Усилитель с общим коллектором.

Схема усилителя с общим коллектором или эмиттерного повторителя представлена на рис.3.2

           Рис.3.2

 

Коэффициент усиления по напряжению с ОК определяется из следующего выражения:

 

K_У = .

 Как видно из выражения, коэффициент усиления каскада с общим коллектором приближенно равен 1, поскольку r_Э обычно мало по сравнению с сопротивлением R_Э. Из—за этого свойства каскад называют эмиттерным повторителем.

 

Входное сопротивление усилителя г_ВХ по переменному току определяется как от­ношение амплитуд синусоидального входного напряжения u_ВХ входного тока i_ВХ:

                                      r_ВХ =

                                         

Входное сопротивление эмиттерного повторителя по переменному току определяется следу­ющим выражением :

                                      r_iЭ = b (r_Э + R_Э). (b--h_21Э)

 

    В данном случае для определения входного сопротивления каскада нужно принять во вни­мание сопротивление резисторов R₁ и R₂. С учетом сказанного получим:

                           1 / R_ВХ = 1 / R₁ + 1 / R₂ + 1 / r_iЭ .

                                         

   Также при расчете схем необходимо учитывать сопротивление нагрузки, которая включа­ется параллельно сопротивлению эмиттера R_Э :

Из выражений для входного сопротивления видно, что эмиттерный повторитель обладает высоким входным сопротивлением по сравнению с каскадом с ОЭ.

В общем случае выходное сопротивление эмиттерного повторителя в b_АС +1 раз меньше со­противления R_ИСТ источника сигнала на входе эмиттерного повторителя:

 

                         r_ВЫХ = .              

 

Если сопротивление R_ИСТ источника сигнала на входе эмиттерного повторителя пренебре­жимо мало, то выходное сопротивление эмиттерного повторителя будет равно дифференциаль­ному сопротивлению перехода база-эмиттер:

 

                        r_ВЫХ = r_Э

      

В случае, когда сопротивление R_ИСТ источника сигнала на входе очень велико (сравнимо с b_АСR_Э)), сопротивление R_Э  должно быть учтено как включенное параллельно найденному вы­ходному сопротивлению эмиттерного повторителя.

Экспериментально выходное сопротивление каскада можно определить по результатам двух измерений: измерения напряжения холостого хода U_ХХ (на выхол каскада подключается сопротивление порядка 200 кОм и измеряется падение напряжения на нем) и измерения выход­ного напряжения U_ВЫХ при наличии нагрузки сопротивлением R_Н. После измерений выходное сопротивление можно подсчитать по формуле:

 

                   r_ВЫХ = .

Благодаря высокому входному и низкому выходному сопротивлению данная схема используется в качестве согласующего между источником и нагрузкой.

 

Пример 3.1 Спроектируем усилитель по схеме на рис.3.1, обеспечивающий коэффициент по напряжению К = 5 в диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц, имеющий входное сопротивление R_ВХ>5 кОм и обеспечивает эффективное значение выходного напряжение не менее 2В эфф на нагрузке 40 кОм.

В цепь эмиттера включен резистор R_Э , через который осуществляется отрицательная обратная связь (ООС) по току, обеспечивающая высокую термостабильность усилителя и повышающая его входное сопротивление.ООС по току действует следующим образом--пусть , например, ток коллектора на резисторе по каким—либо дестабилизирующим причинам увеличится. Тогда увеличится падение на резисторе R_Э, уменьшается напряжение база—эмиттер, следовательно, уменьшается ток коллектора. Для эффективной термостабиллиза- 

ции рабочей точки падение напряжения на резисторе R_Э выбирают в пределах 0,5—1В. Применение базового делителя на резисторах  R1, R2 позволяет рассчитать положение рабочей точки транзистора без подбора его по h_21Э (при расчете базового делителя R1, R2 ориентируются на минимальное значение h_21Э для данного выбранного транзистора).

1. Определяем напряжение источника питания Е = 3,5x U_ВЫХ=3,5х2=7В.

2. Определяем напряжение U_КЭ:: U_КЭ=Е/2=3,5B.

3. Находим R_K: R_K=R_H/10=4 кОм.

4. Находим ток коллектора I_K=(E—U_КЭ)/R_K=0,9 мА.

5. Задаемся падением напряжения 0,5В на резисторе R_Э. Тогда R_Э=0,5/0,9=560 Ом.

6. Коэффициент усиления по напряжению: К=R_K/R_Э=7

7. Выбираем транзистор КТ 315Б имеющий h_21Э~100.

8. Находим ток базы : I_б=I_K/h_21Э=0,01 мА.

9. Выбираем ток через делитель напряжения R1,R2 : I_Д=10хI_б=0,1 мА.

10. Определяем потенциал на базе: U_б=U_Э+0,6=1,1В

11. Находим R2: R2=U_б/I_Д=1,1В/0,1мА=11 кОм.

12. Находим R1: R1=(E—U_б)/I_Д=6В/0,1мА=60 кОм.

13. Находим R_ВХ: R_ВХ=R1IIR2IIh_21ЭхR_Э=7,5 кОм.

14. Находим С₁ = 1 / 3.14 f R (входное полное сопротивление тр – ра)

15. Находим С₂ = 1/ 6.28 f R (входное полное сопротивление тр – ра)

f – нижняя граничная частота в Гц.

    Расчетная схема усилителя ОЭ приведена на рис.3.3

1 / R = 1 / R₁ + 1 / R₂ + 1 / r_I    - расчет полного входного сопротивления транзистора, где r_I = 25mV / I_Э

 

                         Рис.3.3

 

На рис.3.4 изображена схема с общим коллектором, называемым также схемой эмиттерного повторителя (ЭП). Эта схема усиливает ток , но не усиливает входное напряжение. Коэффициент передачи ЭП по напряжению около 1, отсюда название «повторитель». Для расчета ЭП задаются потенциалом на эмиттере, равным Е/2. Тогда R_Э = U_Э/I_Э = 3,5B/1мА = 3,6 кОм. Потенциал на базе равен U_б = U_Э+0,6В = 4,1В. При I_Д = 0,1 мА, R2 = U_б/I_Д = 4,1В/0,1мА = 39 кОм, R1 = (E—U_б)/I_Д = 2,9B/0,1мА = 27 кОм. Расчет конденсаторов С₁  и С₂  подобен расчету конденсаторов для схемы с ОЭ.

 

                        Рис.3.4

 

Транзисторный ключ

 

Работа биполярного транзистора в ключевом режиме. При построении транзисторных ключей наибольшее распространение получила схема с общим эмиттером.

На рис.3.5, а, б приведены последовательная схема ОЭ на биполярном транзисторе структуры n-p-n и семейство выходных характеристик биполярного транзистора соответственно. Нагрузочная прямая, соответствующая выбранному значению сопротивления R_H. Эта прямая отсечет на оси абсцисс напряжение U_П, а на оси ординат – ток , равный U_П/R_H. Пересечение кривой U_КБ = 0 с нагрузочной прямой дает точку границы режима насыщения (точка Н_С). Пересечение кривой i_Б = 0 с нагрузочной прямой дает точку границы отсечки (точка О_Т, рис.3.5 б). В соответствии со сказанным для работы в ключевом режиме рабочая точка Н_С (режим насыщения) , либо правее точки О_Т (режим отсечки). Нахождение между точками Н_С и О_Т допускается только при переключении транзистора из насыщенного состояния в состояние отсечки или наоборот. Длительность нахождения транзистора в этой области для реального ЭК зависит от собственных частотных свойств транзистора.  Последнее зависит от мощности, выделяющейся в ключе, которая прямо пропорциональна времени нахождения рабочей точки транзистора в интервале Н_С –О_Т .

Превышение базового тока насыщенного транзистора над его граничным значением принято характеризовать коэффициентом насыщения

                      q _НАС = I_Бнас / I_Бгр .

Значение q_нас обычно выбирается в диапазоне 1,5…2,0.

Пример расчета транзисторного ключа.  Состояние выходного напряжения в точке О_Т соответствует U_Н логическая «1» , либо точка Н_С соответствует U_L логический «0», причем U_L < U_H .  Состояние Н (high – высокий), если в состоянии L (low – низкий). Уровни , лежащие между значениями U_H и U_L, считаются запрещенными. Схемотехнические особенности, определяемые этим требованиям, рассмотрим на примере транзисторного ключа представленного на рис.3.5

 

                   а)                                                                       б)                     

 

    Рис.3.5 Последовательная схема транзисторного ключа (а) и выходная ВАХ транзистора для схемы включения с общим эмиттером . 

     Эти требования :

      U _ВЫХ  U_H при U _ВХ  U_L

И

     U _{ВЫ Х} U_L при U _ВХ U_H.

Эти условия должны выполняться даже для самого неблагоприятного случая, т.е. U _ВХ  не должно быть меньше, чем U_H  при U _ВХ = U_L , и U _ВЫХ не должен быть больше чем U_L при U _ВХ = U_H . Такие условия могут быть выполнены соответствующим выбором уровней U_H и U_L а также величин сопротивлений R_H и R _Б .  

   В схеме, изображенной на рис.3.5 а, если транзистор заперт, то при отсутствии нагрузки выходное напряжение будет равно U _П . При минимальном нагрузочном резисторе R_H  выходное напряжение будет равно ½ U _П . Таким образом, ½ U _ВЫХ является минимальным выходным напряжением схемы в состоянии Н. Для гарантированного различия состояний примем U _ВЫХ < ½ U _П ; например, U_H  = 2,5 B при U _П  = 5В.  Коллекторное сопротивление R_H выбирается такой величины, чтобы время переключения транзистора было достаточно малым, а величина коллекторного тока не была слишком велика. Ток коллектора выбирают I_H = I_RMAX / 10 .

      I_H = U_П / R_H (для транзистора 2N3904 I_C = 10 mA);

      R_H = U _П / I_H = 5B/ 1mA = 5 кОм; (выбираем из ряда Е48 R_H 5,1 кОм)

Используемые в таких схемах транзисторы должны обладать коэффициентом усиления по току b(h_21Э) 100. Необходимый ток базы составит тогда:

      I _БМИН =I_H / b = 1mA/ 100 = 10 mkA;

Для надежного насыщения транзистора выбираем I _Б = 100 mkA, т.е. с десятикратным запасом. Тогда для величины R _Б получим:

    R _Б = (1,5B – 0,6B) / 100 mkA = 9 кОм ; (выбираем из ряда Е48 9,1 кОм).