тем не менее, понимание принципов работы дифференциального каскада необходимо, и мы рассмотрим его вкратце, а потом (в главе 8 ) построим на его основе простейший звуковой усилитель.

    Рис. 6.9. Дифференциальный каскад на биполярных транзисторах
    Дифференциальный каскад, как он показан на рис. 6.9, предполагает два раздельных одинаковых питания (плюс и минус) относительно «земли», но для самого каскада это не более, чем условность, – питание всего каскада можно рассматривать, как однополярное (и равное в данном случае 10 + 10 = 20 В), просто входной сигнал должен находиться где‑то посередине между питаниями. Ради удобства проектирования схем источник входного напряжения всегда привязывают к «земле», потенциал которой находится посередине между потенциалами источников питания самого каскада, т. е. общее питание рассматривают, как разделенное на два: положительное и отрицательное. Относительно этой же «земли» мы будем также отсчитывать выходные напряжения Uвых1 и Uвых2 .
    С учетом того, что база и эмиттер транзистора всегда привязаны друг к другу, в этой схеме обе базы в рабочем режиме всегда будут иметь одинаковый потенциал. Поэтому, если на них подавать один и тот же сигнал (базовые резисторы на рис. 6.9 не показаны), то ничего происходить не будет – току течь некуда, т. к. все под одним и тем же напряжением. Вся конструкция из двух транзисторов будет смещаться относительно «земли» в соответствии с поданным сигналом, а на выходах ничего и не шелохнется – это легко проверить. Такой сигнал называют синфазным .
    Иное дело, если сигналы на входах различаются – их разность будет усиливаться. Такой сигнал называют дифференциальным . Это основное свойство дифференциального усилителя, которое позволяет выделять небольшой сигнал на фоне довольно большой помехи. Помеха одинаково – синфазно – действует на оба входа, а полезный сигнал усиливается.
    Мы не будем здесь подробно разбирать работу этой схемы (рекомендую [4, 5]), только укажем некоторые ее особенности:
    □ входное сопротивление дифференциального каскада равно входному сопротивлению каскада с общим коллектором;
    □ усиление по напряжению (дифференциальному) составляет 100 и более раз.
    Если вы хотите получить точно определенный коэффициент усиления, в каждый из эмиттеров нужно ввести по одинаковому резистору – тогда Кус будет определяться, как для каскада на рис. 6.7. Но обычно в таком режиме дифференциальный усилитель не применяют – их используют в системах с общей обратной связью, которая и задает необходимый коэффициент усиления (см. главу 8 );
    □ выходы строго симметричны;
    □ резистор Rк1 , если не используется Uвых1 , вообще можно исключить (или наоборот) – смотря, какой выход (прямой или инверсный) использовать.
    Полевые транзисторы
    Типы полевых транзисторов гораздо более разнообразны, чем биполярных (к полевым, кстати, и принадлежал самый первый прототип транзистора, изобретенный Шокли еще в 1946 году). Только основных разновидностей существует более десятка, но всем им присущи общие черты, которые мы сейчас кратко и рассмотрим.
    Простейший полевой транзистор с p‑n ‑переходом показан на рис. 6.10, а – в данном случае с «‑каналом. Аналогичные базе, коллектору и эмиттеру выводы называются здесь затвор, сток и исток . Если потенциал затвора равен потенциалу истока (т. е. имеется в виду аналог замыкания цепи база‑эмиттер у биполярного), то, в отличие от биполярного, полевой транзистор с p‑n ‑переходом открыт. Но есть и еще одно существенное отличие – если биполярный транзистор при полном открывании имеет почти нулевое сопротивление цепи коллектор‑эмиттер, то полевой в этих условиях работает довольно стабильным источником тока – ток в цепи истока почти не зависит от напряжения на стоке. Сама величина тока зависит от конкретного экземпляра транзистора и называется начальным током стока . Запереть его удается подачей отрицательного (порядка 7‑10 В) напряжения на затвор относительно истока, а в промежутке полевик с n ‑каналом находится в активном режиме, когда ток стока зависит от напряжения на затворе.
    Уникальной особенностью полевого транзистора является то, что в рабочем режиме он фактически не потребляет тока по входу затвора – достаточно иметь соответствующий потенциал, ведь диод затвор‑исток в рабочем режиме смещен в обратном направлении, и ток через него определяется только токами утечки, которые равны нано‑ и микроамперам, как говорилось ранее! В этом отношении полевой транзистор аналогичен электронной лампе. А если мы сместим этот переход в положительном направлении (когда потенциал затвора превысит потенциал истока, и диод затвор‑исток откроется), то полевой транзистор с p‑n ‑переходом уже перестанет работать как транзистор.

    Рис. 6.10. Полевые транзисторы:
    а – включение полевого транзистора с p‑n ‑переходом и n ‑каналом;б – полевой транзистор с изолированным затвором (MOSFET) в режиме ключа;в – внутренняя структура IGВТ‑транзистора
    В различных типах полевых транзисторов с изолированным затвором (так называемых МОП‑транзисторах , от «металл‑окисел‑полупроводник» или, по‑английски, MOS, иначе их называют MOSFET), последний вообще изолирован от цепи сток‑исток тонким слоем окисла кремния SiO2, и там в принципе нет и не может быть никакого тока через цепь затвора. Правда, когда на затвор подается переменное напряжение или короткий импульс, в дело вступает конденсатор, образованный затвором и истоком. Как следует из главы 5 , перезаряд этого конденсатора (его емкость может составлять десятки пикофарад) может приводить к значительному реактивному току в цепи затвора. На подобных транзисторах построены практически все современные логические микросхемы, отличающиеся практически нулевым потреблением тока в статическом режиме (см. главу 15 ).
    Старые образцы MOSFET‑транзисторов с «‑каналом (например, отечественные КПЗ05, КПЗ13) требовали для полного запирания небольшого отрицательного смещения на затворе относительно истока (порядка 0,5–0,8 В). Современные MOSFET‑транзисторы (рис. 6.10, б ) управляются аналогично биполярному в схеме с общим эмиттером – при нулевом напряжении на затворе относительно истока транзистор заперт, при положительном напряжении порядка 8‑20 В – полностью открыт, причем в открытом состоянии он представляет собой крайне малое сопротивление – у некоторых типов менее 0,01 Ом. Такие транзисторы выпускаются на мощности от единиц до сотен ватт и используются, например, для управления шаговыми двигателями или в импульсных источниках питания.
    Вообще полевики гораздо ближе к той модели транзистора, когда промежуток коллектор‑эмиттер или сток‑исток представляются как управляемое сопротивление – у полевых транзисторов это действительно сопротивление. Условно говоря, со схемотехнической точки зрения биполярные транзисторы являются приборами для усиления тока, а полевые – для усиления напряжения.
    Приведенные нами примеры не исчерпывают разнообразия типов полевых транзисторов. Например, так называемые IGBT‑транзисторы (Insulated Gate Bipolar Transistors , биполярный транзистор с изолированным затвором), появившиеся в 1980‑е годы, объединяют в себе полевую и биполярную структуры, отчего управляющий электрод в них зовется, как и в полевых, затвором , а два других аналогично биполярным: коллектором и эмиттером . На самом деле IGBT‑транзистор представляет собой довольно сложную полупроводниковую структуру (рис. 6.10, в ), с положительной обратной связью между разнополярными «обычными» транзисторами и с управлением от полевого (ср. со структурой однопереходного транзистора на рис. 10.3).
    IGBT‑транзисторы используются в качестве мощных ключей: десятки‑сотни ампер при напряжениях более 1000 вольт. Управляются они положительным напряжением на затворе относительно эмиттера, причем у некоторых типов насыщение наступает уже при подаче 2,7–4 В на затвор, и такие транзисторы могут управляться непосредственно от логических схем. Платой за такую роскошь является довольно высокое напряжение насыщения между коллектором и эмиттером, характерное для биполярных транзисторов: от 1 В для относительно маломощных приборов (единицы ампер) до 2–3 В для более мощных (десятки и сотни ампер).
    Выбор транзисторов
    В заключение главы приведем критерии подбора биполярных и полевых транзисторов для конкретной схемы. Сейчас мы оставляем за скобками частотные характеристики транзисторов – будем считать, что достаточно выбрать прибор с рабочей частотой, примерно в 10 раз превышающей самые высокие частоты в схеме.
    * * *

  5. zavhoz110774 Ответить

    коллектор транзистора в схеме усилительного каскада ОК по переменному току заземлен (т.е. соединен с корпусом) через источник питания UИП (рис.1). при этом входное напряжение подключено между базой и коллектором, а выходное – снимается непосредственно с эмиттера транзистора. Особенностью каскада является наличие 100 % отрицательной обратной связи, в результате действия которой коэффициент усиления по напряжению Ku чуть меньше 1, так как Uвых=Uвх-Uбэ. Действительно,
    . (1)
    Как правило Uбэ < Rэн, с которого снимается выходное напряжение. При подаче же отрицательного приращения входного напряжения выходное напряжение также получит отрицательное приращение.
    Таким образом, выходной сигнал повторяет входной и по амплитуде, и по фазе, поэтому усилительный каскад ОК называют эмиттерным повторителем.

    Рис.1. Усилительный каскад с ОК.
    Режим работы усилительного каскада ОК по постоянному току определяется резистором RБ1, RБ2, Rэ. Делитель напряжения RБ1, RБ2 и разделительные конденсаторы Ср1, Ср2 выполняют те же функции, что и в каскаде ОЭ. При расчете каскада ОК по постоянному току используют графоаналитический метод по аналогии со схемой ОЭ. Линию нагрузки по постоянному току в этом случае проводят также через две точки:
    1. Iкх=0, Uкх= UИП;
    2. Uкз=0, Iкз= UИП / Rэ.
    Нагрузочная прямая по переменному току строится, также как и в случае каскада с ОЭ, с той разницей, что нагрузка по переменному току находится по формуле
    Rэн = Rэ Rн / ( Rэ+ Rн) (2)
    Коэффициент усиления по току эмиттерного повторителя почти такой же, как и у каскада ОЭ:
    К1=Iн /Iвх ≈ Iэ /Iб ≈(Ik+Iб)/I≈ h21+1. (3)
    Входное сопротивление транзистора в схеме с ОК
    . (4)
    Получается, что входное сопротивление в h21 раз (десятки – сотни) превышает выходное сопротивление. Базовый делитель должен быть достаточно высокоомным, так как он включен параллельно транзистору. В итоге входное сопротивление каскада будет определяться как
    (5)
    Выходное сопротивление:
    Rвых=Uвых / Iн ≈ Uвх / Iэ = h11 / (h21+1)≈ h11 / h21. (6)
    Соответственно, выходное сопротивление каскада с ОК в h21 раз (десятки – сотни) меньше выходного сопротивления транзистора.
    Достаточно высокое входное (до 500 кОм и выше) и сравнительно малое выходное (десятки Ом) сопротивления позволяют использовать эмиттерный повторитель в качестве усилителя мощности для согласования высокоомного (маломощного) генератора с низкоомной нагрузкой.

  6. vadim2421966 Ответить


    Онлайн калькулятор номиналов элементов схем ОБ и ОК, построенных на
    биполярных транзисторах.
    Усилительные каскады, выполненные по схеме с общим эмиттером, мы рассмотрели на прошлой странице, осталось всего-то ничего:
    усилительный каскад с общей базой (ОБ) и каскад с общим коллектором (ОК) – он же эмиттерный повторитель, он же повторитель напряжения.
    .
    1. Каскад на транзисторе с общей базой (ОБ).


    Рис.1
    Рис.2
    На Рис.1 изображена схема ОЭ с предыдущей страницы.
    Если верхний вывод блокирующей ёмкости Сэ оторвать от эмиттера и подключить к базе транзистора, а входной сигнал через разделительный
    конденсатор Ср1 подать на освободившийся эмиттер (Рис.2), то каскад ОЭ преобразуется в классическую
    схему каскада с общей базой (ОБ).
    Расчёт схемы с ОБ по постоянному току производится точно также, как мы это делали на предыдущей странице для каскада ОЭ:
    1. Iб = (Uб – Uбэ)/[(Rэ + rэ) x (1 + β)]
     , где Uбэ фиксируется подбором номиналов резисторов делителя Rб1 и Rб2 ,
    2. Iделит = (3…10)Iб ;
    3. Iк = Iб x β ;
    4. Uк = Eк – Iк x Rк ;
    5. Rвых = Rк ll (rэ + rк )
     ;
    6. Uэ = (0,1…0,2)Eк – для достижения приемлемого
    эффекта термостабилизации.
    А вот по переменному току каскады имеют существенные различия.
    Схема каскада с общей базой (ОБ), изображённая на Рис.2, обладает следующими характеристиками по переменному току:
    7. Rвх = rэ , где
    rэ (Ом) = 25,6/Iэ (мА) –
    активное сопротивление эмиттера ;
    8. Ki = β / (β +1) ;
    9. Ku ≈ Rк x β / [rэ x (β +1)] ;
    Итак, подытожим основные отличия данного каскада ОБ от каскадов ОЭ:
    1. Усилительные каскады на транзисторе с общей базой не инвертируют сигнал;
    2. Коэффициент передачи по току каскада c ОБ меньше единицы;
    3. Входное сопротивление каскада ОБ значительно ниже входного сопротивления каскада ОЭ.
    Крайне низкое входное сопротивление транзисторного каскада с общей базой Rвх (единицы – десятки Ом) уже не позволяет пренебрежительно
    относиться к выходному сопротивлению предыдущего каскада Rи. К тому же, если данный резистор выполнить внешним, появляется возможность
    гибкой регулировки усиления каскада.
    Формула для коэффициента передачи схемы каскада ОБ с учётом выходного сопротивления источника сигнала (либо внешнего резистора),
    принимает следующий вид:
    9. Ku ≈ Rк x β / [(rэ + Rи ) x (β +1)]
     ;
    2. Каскад на транзисторе с общим коллектором (ОК) – эмиттерный повторитель.
    Главным отличительным свойством каскада с ОК являются: высокое входное и низкое выходное сопротивления. Основная его область
    применения – согласование источника с высоким импедансом с низкоомной нагрузкой. Исходя из этого, было бы не очень правильно
    упускать из расчётов выходное сопротивление источника сигнала.
    На Рис.3 изображена схема эмиттерного повторителя.

  7. dryukaleksey Ответить

    Недостатки схемы с общей базой. Малое усиление по току, так как α < 1. Малое входное сопротивление. Два разных источника напряжения для питания. Достоинства. Хорошие температурные и частотные свойства. Высокое допустимое напряжение. Схема включения с общим эмиттером Iвых=Iк, Iвх=Iб, Uвх=Uбэ, Uвых=Uкэ
    Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх=Iк/Iб=Iк/(Iэ-Iк) = α/(1-α) = β [β>>1].
    Входное сопротивление: Rвх=Uвх/Iвх=Uбэ/Iб.
    Достоинства: Большой коэффициент усиления по току. Большой коэффициент усиления по напряжению. Большое усиление мощности. Можно обойтись одним источником питания. Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.
    Недостатки:
    Худшие температурные и частотные свойства по сравнению со схемой с общей базой.
    Схема с общим коллектором
    Iвых = Iэ, Iвх = Iб, Uвх = Uбк, Uвых = Uкэ.
    Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх=Iэ/Iб=Iэ/(Iэ-Iк) = 1/(1-α) = β [β>>1].
    Входное сопротивление: Rвх=Uвх/Iвх=(Uбэ+Uкэ)/Iб.
    Достоинства: Большое входное сопротивление. Малое выходное сопротивление.
    Недостатки: Коэффициент усиления по напряжению меньше 1.
    Схему с таким включением называют “эмиттерным повторителем”.
    4. Какие характеристики являются входными и выходными каждой из схем включения биполярных транзисторов?
    Обычно анализируют входные и выходные характеристики биполярного транзистора в схемах с общей базой и общим эмиттером. Для определенности и преемственности изложения будем рассматривать p-n-p-транзистор.
    Схема с общей базой:
    Семейство входных характеристик схемы с общей базой представляет собой зависимость IЭ = f(UЭБ) при фиксированных значениях параметра UКБ – напряжения на коллекторном переходе (рисунок 1,а).

    Рисунок 1—Входные (а) и выходные (б) характеристики биполярного транзистора в схеме включения с общей базой
    Семейство выходных характеристик схемы с общей базой представляет собой зависимости IК = f(UКБ) при заданных значениях параметра IЭ (рисунок 1,б).
    Схема с общим эмиттером:
    Семейство входных характеристик схемы с общим эмиттером представляет собой зависимости IБ = f(UБЭ), причем параметром является
    напряжение UКЭ (рисунок 2,а).

    Рисунок 2—Входные (а) и выходные (б) характеристики биполярного транзистора в схеме включения с общим эмиттером
    Вторая характеристика на рисунке 2,а (UКЭ < 0) относится к нормальному активному режиму, для получения которого напряжение UКЭ должно быть в p-n-p транзисторе отрицательным и по модулю превышать напряжение UЭБ. В этом случае UКБ = UКЭ + UЭБ = UКЭ - UБЭ < 0. Семейство выходных характеристик схемы с общим эмиттером представляет собой зависимости IК = f(UКЭ) при заданном параметре IБ (рисунок 2,б). Крутые начальные участки характеристик относятся к режиму насыщения, а участки с малым наклоном - к нормальному активному режиму. Переход от первого режима ко второму, как уже отмечалось, происходит при значениях |UКЭ|, превышающих |UБЭ|. На характеристиках в качестве параметра берется не напряжение UБЭ, а входной ток IБ. 5. Каково назначение элементов в схемах усилителей с общим эмиттером и общим коллектором? Резисторы Rг учитывают в схемах внутреннее сопротивление источника сигнала. На входе каждого каскада находятся разделительные конденсаторы . Кроме выполнения обычной функции разделения генератора и каскада по постоянному току, они служат для определения входного сопротивления каскада.
    Назначение остальных элементов в схеме с общим эмиттером (рисунок 3а): Rк1 − коллекторная нагрузка каскада, Rн1 − нагрузка каскада, R1, R2 − делитель напряжения для подачи прямого смещения на вход транзистора, Rэ1 − резистор для стабилизации рабочей точки покоя.
    Резистор Rэ1 вносит в схему отрицательную обратную связь по постоянному току. Действие обратной связи (стабилизации рабочей точки покоя) происходит за счет включения напряжения обратной связи во входную цепь усилителя. Если Rэ1Iэ возрастает, то напряжение между базой и эмиттером транзистора VT1 уменьшается, т.к. UR1=R2∙Iд»const, где Iд − ток делителя. Конденсатор Сэ1 шунтирует резистор Rэ1 по переменному сигналу. Назначение элементов в схеме с общим коллектором (рисунок 3б): R3, R4 − делитель напряжения для подачи прямого смещения на вход транзистора, Rэ2 −эмиттерная нагрузка каскада, Rн2 − нагрузка каскада.
    В схеме действует 100% отрицательная обратная связь по напряжению, т.к. нагрузка включена во входную цепь усилителя и поэтому коэффициент усиления напряжения меньше 1. Из-за последовательной отрицательной обратной связи по напряжению входное сопротивление каскада велико, а выходное – мало, поэтому усилитель слабо влияет на источник входного сигнала и может работать на низкоомную нагрузку. Во всех усилительных каскадах выходное напряжение снимается с резисторов RН1, RН2. На выходе каждого каскада находятся разделительные конденсаторы . Кроме выполнения обычной функции разделения нагрузки и каскада по постоянному току, они служат для определения выходного сопротивления каскада.

    Рисунок 3—Электрическая схема усилительных каскадов с общим эмиттером (а) и с общим коллектором (б)
    6. Что произойдет в схеме усилителя с ОЭ, если возникает пробой Ср2, Сэ1 и обрыв в цепях R1, R2?
    При обрыве в цепи R2 и шунтировании Сэ1 на эмиттер будет подано обратное напряжение. А при обрыве R1 и шунтировании Ср2 на коллектор подастся прямое напряжение. В результате коллектор и эмиттер поменяться ролями, если на коллекторный переход будет подано прямое напряжение, а на эмиттерный-обратное. Такой режим работы называется инверсным активным режимом (ИАР). В этом случае транзистор “работает” в обратном направлении: из коллектора идет инжекция дырок, которые проходят через базу и собираются эмиттерным переходом, но при этом его параметры отличаются от первоначальных.
    7. Как должна выбираться рабочая точка покоя, чтобы обеспечить усиление возможно большего входного сигнала с минимальными нелинейными искажениями?
    Провести линию нагрузки по постоянному току MN используя выходные характеристики транзистора. Линия нагрузки MN стоится по двум точкам. Точка N соответствует режиму холостого хода, когда Iк=0, а Uкэ=Ек. Точка M соответствует режиму, когда Uкэ=0, Iк=Ек/(Rк1+Rэ1). Выбрать рабочую точку покоя А примерно посредине линии нагрузки по постоянному току MN.
    8. Какие элементы в усилительном каскаде обуславливают появление нелинейных искажений в выходном сигнале?
    Нелинейные искажения зависят постоянной времени перезаряда конденсатора, из этого следует, что элементами обуславливающими появление нелинейных искажений в выходном сигнале являются конденсаторы.
    9. Как оцениваются нелинейные и частотные искажения сигналов?
    Нелинейные искажения вызваны нелинейностью системы обработки и передачи сигнала. Эти искажения вызывают появление в частотном спектре выходного сигнала составляющих, отсутствующих во входном сигнале. Нелинейные искажения представляют собой изменения формы колебаний, проходящих через электрическую цепь (например, через усилитель или трансформатор), вызванные нарушениями пропорциональности между мгновенными значениями напряжения на входе этой цепи и на ее выходе. Это происходит, когда характеристика выходного напряжения нелинейно зависит от входного. Количественно нелинейные искажения оцениваются коэффициентом нелинейных искажений или коэффициентом гармоник. Типовые значения КНИ : 0 % — синусоида; 3 % — форма, близкая к синусоидальной; 5 % — форма, приближенная к синусоидальной (отклонения формы уже заметны на глаз); до 21 % — сигнал трапецеидальной или ступенчатой формы; 43 % — сигнал прямоугольной формы.
    Частотные искажения вызваны неидеальностью амплитудно-частотной характеристики системы обработки и передачи сигнала. Показателем степени частотных искажений, возникающих в каком-либо устройстве, служит неравномерность его амплитудно-частотной характеристики, количественным показателем на какой-либо конкретной частоте спектра сигнала является коэффициент частотных искажений.
    Коэффициент частотных искажений — отношение коэффициента передачи на средних частотах к его значению на данной частоте.
    10. Каким образом задается режим работы транзистора усилительного каскада?

  8. Vladimir875 Ответить

    Схема с общим коллекторомпредставлена на рисунке 4. Принцип работы схемы с ОК состоит в следующем. Если на входе схемы действует приращение напряжения ЕС (например, положительное), то возникает приращение эмиттерного тока и напряжение на эмиттерном резисторе R4 увеличивается. Следовательно, выходное напряжение повышается почти так же, как и входное. Поэтому такая схема носит название эмиттерный повторитель, так как её коэффициент усиления близок к единице. Заметим, что резистор R3 в схеме может отсутствовать – коллектор непосредственно подключается к шине питания.
    Входное сопротивление схемы с ОК совпадает с входным сопротивлением схемы с ОЭ, при наличии отрицательной обратной связи по току (6), если сопротивление R4 заменить на эквивалентное, определяемое параллельным сопротивлением резисторов R4 и RН. Особо нужно отметить достижение предельно возможного входного сопротивления. Из выражения (6) следует, что при увеличении сопротивления R4 входное сопротивление неограниченно возрастает. На самом деле, параллельно входному сопротивлению установлено конечное сопротивление делителя напряжения, задающего режим по постоянному току, поэтому часто входное сопротивление определяется цепями смещения. Даже в том случае, когда эмиттерный повторитель получает смещение от предыдущего каскада (делитель напряжения в цепи базы отсутствует), входное сопротивление ограничено дифференциальным сопротивлением коллектор-база транзистора.
    Выходное сопротивление зависит не только от параметров транзистора, но и от внутреннего сопротивления источника сигна-ла RC:
    .

    Рис. 4. Усилительный каскад с включением транзистора по схеме с ОК
    Коэффициент усиления по току KI = b+1 и в случае применения составных транзисторов может быть весьма большим – до 2500–5000.
    Воспользовавшись общим для любого четырёхполюсника выражением для определения коэффициента передачи, найдём коэффициент передачи по напряжению KUэмиттерного повторителя:

  9. ivanez036 Ответить

    Схема с общим эмиттером показана на рис. 4. Входным током в ней является малый по величине ток базы, а выходным – ток коллектора. Следовательно, коэффициент передачи тока для схемы с ОЭ равен:
    .
    Соотношение между коэффициентами a и b можно получить в виде b = a / (1 – a). Если a = 0,98, то b = 49, т.е. можно получить коэффициент усиления тока порядка нескольких десятков.
    Входное сопротивление транзистора в схеме с ОЭ значительно больше, чем в схеме с ОБ. Это следует из очевидного неравенства:
    DUBX / DIБ >> DUBX / DIЭ.
    Достоинством схемы с ОЭ следует также считать возможность её питания от одного источника напряжения. Поэтому схема с ОЭ является наиболее распространенной.
    Входная характеристика схемы с ОЭ (Iб = f(UБЭ) при UКЭ = const) подобна ВАХ p-n-перехода при прямом смещении (рис. 5). При UКЭ = 0 – это прямые ветви эмиттерного и коллекторного переходов, включенных параллельно. С ростом UКЭ ток базы уменьшается. Это объясняется тем, что при увеличении UКЭ растет напряжение, приложенное к коллекторному переходу в обратном направлении, уменьшается вероятность рекомбинации носителей заряда в базе, т.к. почти все носители быстро втягиваются в коллектор. Поэтому ток электронов, входящих в базу для рекомбинации с инжектированными дырками, уменьшается.
    Выходные характеристики транзистора для схемы с ОЭ (рис. 5) представляют собой зависимости тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при постоянном токе базы: IK = f (UКЭ) при Iб = const.
    Схема с общим коллектором (ОК) в некоторых учебниках не рассматривается вообще или кратко представлена в виде, изображенном на рис. 6. В других учебниках схема изображена в виде рис. 7 (и называется эмиттерным повторителем). В этой схеме действительно коллектор является общей точкой для входного и выходного переменного тока: источники питания Е1 и Е2 имеют малое сопротивление и всегда шунтированы конденсаторами большой емкости, поэтому для переменного тока они могут считаться короткозамкнутыми. Поэтому к коллектору оказываются подключенными и источник входного напряжения UВХ и сопротивление нагрузки.
    Входным током является ток базы, а выходным – ток эмиттера. Поэтому коэффициент прямой передачи тока для этой схемы:
    .
    Для переменных входных и выходных напряжений справедливо равенство
    DUBX = DUБЭ + DUВЫХ (т.е. усиления по напряжению нет). Само напряжение UБЭ и особенно переменная составляющая этого напряжения достаточно малы, поэтому амплитуда переменной составляющей входного напряжения DUBX приблизительно равна амплитуде переменной составляющей выходного напряжения DUВЫХ. В соответствии с этим схема с ОК и называется эмиттерным повторителем.
    Достоинством схемы с ОК является её большое входное сопротивление.
    В таблице представлены коэффициенты усиления по току ki, напряжению kU, мощности kp, входное сопротивление RBX схем с ОБ, ОЭ и ОК и фазовый сдвиг между выходным и входным напряжениями.
    Параметр
    ОБ
    ОЭ
    ОК
    ki
    меньше 1
    10 – 100
    10 – 100
    kU
    до 1000
    10 – 100
    меньше 1
    kp
    до 1000
    до 10 000
    10 – 100
    RBX, Ом
    1 – 100
    100 – 1000
    больше 10 000
    Фазовый сдвиг
    0°
    180°
    0°

  10. Beermann Ответить

    В схеме с общим коллектором (ОК) нагрузка Rн включена не в цепь коллектора, а в цепь эмиттера. Входным в этой схеме является напряжение между базой и корпусом, а выходным — между эмиттером и корпусом (рис. 1.13).
    В отличие от схем с ОБ и ОЭ, в которых потенциал эмиттера был привязан к корпусу, в схеме с ОК потенциал эмиттера привязан к напряжению на нагрузке. Чтобы транзистор мог работать в активном режиме, необходимо, чтобы входное напряжение в этой схеме было выше напряжения на нагрузке на величину напряжения на UБЭ:
    Uвх = Uвых + UБЭ.

    Рис. 1.13. Схема включения транзистора с общим коллектором
    В связи с этим значения входных напряжений в схеме с ОК оказываются в сотни раз больше, чем в схемах с ОБ и ОЭ.
    Другой особенностью схемы с ОК является отсутствие усиления по напряжению. Как видно из схемы, Uвых отличается от Uвх на падение напряжения UБЭ, которое при открытом транзисторе составляет доли вольт. Если входное напряжение увеличится на небольшую величину ΔUвх, то в первый момент произойдет увеличение управляющего напряжения UБЭ, что приведет к увеличению тока, текущего через транзистор. Но с ростом тока увеличится и напряжение на нагрузке, а это приведет к уменьшению управляющего напряжения UБЭ = Uвх — Uвых. Изменение входного напряжения ΔUвх будет скомпенсировано аналогичным изменением выходного напряжения. Получается, что выходное напряжение будет в точности отслеживать все изменения входного. Поэтому схема с ОК получила название «эмиттерный повторитель». Коэффициент усиления по напряжению схемы с ОК KUK ≈ 1.
    Оценим усилительные свойства схемы. Входным током по-прежнему является ток базы IБ. Поэтому коэффициент усиления по току с учетом того, что β = ΔIК /ΔIБ, равен:

    т. е. примерно такой же, как и в схеме с ОЭ.
    Оценим величину входного сопротивления схемы с ОК. Входное напряжение для схемы складывается из небольшого падения напряжения на база—эмиттерном переходе и падения напряжения на нагрузке, а входным током является ток базы. Поэтому

    Поскольку напряжение на UБЭ значительно меньше напряжения на нагрузке, им можно пренебречь. Тогда, учитывая взаимосвязь между током эмиттера и током базы IЭ ≈ βIБ, величина входного сопротивления запишется как

    Таким образом, входное сопротивление схемы с ОК многократно превосходит входное сопротивление схем с ОЭ и ОБ и составляет десятки килоом.
    Благодаря отмеченным свойствам эмиттерный повторитель используют в качестве выходного каскада устройств для усиления сигнала по мощности, когда усиление его по напряжению уже достигнуто предыдущими каскадами. Схема с ОК обеспечивает усиление по мощности

    т. е. в десятки раз.

  11. dimk_73 Ответить

    В § 2.4, 2.6 было указано, что соотношения между и , характерные для усилительных каскадов с ОЭ, не обеспечивают условия получения максимального усиления по напряжению, для выполнения которого необходимо, чтобы . Из-за малости усилители потребляют от источника сигнала заметную мощность. Большое значение Квых не позволяет осуществлять работу каскада на низкоомную нагрузку из-за потерь сигнала на .
    В каскаде с общим коллектором (ОК) достигаются высокие значения при низких . Но за это преимущество в жертву приносится другой параметр: в схеме с ОК . Каскад с ОК не усиливает сигнала по напряжению, а используется лишь как вспомогательный каскад, связывающий схему с ОЭ с маломощным источником сигнала велико), либо с низкоомной нагрузкой ( мало). Несмотря на вспомогательную роль, выполняемую схемой с ОК в усилителях, применяется этот каскад достаточно часто.
    Схема каскада с ОК приведена на рис. 2.13, с. Коллектор транзистора подключен к источнику питания . В эмиттерную цепь введен резистор , создающий ООС, стабилизирующую точку покоя.

    Рис. 2.13. Каскад с общим коллектором (а) и его схема замещения по переменной составляющей (б)
    Нагрузка подключается к эмиттерной цепи. В классе усиления А на вход подаются входное напряжение и напряжение смещения (реальные схемы выполнения входной цепи рассмотрены в § 2.5).
    Источник сигнала присоединен между базой и общим проводом, нагрузка — между эмиттером и общим проводом. Общий провод через источник питания который имеет нулевое сопротивление для переменных составляющих, связан с коллектором. Поэтому схема и получила название — каскад с ОК, другое ее название эмиттерный повторитель.
    В режиме покоя . Напряжение вызывает ток базы в эмиттерной цепи пойдет . создающий падение напряжения на . Для того чтобы в режиме покоя , необходимо в цепь нагрузки ввести источник компенсирующего напряжения (реальные схемы выполнения выходной цепи рассмотрены в § 2.5). В режиме покоя к эмиттерному переходу транзистора приложено напряжение .
    При подаче входного сигнала токи и напряжения транзистора получат приращения. При положительном (или отрицательном) входном сигнале токи базы и эмиттера увеличатся (или соответственно уменьшатся), возрастет (уменьшится) падение напряжения на . Приращение напряжения на нем соответствует выходному сигналу, который будет положительным (отрицательным). Полярность входного и выходного сигналов в схеме с ОК совпадают, каскад является неинвертирующим усилителем. К эмиттерному переходу транзистора приложено управляющее напряжение . Сигнал ывых подается на вход как сигнал ООС: . Так как при работе транзистора и всегда положительно, то .
    Для расчета усилительных параметров каскада построим схему замещения в соответствии с правилами, изложенными в § 2.4. Схема замещения каскада с ОК приведена на рис. . Находим основные усилительные параметры:
    1. Входное сопротивление . Обойдем входную цепь каскада .

    При большом достигает величин порядка Ом.
    2, Коэффициент усиления по напряжению в режиме холостого хода .
    По закону Ома выразим напряжения через токи

    но так как обычно
    3. Выходное сопротивление находим по теореме об эквивалентном генераторе, для этого положим (т. е. закоротим источник ). противление между выходными выводами при приложении напряжения

    тогда из схемы замещения . В результате получим

    В каскадах с ОК Ом.
    Остальные усилительные параметры могут быть найдены по . В каскаде с ОК достижимы значения
    Поскольку управляющий сигнал в схеме с ОК мал, искажения формы передаваемого сигнала наблюдаются лишь при достаточно больших входных напряжениях, когда амплитуда сигнала составляет . Название эмиттерный повторитель закрепилось за каскадом с ОК именно потому, что он передает сигнал с коэффициентом близким к 1 и не искажает его формы. Как будет показано ниже, качества, присущие каскаду с ОК, характерны для усилителей с цепью ООС по напряжению.

  12. denokulov Ответить

    Это следует из формулы (4.17) при условии, что

    Выходное сопротивление можно легко рассчитать для При выходное сопротивление эмиттерного повторителя равно входному сопротивлению схемы с общей базой. Следовательно, в этом случае имеем

    С учетом и основных уравнений (4.6) и (4.7) получим

    Поясним на числовом примере, каким малым может быть выходное сопротивление. При и получаем

    При таких параметрах схемы входное сопротивление составляет

    Таким образом, оно в 6000 раз больше, чем Поэтому эмиттерный повторитель представляет собой преобразователь сопротивления. Он передает практически всю величину источника сигнала на значительно более низкоомный резистор. Путем включения эмиттерного повторителя можно согласовывать высокоомный каскад с низкоомным.
    Установка рабочей точки производится так же, как в схеме с общим эмиттером и отрицательной обратной связью по току. Для выбора потенциала эмиттера имеется больше возможностей, так как потенциал коллектора не зависит от управляющего сигнала и равен Следовательно, можно выбрать более высоким, чем в схеме с общим эмиттером и отрицательной обратной связью по току. Благодаря этому имеется возможность простой гальванической связи эмиттерного повторителя с выходом предыдущего каскада, как показано на рис. 4.24. Для того чтобы при выбранном распределении потенциалов мог протекать коллекторный ток в необходимо, чтобы

    Особенностью эмиттерного повторителя является то, что при управлении очень малыми переменными сигналами к нему благодаря низкому сопротивлению можно подключать низкоомную нагрузку.

    Рис. 4.24. Пример непосредственной связи эмиттерного повторителя с предыдущим каскадом.
    Это возможно потому, что сопротивление нагрузки по переменному току подключено параллельно сопротивлению отрицательной обратной связи Если его взять низкоомным по сравнению с то даже при малых сигналах ток управления станет соизмеримым с током при отсутствии сигнала; при этом появляются искажения. Для того чтобы они были незначительны, необходимо, чтобы

    Отсюда следует условие

  13. Slavikheven Ответить

    Iвх = Iб
    Iвых = Iэ
    Uвх = Uбк
    Uвых = Uкэ
    Iвых / Iвх = Iэ / Iб = (Iк + Iб) / Iб = β + 1 = n
    n = 10 … 100
    Rвх = Uбк / Iб = n (10ч100) кОм
    В схеме с ОК (смотрите рисунок 67) коллектор является общей точкой входа и выхода, поскольку источники питания Еб и Ек всегда шунтированы конденсаторами большой ёмкости и
    для переменного тока могут считаться короткозамкнутыми. Особенность этой схемы в
    том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. с. очень сильна отрицательная обратная связь. Нетрудно видеть, что входное напряжение равно сумме переменного напряжения база – эмиттер Uбэ и выходного напряжения. Коэффициент усиления по току
    каскада с общим коллектором почти такой же, как и в схеме с ОЭ, т. е. равен нескольким
    десяткам. Однако, в отличие от каскада с ОЭ, коэффициент усиления по напряжению схемы с
    ОК близок к единице, причем всегда меньше её. Переменное напряжение, поданное на вход
    транзистора, усиливаетсяв десятки раз (так же, как и в схеме ОЭ), но весь каскад не
    даёт усиления. Коэффициент усиления по мощности равен примерно нескольким десяткам.
    Рассмотрев полярность переменных напряжений в схеме, можно установить, что фазового
    сдвига между Uвых и Uвх нет. Значит, выходное напряжение совпадает по фазе с входным и
    почти равно ему. То есть, выходное напряжение повторяет входное. Именно поэтому данный
    каскад обычно называют эмиттерным повторителем и изображают схему так, как показано на
    рисунке 68.
    Эмиттерным – потому, что резистор нагрузки включен в провод вывода эмиттера и выходное
    напряжение снимается с эмиттера (относительно корпуса). Так как входная цепь представляет
    собой закрытый коллекторный переход, входное сопротивление каскада по схеме ОК составляет десятки килоом, что является важным достоинством схемы. Выходное сопротивление
    схемы с ОК, наоборот, получается сравнительно небольшим, обычно единицы килоом или
    сотни ом. Эти достоинства схемы с ОК побуждают использовать её для согласования раз-
    личных устройств по входному сопротивлению.
    Недостатком схемы является то, что она не усиливает напряжение – коэффициент усиления
    чуть меньше 1.
    4) Усилительные свойства биполярного транзистора.Независимо от схемы включения,
    транзистор характеризуется тремя коэффициентами усиления:
     KI = Iвых / Iвх – по току;
     KU = Uвых / Uвх = (Iвых ∙ Rн) / (Iвх ∙ Rвх) = KI ∙ Rн / Rвх – по напряжению;
     KP = Pвых / Pвх = (Uвых ∙ Iвых) / (Uвх ∙ Iвх) = KI∙KU – по мощности.
    Для схемы с общей базой:
    KI = Iк / Iэ = α (α<1)
    KU = α ∙ (Rн / Rвх)
    Rн ≈ n ∙ 1кОм
    Rвх ≈ n ∙ 10 Ω
    KU ≈ n ∙ 100
    KP = KU / KI = n ∙ 100
    Для схемы с общим коллектором:
    KI = Iэ / Iб = β + 1 = n
    KU = β ∙ (Rн / Rвх) ≈ n
    KU < 1 Для схемы с общим эмиттером:
    KI = Iк / Iб = β = n (10ч100)
    KU = β ∙ (Rн / Rвх)
    KP = KI ∙ KU = n ∙ (1000ч10000)
    Работа усилительного каскада с транзистором происходит следующим образом. Представим
    транзистор переменным резистором ro, последовательно с которым включено нагрузочное
    сопротивление Rн и источник питания Е. Напряжение источника Е делится между сопротивлением нагрузки RH и внутренним сопротивлением транзистора ro, которое он оказывает постоянному току коллектора. Это сопротивление приближённо равно сопротивлению коллекторного перехода транзисторадля постоянного тока. В действительности к этому сопротивлению ещё добавляются небольшие сопротивления эмиттерного перехода, а также n- и p-областей, но эти сопротивления можно не принимать во внимание.
    Если во входную цепь включается источник колебаний, то при изменении его напряжения
    изменяется ток эмиттера, а следовательно, сопротивление коллекторного перехода. Тогда
    напряжение источника Е будет перераспределяться между Rн и ro. При этом переменное
    напряжение на резисторе нагрузки может быть получено в десятки раз большим, чем входное переменное напряжение. Изменения тока коллектора почти равны изменениям тока эмиттера и во много раз больше изменений тока базы. Поэтому в рассматриваемой схеме получается значительное усиление тока и очень большое усиление мощности. Усиленная мощ-
    ность является частью мощности, затрачиваемой источником Е.
    Статические характеристики
    транзисторов

Добавить ответ

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *