2. Підсилювальний каскад з загальним емітером

Рис. 3. Підсилювальний каскад з загальним емітером

У наведеній схемі опір R_к , джерело живлення E_к та транзистор VT (керований елемент) – три основні елементи для побудови підсилювача. Ці елементи утворюють головне коло підсилювального каскаду, в якому за рахунок протікання (керованого колом бази) колекторного струму створюється підсилена змінна напруга на виході схеми.

Всі решта елементи допоміжні. Зокрема, кондесатор С_р1 не дозволяє протікати постійному струму через джерело вхідного сигналу та забезпечує незалежність напруги U_бп від внутрішнього опору джерела сигналу в режимі cпокою. Конденсатор С_р2 пропускає лише змінну складову у коло навантаження. Резистори R₁ і R₂ слугують для задання режиму спокою в якості подільника напруги.

Резистор R_е здійснює стабілізацію режиму спокою у випадку зміни температури транзистора. Зауважимо, що під час підвищення температури різко зростає некерована складова колекторного струму І_ко. Конденсатор С_е шунтує резистор по змінній складові. Допустимо, що під впливом температури струм І_кп збільшився. Це призводить до збільшення І_еп і, відповідно, до збільшення U_еп= І_епR_е. Внаслідок цього напруга U_беп= U_бп - U_еп зменшиться і викличе зменшення струму І_кп.

3. Розрахунок підсилювача в режимі спокою

(розрахунок підсилювача на постійному струмі)

1. Спершу на вихідних характеристиках транзистора (рис. 4) будують лінію навантаження постійному струму – геометричне місце точок координат U_ке і І_к , які відповідають можливим значенням координат точки спокою.

Рис. 4. Вихідні характеристики транзистора та лінії навантаження постійному і змінному струму

Для вихідного кола підсилювача (рис.3) справедлива залежність

U_кеп=E_к - I_кпR_к - I_епR_е.

З врахуванням того, що у режимі спокою I_кп I_еп

U_кеп=E_к-I_кп(R_к+ R_е).

Отримане рівняння носить назву лінії навантаження постійному струму. Її будують за двома характерними точками. Якщо І_кп=0 (режим неробочого ходу), то U_кеп=E_к . Якщо ж U_кеп=0 (режим к.з.), то І_кп = Е_к/( R_к+ R_е)

2. На вхідній характеристиці транзистора (рис. 5) вибираємо точку, що відповідає І_бп (приблизно на середині лінійної ділянки характеристикивибраного типу транзистора). Проекція цієї точки на піввісь абцис визначає U_бeп.

Рис. 5. Вибір точки спокою на вхідній характеристиці

3. Точка перетину вихідної характеристики І_к=f(U_кe), що відповідає І_б=І_бп, з лінією навантаження постійному струму (рис. 5) визначає координати точки спокою Т_а (І_кп; U_кеп).

4. Розрахунок підсилювача на змінному струмі

Для визначення змінних складових струму і_к та напруги u_ке на виході каскаду використовують лінію навантаження змінному струму - геометричне місце точок координат u_ке і i_к , які відповідають можливим значенням координат динамічного режиму (за наявності вхідного сигналу).

Опір конденсатора С_е малий і тому R_e зашунтований (змінний струм не протікає через нього). Опір конденсатора С_р2 також малий і тому навантаження увімкнуто паралельно до R_к , оскільки опір змінному струму джерела живлення також близький до нуля. Отже, опір навантаження змінному струму

R_= R_н/ R_к .

(Зауважимо, що опір постійному струму R_=( R_е+ R_к).

За наявності вхідного сигналу напруги та струми транзистора представляють собою суми постійних і змінних складових, тому лінія навантаження змінному струму проходить через точку спокою. Її нахил буде більшим, оскільки R_  R_ . Лінію навантаження змінному струму будують за приростами U_ке і І_к, але так, щоб виконувалась умова

U_ке /І_к= R_н R_к/( R_н+R_к).

Під час подачі на вхід каскаду напруги u_вх у базовому колі транзистора створюється змінна складова струму і_б , яка пов’язана з напругою входу u_вх вхідною характеристикою. Оскільки струм колектора і_к пропорційно залежить від струму бази і_к=(1+)і_б , то у колекторному колі транзистора виникають змінні складові і_к та u_вих , які пов’язані між собою лінією навантаження змінного струму. Отже, лінія навантаження змінному струму характеризує зміну миттєвих значень струму колектора і_к і напруги u_ке .

Під час пересування робочої точки вверх важливо, щоб вона не переходила в область нелінійних початкових ділянок вихідних характеристик, а під час пересування вниз – в область початкових (теплових) струмів колектора І_ко.За виконання цих умов у вихідному сигналі не буде лінійних спотворень. Робота без спотворень вихідного сигналу досягається за рахунок відповідного значення вхідного сигналу та правильно вибраної точки спокою на вхідній характеристиці.

Для визначення показників підсилювача, а саме К_і , К_u , К_р , R_вх , R_вих транзистор у схемі зображають його заступною схемою у фізичних параметрах. Розрахунок ведеться в області середніх частот, для яких опори конденсаторів рівні нулю і в схемі не враховуються.

Рис. 6. Заступна схема підсилювального каскаду з загальним емітером

На змінному струмі опір джерела живлення рівний нулю, тому у заступній схемі опори R₁ і R₂ та R_к і R_н сполучені паралельно.

Вхідний опір каскаду

R_вх= (R₁ // R₂ )//r_вх , (1)

де r_вх – опір вхідного кола транзистора.

Для розрахунку r_вх визначимо напругу U_бе через струм бази І_б . (Тут і надалі ми оперуємо з дієвими значеннями змінних струмів та напруг). Оскільки внутрішній опір джерела струму і_б великий, а r_к(е)+R_к//R_н r_е, тому U_бе= І_бr_б +І_еr_е або ж U_бе= І_б r_б +(1+ )r_е . Розділивши ліву і праву частини на І_б, отримаємо опір вхідного кола транзистора

_rвх= r_б +(1+ )r_е . (2)

В практиці розрахунків приймають R₁ // R₂  (2…5)  r_вх . За таких умов

R_вх=1…3 кОм.

Коефіцієнт підсилення струму

К_і=І_н / І_вх . (3)

Слід виразити струм І_н через І_вх . Спершу визначаємо струм бази за коефіцієнтом токорозподілу між паралельними вітками (див. заступну схему рис. 6)

І_б=І_вх R_вх / r_вх . (4)

З врахуванням того, що опір r_е дуже малий, його не враховують, а вітку з r_е вважають закороченою. За такої умови струм джерела струму і_б розподіляється між трьома паралельними вітками R_к , R_н , r_к(е) . Зокрема у вітці R_н він визначається як

І_н=І_б і з врахуванням (4) отримаємо

І_н =І_вх  . (5)

Звідси визначаємо

К_і=  . (6)

Для орієнтовної оцінки К_і можна вважати R_вх  r_вх та r_к(е) R_к // R_н . Тоді

К_і  . (7)

Отже, К_і для схеми з загальним емітером досить великий. К_і  за умови R_к R_н .

Коефіцієнт підсилення напруги

К_u=U_вих/E_г

Вихідна напруга U_вих= U_н=І_н R_н , а E_г=І_вх(R_г+R_вх).

К_u= І_н R_н / І_вх(R_г+R_вх) = . (8)

Для орієнтовної оцінки з врахуванням (7) отримаємо

К_u   =  . (9)

Коефіцієнт підсилення напруги тим більший, чим більший опір вихідного кола по відношенню до вхідного і чим більший коефіцієнт . Для схеми з загальним емітером К_u=20…100.

Коефіцієнт підсилення потужності (К_р= К_u К_і) для схеми з загальним емітером К_р=(0,2…5)10³ .

Вихідний опір розраховують відносно його вихідних зажимів

R_вих= R_к // r_к(е)

Оскільки r_к(е) R_к , то приймають R_вих= R_к .