5. Каскад с общим эмиттером
1. Каскад с общим эмиттером.
В простейшем каскаде с ОЭ входной сигнал подаётся на базу, а цепь эмиттера подключена к общему проводу. Каскады с ОЭ обеспечивают усиление как по току, так и по напряжению. Ток коллектора очень слабо зависит от напряжения на нём, поэтому транзистор со стороны со стороны коллектора в большинстве случаев можно рассматривать как генератор тока IК с очень большим выходным сопротивлением.
![](img/vt88.gif)
Крутизна транзистора S = 1 / (rэ+Rэ), где rэ = fт / Iэ - диференциальное сопротивление эмиттерного перехода - выступает в качестве последовательного сопротивления во всех схемах, увеличивает входное и выходное сопротивление транзистора.
Коэффициент усиления по напряжению без учёта сопротивления нагрузки RН и сопротивления коллектора rК
Кu = -SRВХ = - RК / (rэ+Rэ).
Знак "минус" говорит об инверсии сигнала. Это справедливо при RК много меньше RН и rК. В противном случае необходимо учитывать их шунтирующее влияние.
rК = 1 / h22э - выходное сопротивление коллектора;
h22э - выходная проводимость.
Соответственно при отсутствии Rэ Кu = -RК / rэ.
Как видно из приведённой формулы, каскаду с ОЭ (без принятия дополнительных мер) свойственны большие нелинейные искажения, т.к. в знаменателе есть нелинейная величина rЭ, имеющая сложную зависимость от тока коллектора.
Уменьшить нелинейные эффекты можно по следующим направлениям:
- уменьшение влияния rЭ путём установки последовательно с ним резистора RЭ (местная ООС по току);
- компенсация влияния rЭ путём установки последовательно с RК одного или нескольких диодов динамическое сопротивление которых равно: rД = fТ / IК, тогда
Кu = (RК + nrд) / (rЭ+RЭ), где n - количество диодов;
![](img/vt100.gif)
- выбор оптимального тока коллектора, при котором минимальны изменения h21э;
- правильный выбор рабочей точки;
- применение местной ООС по напряжению, которая одновременно уменьшает влияние ёмкости СК, так как шунтирует её:
![](img/vt91.gif)
- выбор оптимального сопротивления источника (например, подбором сопротивления Rп последовательно со входом;
- уменьшение влияния rэ путём замены RК генератора тока (за счёт стабилизации тока коллектора);
- уменьшение нелинейных эффектов за счёт применения динамической нагрузки;
- взаимокомпенсация нелинейных эффектов за счёт встречной динамической нагрузки.
Усилительные свойства транзисторов сохраняются до напряжения насыщения, которое может быть в пределах от 0.2...0.3В до нескольких вольт в зависимости от тока коллектора. Например, для маломощных транзисторов при токах больше 10...20 мА насыщение может наступать при Uкэ=(1...2)В.
Напряжение UБЭ зависит от температуры и изменяется на -2.1 мВ/°C. Поэтому ток коллектора увеличивается в 10 раз при увеличении Т? на 30°C. Такая нестабильность делает смещение неработоспособным, т.к. даже небольшое изменение температуры выводит транзистор в режим насыщения или отсечки.
Входное сопротивление каскада:
RВХ = RП+rБ+h21э(rЭ+RЭ) и имеет ёмкостный характер.
При отсутствии RП и RЭ и если пренебречь rБ, то
RВХ = h21эrЭ = h21э25 / IК (мА), Ом
Отсюда видно, что RВХ величина не постоянная, меняется при изменении входного сигнала, т.к. меняется IК.
Диапазон изменения входного сигнала при RЭ=0, при котором сохраняется линейный режим, не превышает 2−fТ = 50 мВ.
Коэффициент передачи тока h21э не постоянен и имеет сложную зависимость для тока коллектора (для маломощных транзисторов). В зависимости от типа транзистора максимум коэффициента передачи может наступать при токах коллектора от 1-2 мА для маломощных транзисторов, до нескольких Ампер - для мощных. В режиме насыщения наблюдается резкое падение коллекторного тока независимо от тока базы, при этом коллекторный переход оказывается прямосмещённым.
![](img/vt89.gif)
При сопротивлении источника сигнала Rr > Rвх можно считать, что источник входного сигнала электрически замкнут накоротко. При этом входной ток Iвх = Евх / Rr и практически не зависит от изменяющегося Rвх, где Евх - ЭДС источника сигнала.
Следовательно усиление будет происходить с малыми нелинейными искажениями, поскольку зависимость выходного тока транзистора от входного практически линейна, хотя входное напряжение Uвх = IвхRвх - нелинейно.
Однако не следует думать, что чем Rr больше Rвх, тем лучше. Для транзисторного каскада характерна вполне определённая оптимальная величина как внутреннего сопротивления источника сигнала, так и тока коллектора. Необходимо также учитывать, что Rк шунтируется входным делителем каскада.
![](img/vt90.gif)
Ёмкость коллекторного перехода Ск является барьерной ёмкостью и зависит от напряжения на коллекторе, т.е. носит динамический характер.
Подобно тому как Сэ уменьшается в (Кu+1) раз в эмиттерном повторителе благодаря положительной ОС в каскаде с ОЭ Ск увеличивается во столько же раз благодаря отрицательной ОС, что равносильно подключению параллельно входу динамической ёмкости Ск (Кu+1). В большинстве случаев она оказывает отрицательное влияние, однако иногда используют и её. В этом и заключается так называемый эффект Миллера.
Частоту среза каскада снижает не только входная динамическая ёмкость,но и ёмкость нагрузки, в том числе и монтажа. Расширить полосу пропускания можно следующим образом:
- Уменьшить Rн при одновременном увеличении Iк, т.к. усиление прямопропорционально Iк/Св;
- применить транзисторы с малыми ёмкостями переходов;
- отделить нагрузку эмиттерным повторителем.
Как отмечалось выше, простейший каскад не обладает термостабильностью, поэтому практически не используется. Вот один из способов так называемой коллекторной термостабилизации с приминением отрицательнной обратной связи по напряжению:
![](img/vt91.gif)
Если взять исходное напряжение Uк равным 0.5ЕП, то RК = 0.5ЕП / IК, сопротивление в цепи базы RБ = 0.75ЕП / IБ = 0.5ЕПh21э / Iк.
2. Пример коллекторной стабилизации с исключением влияния ООС по переменному току.
Базовый резистор заменён Т-мостом, где С = Кu / F2pнpR1. Обычно R1 принимают равным R2.
![](img/vt92.gif)
3. Каскад с компенсационным смещением на согласованном транзисторе.
Используется для усиления относительно слабых сигналов. Изменение температуры не влияет на работу схемы.
![](img/vt93.gif)
Аналогичный каскад с трансформаторной связью на входе.
![](img/vt94.gif)
4. Каскад с эмиттерной стабилизацией с помощью ООС по току.
RC-цепь, параллельную резистору RЭ, применяют для увеличения усиления по переменному току, а так же для коррекции АЧХ каскада.
Сопротивление резистора RЭ в зависимости от тока коллектора выбирают от долей оМа (в мощных выходных каскадах) до нескольких килоОм (в маломощных). Ток базового делителя желательно иметь примерно в 10 раз больше тока базы.
![](img/vt95.gif)
Цепь смещения при двухполярном питании:
![](img/vt96.gif)
5. Один из вариантов применения токового зеркала для термостабилизации.
За счёт применения RЭ динамический диапазон такой схемы выше, чем у каскада с компенсационным смещением на согласованном транзисторе.
![](img/vt97.gif)
6. Трёхкаскадный усилитель со взаимной стабилизацией всех каскадов на токовом зеркале Уилсона.
Коэффициент усиления - 5000 и более. Недостаток - низкая нагрузочная способность, проявляющаяся в явно выраженных искажениях в виде чётных гармоник.
![](img/vt98.gif)
7. Усилитель с комбинированной стабилизацией на составном транзисторе Шиклаи.
Входное сопротивление каскада - около 200 кОм, коэффициент усиления Кu = K2 / K3 = 10.
![](img/vt99.gif)
8. Составной транзистор с генератором тока вместо RК.
Позволяет получить усиление 20000 и более. Реализовать такое усиление можно только при работе каскада на составной эмиттерный или истоковый повторитель.
![](img/vt101.gif)
9. Каскад с общим истоком.
В отличие от каскада с ОЭ нелинейные искажения значительно меньше, поскольку напряжение отсечки UОТС=1..5В намного больше, чем температурный потенциал fТ=25мВ биполярных транзисторов. Линейная область входных напряжений значительно шире и сильно зависит от выбора рабочей точки IСП/IСmах, где IСП - ток стока покоя, IСmах - максимальный ток стока.
![](img/vt102.gif)
10. Каскад с повышенным благодаря следящей связи входным сопротивлением.
![](img/vt103.gif)
11. Малошумящий усилитель.
Коэффициент усиления - 10;
полоса пропускания - 5...25000 Гц;
номинальное входное напряжение - 150 мВ;
максимальное входное напряжение - 700 мВ;
коэффийиент шума - 80...85 дБ;
коэффицмент гармоник - <0.05%
![](img/vt104.gif)
12. Усилитель с разветвлением сигналов на несколько каналов с помощью истоковых повторителей.
![](img/vt105.gif)
13. Усилитель с динамической нагрузкой.
Имеет коэффициент усиления около 100...150. Благодаря съёму сигнала с эмиттера транзистора VT2 каскад имеет низкое входное сопротивление. Номинальное входное напряжение - 20мВ.
![](img/vt106.gif)
14. Повышение эффективности динамической нагрузки с помошью токового зеркала.
![](img/vt107.gif)
15. Каскад с ОИ с динамической нагрузкой (Ку=500).
![](img/vt108.gif)
16. Усилитель с эмиттерным повторителем в качестве буферного каскада.
![](img/vt109.gif)
17. Малошумящий микшер для микрофона.
![](img/vt110.gif)
18. Усилительный каскад в интегральном исполнении.
Для получения необходимой АЧХ или её коррекции вместо RК или параллельно ему включают различные (параллельные или последовательные) LC- или RC-цепи. Входное сопротивление каскада с общей базой (ОБ) на определённых частотах имеет индуктивную составляющую, которую можно использовать для ВЧ-коррекции.
![](img/vt111.gif)
19. НЧ-коррекция с помощью отражателя тока.
![](img/vt112.gif)
20. Малошумящий усилитель со встречной динамической нагрузкой.
Кус=10. Минимального уровня шумов добиваются подбором R5, который зависит от напряжения питания. При этом ток коллектора обычно находится в пределах 30...50 мА.
![](img/vt113.gif)
21. Каскад со встречной динамической нагрузкой.
При работе такого каскада на каскад с высоким входным сопротивлением коэффициент усиления может достигать 5000.
![](img/vt114.gif)
22. Мостовая схема для увеличения мощности в 4 раза.
Для управления используются противофазные сигналы.
![](img/vt115.gif)
23. Выходной каскад усилителя мощности.
Благодаря применению дополнительных транзисторов (VT5, VT6) исключены сквозные токи.
![](img/vt116.gif)