Каскад с общим эмиттером

При включении биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером (ОЭ) входной сигнал подаётся на базу относительно эмиттера, а выходной сигнал снимается с коллектора относительно эмиттера. При этом выходной сигнал инвертируется относительно входного (для гармонического сигнала с не очень высокой частотой фаза выходного сигнала сдвинута относительно входного на 180°, при высоких частотах фазовый сдвиг отличается от 180° из-за инерционности транзистора).

Усилительный каскад по схеме с общим эмиттером на основе npn-транзистора (Схема с заземленным эмиттером)

Данное включение транзистора позволяет получить наибольшее усиление по мощности, потому что усиливается и ток, и напряжение.

Общее описание включения транзистора по схеме ОЭПравить

Биполярные транзисторы, в отличие от полевых транзисторов, приборы управляемые током базы. Напряжение на прямо смещённом переходе база-эмиттер при этом остаётся почти постоянным и зависит от материала полупроводника, для германия около 0,2 В, для кремния около 0,65 В, но на сам каскад подаётся управляющее напряжение.

Ток базы, коллектора и эмиттера и другие токи и напряжения на электродах транзистора можно вычислить по закону Ома и правилам Кирхгофа для разветвлённой многоконтурной цепи.

Токи в транзисторе связаны нижеследующими соотношениями:

по правилу Кирхгофа для узлов алгебраическая сумма всех трёх токов (  — ток эмиттера, ток коллектора и ток базы соответственно) равна нулю:

 
 
 
где   — коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером, или коэффициент передачи по току база — коллектор;
  — коэффициент передачи тока эмиттера или коэффициент передачи по току эмиттер — коллектор.

Коэффициент усиления по току  :

 

Входное сопротивление  :

 

Простейший усилительный каскад с общим эмиттеромПравить

 
Рисунок 1. Простейший каскад с общим эмиттером и его подключение к источнику сигнала, нагрузке и источнику питания

На рисунке 1 изображён простейший каскад с общим эмиттером и его подключение к источникам сигнала, питания и нагрузке.

Каскад состоит из:

  • транзистора  ;
  • резистора базы  , который задаёт начальное смещение транзистора по постоянному току;
  • резистора  , преобразующий изменение тока коллектора в синхронно изменяющееся напряжение на коллекторе, а также задаёт положение начальной рабочей точки по току.

Для устранения постоянной составляющей входного сигнала источник сигнала подключается ко входу каскада через разделительный конденсатор  . С той же целью выход каскада подключается к нагрузке   через конденсатор  . Поскольку конденсаторы вносят во входную и выходную цепи дополнительное реактивное сопротивление, они снижают коэффициент передачи каскада на низких частотах, но при выборе достаточно больших величин их ёмкостей это снижение можно уменьшить.

Нагрузка каскада, изображённая на схеме в виде резистора   может представлять собой различные устройства или схемы, например, электродинамический громкоговоритель, некоторый индикатор, вход другого усилительного каскада и т. д.

Режим работы каскадаПравить

В активном усилительном режиме транзистор   открыт, напряжение на его коллекторе, при отсутствии входного сигнала, для расширения динамического диапазона, составляет приблизительно половину напряжения питания   — положение начальной рабочей точки, задаваемой током базы, протекающим через резистор  .

Постоянное напряжение на базе относительно эмиттера   от входного сигнала изменяется мало и составляет примерно 0,2 В для германиевых и 0,65 В для кремниевых транзисторов. Примерное постоянство напряжения   объясняется тем, что его зависимость от тока базы логарифмическая.

С учётом этого в режиме напряжение на коллекторе при постоянном   полностью определяется током, втекающем в базу через резистор  :

  
где   — коэффициент усиления по току транзистора   в схеме с общим эмиттером.

Таким образом, чтобы в режиме покоя получить на коллекторе напряжение  , при заданном   необходимо задать сопротивление в цепи базы   равным:

 

Входное и выходное сопротивления каскадаПравить

Входное   и выходное   сопротивления каскада равны:

 
 
где   и   — внутренние сопротивления базы и коллектора транзистора соответственно. Символом   сокращённо обозначается параллельное соединение сопротивлений.

Усиление сигналаПравить

Сигнал источника   поступает на вход каскада через последовательно соединённые внутреннее сопротивление источника   и входное сопротивление каскада  , вызывая входной ток:

 

Учитывая, что по переменному току нагрузкой в цепи коллектора является сопротивление, имеем:

 

выходное напряжение каскада можно записать как:

 

а коэффициент усиления по напряжению  :

 
Достоинства каскада с ОЭ
  • Большой коэффициент усиления по току.
  • Большой коэффициент усиления по напряжению.
  • Наибольшее из всех каскадов усиление по мощности.
  • Для питания достаточно одного источника питания.
Недостатки
  • Более узкий частотный диапазон по сравнению со схемой с общей базой или с общим коллектором из-за влияния ёмкости коллектор-база, вызывающей эффект Миллера.
  • Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.

Ключевой режим каскада с общим эмиттеромПравить

При смещении рабочей точки в одно из двух крайних состояний на проходной характеристике — или в режим отсечки коллекторного тока, или в режим насыщения транзистора, каскад с ОЭ приобретает ключевые свойства и имеет два состояния. Каскад при этом работает в ключевом режиме, как реле (состояния закрыт, открыт) и применяется как логический инвертор в логических элементах, управлением электромагнитными реле, лампами накаливания и др. Как и контактные группы реле, ключевые каскады могут формально считаться нормально закрытыми (разомкнутыми) и нормально открытыми (замкнутыми), это определяется положением рабочей точки — отсечки или насыщения.

См. такжеПравить

СсылкиПравить