обеспечения заданного коллекторного тока покоя, может быть найден из выражения:

Имея следующие параметры усилительного каскада, соответствующие заданной рабочей точке (Iк0, Uпит/2): ток покоя Iк0 (параметр рабочей точки каскада), напряжение питания Uпит, коэффициент усиления по току транзистора βст = Iк/Iб, можно найти следующие параметры элементов схемы: сопротивление в цепи коллектора Rк, значение базового тока Iб, задаваемого внешним генератором тока.

В разделе 1.6 приведен пример расчёта параметров усилительного каскада по формулам 1.1, 1.2.

1.3. Три вида включения биполярных транзисторов

На рис. 1.6 показан эмиттерный повторитель (схема с общим коллек-

тором, ОК). Он назван так потому, что выходной сигнал снимаетсяс эмиттера, напряжение на котором равно напряжению на входе (база транзистора) за вычетом падения напряжения на переходе база–эмиттер: Uэ = Uб – 0,6В. Для приведенной схемы входное напряжение Uвх должно составлять, по крайней мере, 0,6 В, иначе транзистор не откроется.

Рис. 1.6. Эмиттерный повторитель: а) базовая схема; б) со связью по переменному току

Эмиттерный повторитель обеспечивает усиление входного сигнала только по току (напряжение на входе и выходе схемы одинаковое за вычетом падения на p–n-переходе), поэтому его входной импеданс значительно боль-

12

ше, чем выходной. Благодаря этому источник, обладающий высоким внутренним импедансом, может через эмиттерный повторитель работать на нагрузку, которая обладает сравнимым или даже более низким импедансом, без потери амплитуды сигнала. Иначе амплитуда сигнала будет неизбежно снижаться при прямом подключении нагрузки с низким импедансом к источнику, обладающему высоким внутренним импедансом.

Рассчитаем входное и выходное сопротивления эмиттерного повторителя. В приведенной на рис. 1.6 схеме в качестве нагрузки выступает резистор

= Uб/(R1(βст + 1)) (с учетом того, что Iэ = Iк + Iб).

Входное сопротивление схемы равно Uб/ΔIб, следовательно,

Rвх = R1 (βст + 1).

Для современных транзисторов значение коэффициента усиления по току βст составляет не менее нескольких сотен раз, поэтому импеданс со стороны базы становится очень большим, что и требуется от рассматриваемой схемы.

Проделав аналогичные преобразования, найдем выходное сопротивление эмиттерного повторителя Rвых при использовании источника сигнала с внутренним сопротивлением Rист:

Rвых = Rист/(βст + 1).

Для точности расчётов в выходное сопротивление схемы можно включить и сопротивление параллельного включенного резистора R1, но Rвых в

данном случае играет определяющую роль.

Коэффициент усиления по напряжению для эмиттерного повторителя имеет значение чуть меньше единицы, так как падение напряжения на переходе база–эмиттер фактически не является постоянным, а в небольшой степени зависит от коллекторного тока.

В эмиттерном повторителе (как и в любом транзисторном усилителе, как будет показано далее) необходимо создать начальное смещение, чтобы транзистор оставался открытым в течение полной амплитуды входного сигнала. Проще всего воспользоваться для этого делителем напряжения (рис. 1.6, б). Резисторы R2 и R3 выбраны таким образом, чтобы в отсутствие входного

13

сигнала потенциал базы был равен половине напряжения питания, соответственно номиналы сопротивлений резисторов можно выбрать одинаковыми. Процесс выбора рабочих напряжений в схеме при отсутствии входного сигнала называется установкой рабочей точки в режиме покоя. Для эмиттерного повторителя, как и для большинства усилителей, рабочую точку устанавливают так, чтобы на выходе формировался максимально симметричный относительно нуля сигнал без искажений.

Какими должны быть при этом сопротивления резисторов R1 и R2? Необходимо задавать ток, протекающий через делитель напряжения, примерно в 10 раз больше, чем ток, протекающий в цепи базы.

Рассмотрим эмиттерный повторитель, нагрузкой для которого служит коллекторный резистор (рис. 1.7) при Rэ = 0.

Напряжение на коллекторе равно Uк = Uпит – Iк · Rк. Если через конденсатор подать сигнал в цепь базы, напряжение на коллекторе будет изменять-

ся, и получится схема усилителя с общим эмиттером (ОЭ).

Рассмотрим более подробно пример, представленный на рис. 1.7. Конденсатор С1 выбран так, что фильтр верхних частот, образованный этим конденсатором и последовательно соединенными с ним резисторами делителя в цепи базы, пропускает все частоты (номиналы сопротивления резисторов в цепи базы обычно выбирают так, чтобы входное сопротивление транзистора было гораздо больше, и ими можно было пренебречь. Обычно это десятки/сотни кОм).

Напряжение смещения, приложенное к базе транзистора при помощи делителя на резисторах R1 и R2, задаёт напряжение смещения на эмиттере (Uэ = Uб – 0,6В), резистор в цепи эмиттера Rэ в свою очередь определяет величину эмиттерного тока:

Iэ = Uэ/Rэ.

Поскольку эмиттерный и коллекторный ток приблизительно равны по значению (с учетом крайне малого тока базы), можно найти выходное напряжение, снимаемое с коллектора: оно численно равно разности между напряжением питания и падением напряжения на коллекторном сопротивлении.

14

шой коэффициент усиления по току βст). В итоге первоначальное изменение напряжения на базе вызывает изменение коллекторного напряжения:

15

Uк = – IкRк = – Uб ·(Rк/Rэ).

Учитывая, что входной сигнал подаётся на базу транзистора, а выходной снимается с коллектора, коэффициент усиления этой схемы будет равен:

Kу = Uвых/Uвх = Uк–э/Uб-э = –Rк/Rэ.

Описанная схема, в отличие от эмиттерного повторителя, обеспечивает усиление входного сигнала не только по току, но и по напряжению, обеспечивая максимальное усиление по мощности (из всех трех видов включения транзистора). Знак минус говорит о том, что схема с общим эмиттером инвертирует входной сигнал (обеспечивает сдвиг по фазе 180°). Схема, представленная на рис. 1.7, называется усилителем с общим эмиттером с последовательной отрицательной обратной связью в цепи эмиттера.

Теперь определим входное и выходное сопротивление такого усилителя. Для входного сигнала схема представляет собой параллельное соединение резисторов делителя напряжения и входного сопротивления со стороны базы. Последнее приблизительно соответствует сопротивлению Rэ, увеличенному в β раз. Если используется развязывающий конденсатор, на входе получаем фильтр верхних частот, позволяющий отсечь постоянную составляющую сигнала, поскольку здесь интересна только переменная составляющая.

Выходное сопротивление определяется как параллельное соединение сопротивления Rк и коллекторного сопротивления транзистора. Коллектор обладает очень большим сопротивлением (порядка единиц МОм), поэтому выходное сопротивление определяется сопротивлением резистора в цепи коллектора.

Усилительный каскад с общей базой (ОБ) – последняя из трёх ти-

повых схем построения электронных усилителей. В этой схеме входной усиливаемый сигнал подаётся на эмиттер, а выходной снимается с коллектора. Входное сопротивление каскада очень мало, а выходное наоборот велико. При усилении периодических сигналов фазы входного и выходного сигналов совпадают, т. е. сигнал не инвертируется в рабочей полосе частот данного транзистора.

На рис. 1.8 показана принципиальная схема каскада, выполненного по схеме включения транзистора с ОБ.

16

Отличительной особенностью схемы с общей базой является малое входное сопротивление. Входным сопротивлением этого усилительного каскада является собственное эмиттерное сопротивление транзистора, определяемое по формуле:

Rвх =rэ = ϕIT = 26IмВ.

э э

Выходное дифференциальное сопротивление коллектора существенно выше, чем у каскада с общим эмиттером, так как изменения напряжения на коллекторе при фиксированном напряжении на эмиттере относительно базы мало изменяют ток коллектора. Фактически полное выходное дифференциальное сопротивление каскада представляет собой в эквивалентной схеме параллельное соединение коллекторного резистора и дифференциального выходного коллекторного сопротивления транзистора. Так как дифференциальное выходное коллекторное сопротивление транзистора обычно многократно больше сопротивления коллекторного резистора, то выходное дифференциальное сопротивление каскада практически равно сопротивлению коллекторного резистора.

Схема с ОБ не обеспечивает усиления по току, ее коэффициент усиления по току немного меньше единицы из-за того, что ток базы не равен нулю, и его можно определить как отношение коллекторного и эмиттерного тока по формуле: