Параметры по переменному току резистивного каскада усиления на одном транзисторе

 

Транзистор как усилительный элемент удобно изобразить в виде 4-полюсника. Но так как транзистор имеет только 3 вывода, то один вывод должен быть общим для входа и выхода. Таких схем может быть шесть, но только в трёх из них транзистор усиливает мощность сигнала: когда база соединена с одним из входных контактов, а коллектор - с одним из выходных контактов.

4.4.1. Транзисторный усилитель с общим эмиттером (ОЭ)

На рис. 4.13,а изображена полная схема усилителя переменного тока, на вход которой через разделительный конденсатор С₁ подается сигнал переменного тока. С выхода схемы, т.е. с коллектора транзистора, усиленный сигнал через разделительный конденсатор С₃ поступает в нагрузку R₅. Для того, чтобы резистор R₃, обеспечивающий режим по постоянному току, не влиял на усиление переменного сигнала, включен конденсатор С₂.

 

 

Переменный сигнал является разностью между полным сигналом и его постоянной составляющей. Напряжение переменного сигнала на зажимах источника питания Е_ПИТ с нулевым внутренним сопротивлением равно нулю. Поэтому для переменного сигнала точки подключения источника питания являются эквипотенциальными. При надлежащем выборе значений емкостей конденсаторов С₁, С₂, С₃ точки их подсоединения являются эквипотенциальными для переменного сигнала. С учетом этих замечаний на рис. 4.12,б представлена эквивалентная схема резистивного каскада усиления по переменному току. Здесь входной сигнал подключен между базой и эмиттером, а выходной между коллектором и эмиттером.

Таким образом, эмиттер является общей точкой входного и выходного сигналов. Поэтому схема, изображенная на рис. 4.13,а, называется схемой с общим эмиттером (ОЭ).

Далее приведены без доказательства формулы для расчета параметров усилителя ОЭ по переменному току. Они используются при расчетах в диапазоне нижних частот, в которых можно пренебречь частотными зависимостями параметров транзистора. Применение сложных формул расчета в широком диапазоне частот нецелесообразно из-за наличия компьютерных систем моделирования, обеспечивающих достоверные результаты анализа.

Коэффициент усиления находится по формуле

K = – S∙R_H~, (4.20)

где R_H =R₄ || R₅ – сопротивление параллельно соединенных R₄ и R₅ ;

S – крутизна транзистора,

I_К – постоянный ток коллектора (ток коллектора в рабочей точке);

φ_Т = 0,026 В;

r_Б – сопротивление базы, находится из справочных данных;

В_СТ – статический коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ, находится из справочника.

Если в схеме рис. 3.2,а конденсатор С₃ отсутствует, то справедлива формула

. (4.21)

Входное сопротивление каскада находится по формуле

R_ВХ= R_Б || R_ТР ,

где R_ТР – входное сопротивление транзистора,

R_ТР = r_Б + (φ_Т /I_К)(В_СТ + 1) .

Наличие знака «минус» в (4.20), (4.21) свидетельствует о том, что каскад ОЭ поворачивает фазу сигнала на выходе на 180° по отношению к фазе сигнала на входе.

Ток коллектора I_К повторяет форму напряжения U_Б. Так как напряжение на коллекторе относительно общей точки выражается формулой

U_К = Е_ПИТ – I_К R₃,

то при возрастании I_К напряжение U_К уменьшается. Поэтому напряжение на коллекторе U_К (t) сдвинуто по фазе на 180° относительно сигнала на входе каскада U_Б (t).

При отсутствии конденсатора С₂ справедлива формула

R_ВХ= R_Б || Rۥ_ТР, где Rۥ_ТР = r_Б + S∙(φ_Т /I_К)(В_СТ + 1)∙R₃ .

Выходное сопротивление каскада практически равно сопротивлению нагрузки R₄ по постоянному току.

 

4.4.2. Транзисторный усилитель с общим коллектором

 

На рис. 4.14,а изображена схема усилителя, у которого точка выхода подсоединена к эмиттеру. Эквивалентная схема по переменному току с учетом эквипотенциальных точек изображена на рис. 4.14,б.

Эта схема называется схемой с общим коллектором (ОК), т.к. коллектор является общей точкой входного и выходного сигналов. Схема называется также схемой эмиттерного повторителя, т.к. ее коэффициент передачи по напряжению близок к единице и сигнал на выходе (на эмиттере) практически повторяет входной сигнал.

 

 

Коэффициент передачи схемы с ОК находится по формуле

, где R_H~ = R₃ || R_H . (4.22)

Обычно, φ_Т / I_К << R_Н~, поэтому К ≈ 1.

Повторяя рассуждения, приведенные для схемы ОЭ, можно убедиться, что схема с ОК фазу не поворачивает.

Входное сопротивление находится по формуле

R_ВХ = (В_CТ ∙ R₃) || R_Б .

Выходное сопротивление может быть рассчитано из соотношения

.

Схема ОК обладает высоким входным сопротивлением и малым выходным сопротивлением.

 

4.4.3. Транзисторный усилитель с общей базой

На рис. 4.15,а изображена схема усилителя, у которого вход подсоединен к эмиттеру и базе. Эквивалентная схема по переменному току с учетом эквипотенциальных точек представлена на рис. 4.15,б. Эта схема называется схемой с общей базой (ОБ), так как база является общей точкой входного и выходного сигналов.

Коэффициент усиления схемы ОБ находится по формуле

K = SּR_H .

Повторяя рассуждения, приведенные для схемы ОЭ, можно убедиться, что схема ОБ фазу не поворачивает.

 

Входное сопротивление схемы ОБ находится по формуле

.

Выходное сопротивление каскада ОБ практически равно сопротивлению нагрузки R₄ по постоянному току.

 

Схема ОК используется тогда, когда надо согласовать большое сопротивление источника сигнала с малым сопротивлением нагрузки.

Схема ОБ используется тогда, когда надо согласовать малое сопротивление источника сигнала с большим сопротивлением нагрузки.

Схема ОЭ используется во всех остальных случаях и является наиболее распространенной. Эта схема даёт наибольшее усиление по мощности; так как усиливает и ток, и напряжение.

 

4.4.4. Усилители на полевых транзисторах

Усилители на полевых транзисторах строятся по аналогичным схемам: схема с общим истоком (ОИ) аналогична схеме ОЭ, схема с общим стоком (ОС) аналогична схеме ОК (эмиттерному повторителю). Схема с общим затвором (ОЗ) практически не применяется, так как в ней не используется основное свойство полевых транзисторов – высокое входное сопротивление.

Коэффициент усиления схемы ОИ находится по формуле

K = – S (R_С || R_СИ), (4.23)

где R_С – сопротивление в цепи стока,

R_СИ = U_СИ / I_C .

Входное сопротивление схемы ОИ R_ВХ = ∞.

Выходное сопротивление схемы ОИ равно

R_ВЫХ = (R_С || R_СИ).

Схема ОИ, как и схема ОЭ, поворачивает фазу сигнала на 180⁰ .

Коэффициент усиления схемы ОИ находится по формуле

. (4.24)

Входное сопротивление схемы ОС R_ВХ = ∞.

Выходное сопротивление схемы ОС равно

R_ВЫХ = R_И || (1/S).

Схема ОИ, как и схема ОК, фазу сигнала не поворачивает.

 

Составные транзисторы

 

Под составным транзистором принято понимать комбинацию из двух и более каскадно включённых транзисторов, особенно при непосредственной связи между ними, то есть при прямом соединении выходного электрода первого транзистора с входным электродом второго.

Составной транзистор имеет 3 электрода, то есть ведёт себя как одиночный транзистор, но со своими параметрами. На рис. 4.16 приведены наиболее часто используемые схемы составных транзисторов.

Тип составного транзистора, выполненного по комплиментарной схеме Дарлингтона, определяется типом входного транзистора. Так, на рис. 4.16,б на входе стоит pnp транзистор Q1, и весь составной транзистор имеет тип pnp несмотря на то, что на выходе схемы стоит npn транзистор. Резистор R (рис. 4.16,а, 4.16,б) может включаться для того, чтобы быстрее закрывался выходной транзистор.

 

а)
	β* = β1 β2 , RВХ* = RБ*Э* = 2 RБЭ1 , RВЫХ* = RК*Э* = 0,67 RКЭ2 .

 

б)
	β* = β1 β2 , RВХ* = RБ*Э* = 2 RБЭ1 , RВЫХ* = 0,67 rКЭ2 .

 

в)
	А* = 0,5 SRК , RВХ* = RБ*Э* = RБЭ1 , RВЫХ* = RК .

Рис. 4.16. Составные транзисторы: а – схема Дарлингтона; б – комплиментарная схема Дарлингтона; в – каскодная схема