УСИЛИТЕЛЬ НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ, ВКЛЮЧЕННОМ ПО СХЕМЕ С ОБЩИМ КОЛЛЕКТОРОМ

 

Принципиальная схема усилителя приведена на рис. 3.2.14.

1. Расчет схемы по постоянному току.

Режим работы схемы по постоянному току определяется элементами: R_Э, R_Б, Е_К и параметрами транзистора. Аналогично, как и для схемы с общим эмиттером, выходную и входную цепи можно описать следующими сис­темами уравнений:

 

 

 

Так как I_Э = I_Б + I_К, а I_Б << I_К, то первое уравнение можно записать в виде:

E_K = I_K∙R_Э + U_ЭК.

 

 

Рис. 3.2.14. Принципиальная схема усилителя на биполярном транзисторе,

 включенном по схеме с общим коллектором

 

Как и для схемы с ОЭ (см. рис. 3.2.15), построим нагрузочную линию (1), соответствующую системе уравнений:

По аналогии со схемой с ОЭ выбираем точку покоя "О", и определяем значения сопротивлений R_Э и RБ (см. рис. 3.2.15).

R_Э ≈ E_K/I_KЗ,  .

 

2. Расчет по переменному току.

Представим схему замещения усилителя с ОК для расчета каскада по переменному току (см. рис. 3.2.16), при этом примем следующие допущения:

- зажимы "+" и "-" источника питания по переменному току считаем однопотенциальными за счет низкого внутреннего сопротивления источни­ка питания;

- при определении основных характеристик усилителя считаем, что усили­тель работает в области средних звуковых частот, следовательно, сопротивлениями разделительных конденсаторов C_P1 и С_Р2 можно пренеб­речь, как и влиянием емкости C_HΣ.

 

 

Рис. 3.2.15. Определение режима работы по постоянному току: а) на выходных характеристиках транзистора,

б) на входных характеристиках транзистора

 

Рис. 3.2.16. Схема замещения усилителя с ОК

 

3. Коэффициент усиления усилителя по напряжению.

Правила расстановки знаков , , источника  и  выполнены в соответствии с методикой, приведенной в разделе 2.2.

Схему замещения (см. рис. 3.2.16) можно описать уравнением

 

,

 

где R_Экв = R_Э||R_Н, .

Отсюда следует:

 

.

 

Следовательно, получим

 

,

 

.

        

Из последнего выражения получим коэффициент усиления

 

.

 

Поскольку знаменатель k_U больше числителя, то k_U < 1. При правильно спроектированном каскаде k_U ≈ 0,9 ÷ 0.99.

Так как k_U ≈ 1, то  ≈ , поэтому усилитель по схеме с ОК называют эмиттерным повторителем, поскольку выходной сигнал повторяет входной по фазе и амплитуде.

4. Входное сопротивление усилителя.

Входной ток транзистора можно описать следующим выражением:

 

.

 

Следовательно, входное сопротивление транзистора можно определить как

 

.

 

Исходя из этого, входное сопротивление усилителя определяется выражением:

 

.

 

Так как k_U ≈ 0,9 ÷ 0.99, то R_вх.тр = (10 ÷ 100h_11Э, следовательно, R_вх.ус ≈ (10 ÷ 100 кОм).

Таким образом, схема с ОК обладает самым высоким входным сопротивлением, и ее применение необходимо, если используется источник сигна­ла с высоким внутренним сопротивлением.

5. Коэффициент усиления усилителя по току.

Коэффициент усиления по току можно определить как отношение выходного тока ко входному:

 

,

 

где  — ток нагрузки, - входной ток эмиттерного повторителя.

Подставив значения  и  в формулу для k_I получим:

 

.

 

Поскольку допустимые значения R_H порядка единиц килоом - сотен ом, то k_I >> 1 и составляет порядка десятков - сотен.

6.Выходное сопротивление усилителя.

Для определения выходного сопротивления повторителя воспользуемся методикой, изложенной в разделе 2.2. Модель каскада приведена на рис. 3.2.17. С учетом того, что R_вн << R_вх, замыкание активного источника ЭДС произведем вместе с его внутренним сопротивлением.

Для согласования модели с реальной схемой предположим, что напряжение  получило приращение, как показано на рис. 3.2.17 ("+" — к эмитте­ру, "-" — к общей шине). Под действием этого напряжения и источника ОДС будут протекать токи  и  в направлениях, показанных на рис. 3.2.17. Установим фактическое направление тока . Ток  течет с эмиттера в базу, тем самым открывает транзистор (транзистор р-п-р), следовательно, ток коллектора получает положительное приращение. Та­ким образом, направление тока коллектора в модели соответствует на­правлению реального тока, значит, знак перед величиной источника ЭДС  будет положительным.

 

 

Рис. 3.2.17. Модель эмиттерного повторителя для определения R_вых

 

Для тока коллектора можно записать следующее выражение:

.

 

, но, так как , получим, что   , следовательно, выходное сопротивление транзистора можно определить как:

 

.

 

Так как h_11Э∙ h_22Э << h_21Э, то получим R_вых.тр ≈ h_11Э/h_21Э. Для типовых значений этих параметров маломощных транзисторов получим R_вых.тр порядка десятков ом.

Полное выходное сопротивление эмиттерного повторителя будет равно: R_{вых.пов} = R_вых.тр|| R_Э ≈ R_вых.тр, т.к. R_Э обычно много больше R_вых.тр.

7. Выводы:

Схема с общим коллектором обладает самым низким выходным и самым вы­соким входным сопротивлениями из трех схем включения транзистора. Поэтому такая схема применяется как согласующий каскад между источниками входных сигналов с высоким R_вн и низкоомной нагрузкой. Данная схема обладает самым высоким коэффициентом усиления по току k_I, однако не усиливает напряжение (k_U ≈ 1), поэтому ее называют эмиттерпым повторителем, т. к. выходной сигнал повторяет входной как по фазе, так и по амплитуде.

Схема с общим коллектором применяется в качестве входных и выходных каскадов для обеспечения большого входного и малого выходного сопротивлений усилителя. Также применяется в качестве согласующего каскада между усилительными каскадами ОБ-ОБ или ОЭ-ОБ.