Усилитель с общим эмиттером |

В этой статье речь пойдёт об одном из трёх вариантов включения транзистора, при построении схемы усилителя. А именно схема с общим эмиттером (или стоком, если использовать полевой транзистор). Также описаны некоторые полезные закономерности,  о которых должен знать каждый образованный  радиолюбитель.  

Типичная схема усилителя с общим эмиттером:

Наиболее распространённая конфигурация усилителя на транзисторе – это схема с общим эмиттером (рисунок №1,2). «С общим эмиттером (ОЭ)» — это означает, что в данной схеме усилителя, заземлён эмиттер транзистора (рисунок №1 А,Б). Однако, это весьма расплывчатой утверждение. Вот на пример на схеме рисунок №2, между эмиттером и землёй, включено сопротивление R4, которое ещё и зашунтировано конденсатором С3 (если его активное сопротивление для сигнала очень мало, считают что  сигнал эмиттера практически заземлён).

Рисунок №1 – Схемы включения транзистора с общим эмиттером

 

Схема с общим эмиттером применяемая на практике:

Схема усилителя с ОЭ применяемая на практике изображена на рисунке №2.  В этом случае конденсатор С1 нужен для того что бы не пропускать постоянную составляющую входного сигнала. При этом С1 имеет малое реактивное сопротивление для переменной составляющей.

Рисунок №2 – Схема включения транзистора с общим эмиттером

Реактивная составляющая входного сигнала поступает на резистор R2, (это называется RС-связь).

Напряжение прямого смещения базы транзистора берётся с делителя (R1 – R2) подключённого к источнику питания схемы. Выходной сигнал образуется на резисторе R3 (резистор нагрузки) подключённом к коллектору. После через разделительный конденсатор С2 выходной сигнал поступает на следующий каскад. Причём входная и выходная цепь должна быть заземлена одним заземлением.

Коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ можно рассчитать соотношением:

β= ∂I_К/∂I_Б ≈∆ I_К/∆ I_Б    при    U_КЭ=const

Где β – коэффициент усиления тока базы

∆ I_Б – приращение тока базы

∆ I

К – соответствующее приращения тока коллектора при U_КЭ=const

Резистор R4 необходим что бы стабилизировать ток транзистора при изменении его температуры. R4 является частичным компенсатором температурного дрейфа тока.

P.S.: Я постарался наглядно показать и описать не хитрые советы. Надеюсь, что хоть что-то вам пригодятся. Но это далеко не всё что возможно выдумать, так что дерзайте, и штудируйте сайт https://bip-mip.com/  

Усилитель с общим эмиттером

Прежде чем использовать транзистор в качестве усилителя, на него нуж­но подать правильные напряжения смещения (задать режим работы по постоянному току), как показано на рис. 22.1(а) для

прп-транзистора. Два напряжения смещения — V_BE(обеспечивающее прямое смеще­ние эмиттерного перехода) и V_CB(обеспечивающее обратное смещение коллекторного перехода) — подаются от последовательно соединенных источников. Эти источники можно заменить делителем напряжения R₁ – R₂, как показано на рис. 22.l(б). Теперь можно обойтись одним источником питания постоянного тока с напряжением V_CC. Отношение сопротивлений резисторов R₁ и R₂ выбирается таким, чтобы на базе тран­зистора устанавливалось требуемое значение напряжения смещения.

Протекание тока покоя I

_s = V_CC / (R₁ – R₂) через цепь смещения R₁ – R₂ связано с потреблением дополнительной мощности от источни­ка питания. Для уменьшения тока покоя применяются высокоомные резисторы R₁ – R₂. Однако, как будет показано далее, очень большое сопротивление R₁ приводит к снижению стабильности транзистора по постоянному току.

Потенциал базы транзистора отсчитывается относительно провода с нулевым потенциалом или шасси (поэтому допустимо говорить «напряжение на базе») и, следовательно, равен падению напряжения на резисторе R₂.

 

Рис. 22.1. Базовое смещение npn-транзистора.

 

Рис. 22.2. Базовое смещение pnp-транзистора.

Потенциал базы

 Например, при V_СС = 10 В, R₁ = 15 кОм, R₂, = 1 кОм получаем

Изменяя номиналы резисторов

R₁ и R₂, можно изменять напряжение на базе.

Тот же самый способ смещения применяется и для рпр-транзистора (рис. 22.2). В этом случае используется источник питания с напряжением отрицательной полярности (—V_СС). Делитель напряжения R₁ – R₂ выполняет ту же функцию, что и в случае прп-транзистора. Тот факт, что питающее напряжение отрицательно, нужно обязательно принимать во внимание, но в расчетах можно не учитывать. Таким образом,

Напряжение на базе равно -0,625 В.

Для получения прямого смещения эмиттерного перехода потенции базы должен быть «выше» потенциала эмиттера, т. е. быть более положительным, чем эмиттер в                         

прп-транзисторе, и более отрицательным в рпр-транзисторе. Вообще, независимо от типа используемого транзистор потенциал базы всегда выше потенциала эмиттера, но ниже потенциал коллектора.

Как объяснялось в предыдущем разделе, величина тока, протекающего через транзистор, определяется напряжением прямого смещения эмиттерного перехода, т. е. разностью потенциалов базы и эмиттера V_BE= V_b – V_e. Изменение потенциалов базы или эмиттера приводит к изменению тока транзистора. В рассматриваемой транзисторной схемеэмиттер имеет потенциал шасси, следовательно, изменяться может толь­ко потенциал базы. 

Например, если потенциал базы V_b возрастает относительно потенциала эмиттера (становится более положительным для npn-транзистора или бо­лее отрицательным для pnp-транзистора), то разность потенциалов V_BE увеличивается, что приводит к увеличению тока транзистора. Уменьше­ние потенциала базы V_bотносительно потенциала эмиттера сопровожда­ется уменьшением величины V_BEи, следовательно, уменьшением тока транзистора.

Коллекторный (нагрузочный) резистор

Чтобы снять выходное напряжение с коллектора, в цепь коллектора включается нагрузочный резистор

R₃, называемый также коллекторным резистором (рис. 22.3). Коллекторный ток I_c, протекая через коллектор­ный резистор R₃, создает на нем падение напряжения. Следовательно,

Так как все напряжения измеряются относительно шасси или потенци­ала земли, то коллекторное напряжение V_CEесть разность потенциалов между коллектором и шасси. Как видно из схемы,

где V_CC — напряжение источника питания, следовательно, V_CE= V_CC – V_R3. Для типичных величин, указанных на схеме, получаем

  (приблизительно),

V_CE= V

CC – V_R3,= 10 – 4 = 6 В. 

Тепловой пробой

Как уже отмечалось, неосновные носители образуют так называемый ток утечки обратносмещенного перехода. Ток утечки I_CB0 (часто называе­мыйобратным коллекторным током) протекает через обратносмещенный коллекторный переход транзистора так, как показано на рис. 22.4. Этот ток усиливается точно так же, как входной (базовый) ток, с коэффици­ентомусиления β. При увеличении температуры транзистора ток утечки возрастает. Он усиливается транзистором и увеличивает коллекторный ток, что приводит к дальнейшему повышению температуры транзистора и, следовательно, тока утечки и т. д. Описанный процесс, называемый тепловым пробоем, носит лавинообразный характер, и если его оставив без контроля, может привести к разрушению транзистора.

                                                                      

Рис. 22.3. Нагрузочный резистор R₃.

Рис. 22.4. Ток утечки I_CB0.

Стабилизация рабочего режима по постоянному току

В усилителе с ОЭ наличие тока утечки коллекторного перехода приводит к нестабильности режима работы транзистора по постоянному току (статического режима). Эту нестабильность можно преодолеть, включи резистор

R₄ в эмиттерную цепь транзистора, как показано на рис. 22.5. Потенциал эмиттера в этом случае становится равным падению напряжения на резисторе R₄, которое создается при протекании эмиттерного тока I_e через этот резистор. Таким образом, V_e = I_e·R₄. Стабилизации режима по постоянному току осуществляется следующим образом.

Предположим, что из-за возрастания тока утечки увеличились токи I_c и I_e. Тогда вместе с ними увеличивается и потенциал эмиттера V_e. Поскольку V_BE= V_b— V_e, то увеличение V_e приводит к уменьшению V_BE. В результате уменьшается базовый ток, и величины токов I_c и I_e возвращаются к своим первоначальным значениям. С помощью эмиттерного резистора R₄ вводится отрицательная обратная связь, обеспечивающая стабилизацию статического режима усилителя. Используя типичные номиналы резисторов, указанные на рис. 22.5, и принимая ток эмиттера I_e = 1,2 мА, получаем

     

Рис. 22.5.  Стабилизация усили­теля с                                                                      Рис. 22.6

общим эмиттером на прп-транзисторе с

помощью резистора R₄ в цепи эмиттера.

В этом видео рассказывается о схеме включения транзистора с общим эмиттером:

Добавить комментарий

Усилительный каскад с общим эмиттером

Добавлено 5 октября 2017 в 00:20

Сохранить или поделиться

В начале этой главы мы увидели, как транзисторы, работая в режиме либо «насыщения», либо «отсечки», могут использоваться в качестве ключей. В последнем разделе мы увидели, как транзисторы ведут себя в своих «активных» режимах, между экстремальными режимами насыщения и отсечки. Поскольку транзисторы способны управлять током аналоговым (плавно изменяющимся) способом, они находят применение и в качестве усилителей для аналоговых сигналов.

Одна из наиболее простых для изучения схем транзисторного усилителя ранее показала коммутирующие способности транзистора (рисунок ниже).

NPN транзистор как простой ключ (на рисунке показаны направления движения потоков электронов)

Она называется схемой с общим эмиттером, потому что (игнорируя батарею источника питания) и у источника сигнала, и у нагрузки есть общая точка подключения к транзистору – эмиттера (как показано на рисунке ниже). И, как мы увидим в последующих разделах этой главы, это не единственный способ использования транзистора в качестве усилителя.

Каскад усилителя с общим эмиттером: у входного и выходного сигналов при подключении к транзистору есть общая точка – эмиттер

Ранее небольшой ток от солнечного элемента насыщал транзистор, зажигавший лампу. Теперь зная, что транзисторы способны «задавливать» ток коллектора в соответствии с величиной тока базы, подаваемого от источника входного сигнала, мы можем увидеть, что в этой схеме яркость лампы может контролироваться яркостью света, падающего на солнечный элемент. Когда на солнечный элемент попадает мало света, лампа будет светиться тускло. По мере того, как на солнечный элемент попадает больше света, яркость лампы будет возрастать.

Предположим, что нас заинтересовало использование солнечного элемента в качестве измерителя яркости света. Мы хотим измерить яркость падающего света с помощью солнечного элемента, используя его выходной ток для управления стрелкой индикатора. Для этого можно подключить индикатор к солнечному элементу напрямую (рисунок ниже). На самом деле простейшие измерители яркости в фотографии работают подобным же образом.

Свет большой яркости напрямую управляет индикатором

Хотя этот способ может работать и при измерении умеренной яркости света, при низкой яркости он работать уже не будет. Поскольку солнечный элемент должен обеспечивать потребности в энергии индикатора для движения стрелки, то эта система неизбежно будет ограничена по своей чувствительности. Предполагая, что нам необходимо измерять очень низкие яркости света, нужно найти другое решение.

Возможно, самым прямым решением этой проблемы является использование транзистора (рисунок ниже) для усиления тока солнечного элемента, чтобы можно было получить большее отклонение стрелки индикатора для более тусклого света.

Ток солнечного элемента при низкой яркости света должен быть усилен (на рисунке показаны направления движения потоков электронов)

Ток через индикатор в этой схеме будет в β раз больше тока через солнечный элемент. Для транзистора с β, равным 100, это дает существенное увеличение чувствительности измерений. Разумно отметить, что дополнительная мощность для перемещения стрелки индикатора исходит от батареи в правой части схемы, а не от самого солнечного элемента. Всё, что делает ток солнечного элемента, это управляет током батареи, чтобы обеспечить более высокие показания индикатора, чем мог бы обеспечить солнечный элемент без посторонней помощи.

Поскольку транзистор является устройством, регулирующим ток, и поскольку движение стрелки индикатора определяется током через катушку индикатора, показания измерителя должны зависеть только от тока солнечного элемента, а не от величины напряжения, обеспечиваемого аккумулятором. Это означает, что точность схемы не зависит от состояния аккумулятора, что является важной особенностью! Всё, что требуется от батареи, – это определенные минимальные выходные напряжения и ток, способные отклонить стрелку индикатора на всю шкалу.

Другим способом использования схемы с общим эмиттером является получение определяемого входным сигналом выходного напряжения, а не определенного значения выходного тока. Давайте заменим стрелочный индикатор на простой резистор и измерим напряжение между коллектором и эмиттером (рисунок ниже).

Благодаря току через резистор нагрузки усилитель с общем эмиттером выдает на выход напряжение

Когда солнечный элемент затемнен (нет тока), транзистор будет находиться в режиме отсечки, и будет вести себя как разомкнутый ключ между коллектором и эмиттером. Это приведет к максимальному падению напряжения между коллектором и эмиттером, что даст максимальное V_вых, равное полному напряжению батареи.

При полной мощности (максимальной освещенности) солнечный элемент будет приводить транзистор в режим насыщения, заставляя его вести себя как замкнутый ключ между коллектором и эмиттером. Результатом будет минимальное падение напряжение между коллектором и эмиттером, или почти нулевое выходное напряжение. На самом деле открытый транзистор никогда не сможет достичь нулевого падения напряжения между коллектором и эмиттером из-за двух PN-переходов, через которые должен проходить ток коллектора. Однако это «напряжение насыщения коллектор-эмиттер» будет довольно низким, примерно несколько десятых долей вольта, в зависимости от конкретного используемого транзистора.

При выходных сигналах солнечного элемента для уровней освещенности где-то между нулем и максимумом транзистор будет находиться в активном режиме, а выходное напряжение будет где-то между нулем и полным напряжением батареи. Важно отметить, что в схеме с общим эмиттером выходное напряжение инвертируется относительно входного сигнала. То есть по мере увеличения входного сигнала выходное напряжение уменьшается. По этой причине схема усилителя с общим эмиттером называется инвертирующим усилителем.

Быстрое моделирование схемы в SPICE (рисунок и список соединений ниже) проверит наши выводы об этой усилительной схеме.

Схема усилителя с общим эмиттером с номерами узлов в SPICE (список соединений приведен ниже)

*common-emitter amplifier 
i1 0 1 dc
q1 2 1 0 mod1
r 3 2 5000
v1 3 0 dc 15
.model mod1 npn
.dc i1 0 50u 2u
.plot dc v(2,0)
.end

Схема с общим эмиттером: зависимость выходного напряжения коллектора от входного тока базы

В начале моделирования (на рисунке выше), когда источник ток (солнечного элемента) выдает нулевой ток, транзистор находится в режиме отсечки, и выходное напряжение усилителя (между узлами 2 и 0) равно всем 15 вольтам напряжения батареи. По мере того, как ток солнечного элемента начинает увеличиваться, выходное напряжение пропорционально уменьшается, пока транзистор не достигнет насыщения при токе базы 30 мкА (ток коллектора 3 мА). Обратите внимание, как график выходного напряжения идеально линеен (шаги по 1 вольту от 15 вольт до 1 вольта) до точки насыщения, где он никогда не достигнет нуля. Этот эффект упоминался ранее, полностью открытый транзистор не может достичь точно нулевого падения напряжения между коллектором и эмиттером из-за наличия внутренних переходов. То, что мы видим, это резкое снижение выходного напряжения от 1 вольта до 0.2261 вольта при возрастании входного тока с 28 мкА до 30 мкА, а затем дальнейшее снижение выходного напряжения (хотя и со значительно меньшим шагом). Наименьшее выходное напряжение, полученное при этом моделировании, составляет 0.1299 вольта, почти равно нулю.

До сих пор мы видели, как транзистор, как усилитель сигналов постоянных напряжения и тока. В примере измерения освещенности с помощью солнечного элемента нам было интересно усилить выходной сигнал постоянного тока от солнечного элемента для управления стрелочным индикатором постоянного тока или получить на выходе постоянное напряжение. Однако это не единственный способ использования транзистора в качестве усилителя. Часто бывает, необходим усилитель переменного тока для усиления сигналов переменных тока и напряжения. Один из наиболее распространенных случаев – аудио электроника (радио, телевидение). Ранее мы видели пример аудио сигнала от камертона, активирующего транзисторный ключ (рисунок ниже). Посмотрим, можем ли мы изменить эту схему для передачи мощности не на лампу, а на динамик.

Транзисторный ключ, активируемый звуком (на рисунке показаны направления движения потоков электронов)

В исходной схеме двухполупериодный мостовой выпрямитель использовался для преобразования сигнала переменного напряжения от микрофона в постоянное напряжение для управления входом транзистора. Всё, что нам было нужно, это включить лампу с помощью звукового сигнала от микрофона, для этих целей такой схемы было достаточно. Но теперь мы хотим усилить сигнал переменного напряжения и подать его на динамик. Это означает, что мы больше не можем выпрямлять сигнал с выхода микрофона, поскольку для подачи на транзистор нам нужен неискаженный сигнал! Удалим из схемы мостовой выпрямитель и заменим лампу на динамик.

Усилитель с общим эмиттером подает на динамик сигнал звуковой частоты

Так как микрофон может генерировать напряжения, превышающие прямое падение напряжения на PN-переходе база-эмиттер, последовательно с микрофоном я поместил резистор. Давайте промоделируем схему на рисунке ниже с помощью SPICE. Список соединений приведен ниже.

SPICE модель аудио усилителя с общим эмиттером

common-emitter amplifier 
vinput 1 0 sin (0 1.5 2000 0 0)
r1 1 2 1k
q1 3 2 0 mod1
rspkr 3 4 8 
v1 4 0 dc 15
.model mod1 npn
.tran 0.02m 0.74m
.plot tran v(1,0) i(v1)
.end

На коллекторе сигнал обрезается из-за отсутствия на базе смещения постоянным напряжением

На графиках моделирования (рисунок выше) показаны как входное напряжение (сигнал переменного напряжения с амплитудой 1,5 вольта и частотой 2000 Гц), так и ток через батарею 15 вольт, который совпадает с током через динамик. Здесь мы видим полную синусоиду входного переменного напряжения (и с положительной, и с отрицательной полуволнами) и полуволны выходного тока только одной полярности. Если бы мы на самом деле подали этот сигнал на динамик, звук из него был бы сильно искажен.

Что не так с этой схемой? Почему она не будет точно воспроизводить полную форму переменного напряжения от микрофона? Ответ на этот вопрос можно найти путем тщательной проверки модели транзистора на основе диода и источника тока (рисунок ниже).

Модель показывает, что ток базы протекает только в одном направлении

Ток коллектора контролируется, или регулируется, в режиме стабилизации тока на постоянном значении в соответствии с величиной тока, протекающего через переход база-эмиттер. Обратите внимание, что оба пути протекания тока через транзистор являются однонаправленными: только одно направление! Несмотря на наше намерение использовать транзистор для усиления сигнала переменного тока, он, по сути, является устройством постоянного тока, которое способно работать с токами только одного направления. Мы можем подать входной сигнал переменного напряжения между базой и эмиттером, но электроны в этой схеме не смогут протекать во время того полупериода, когда переход база-эмиттер будет смещен в обратном направлении. Следовательно, транзистор будет оставаться в режиме отсечки на протяжении всей этой части периода. Он будет «включаться» в активный режим только в том случае, если входное напряжение имеет правильную полярность, чтобы смещать переход база-эмиттер в прямом направлении, и только тогда, когда это напряжение достаточно велико, чтобы превысить прямое падение напряжения перехода. Помните, что биполярные транзисторы являются устройствами, которые управляются током: они регулируют ток коллектора, основываясь на протекании тока от базы к эмиттеру, а не на наличии напряжения между базой и эмиттером.

Единственный способ, с помощью которого мы можем заставить транзистор выдавать в динамик сигнала без искажения его формы, заключается в том, чтобы удерживать транзистор в активном режиме всё время. Это значит, что мы должны поддерживать ток через базу в течение всего периода входного сигнала. Следовательно, PN-переход база-эмиттер должен постоянно быть смещен в прямом направлении. К счастью, это может быть достигнуто с помощью постоянного напряжения смещения, добавленного к входному сигналу. При подключении источника постоянного напряжения с достаточно большим уровнем последовательно с источником сигнала переменного напряжения прямое смещение может поддерживаться во всех точках синусоиды сигнала (рисунок ниже).

V_смещ удерживает транзистор в активном режиме

common-emitter amplifier 
vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0)
vbias 5 0 dc 2.3
r1 1 2 1k
q1 3 2 0 mod1
rspkr 3 4 8
v1 4 0 dc 15
.model mod1 npn
.tran 0.02m 0.78m
.plot tran v(1,0) i(v1)
.end

Благодаря V_смещ выходной ток I(v(1)) не искажается

При наличии источника напряжения смещения 2,3 вольта транзистор остается в активном режиме на протяжении всего периода синусоиды, верно воспроизводя форму сигнала на динамике (рисунок выше). Обратите внимание, что входное напряжение (измеренное между узлами 1 и 0) колеблется между примерно 0,8 вольта и 3,8 вольта, как и ожидалось, размах составляет 3 вольта (амплитуда напряжения источника равна 1,5 вольта). Выходной ток (протекает через динамик) изменяется от нуля до почти 300 мА и на 180° отличается по фазе от входного сигнала (с микрофона).

На рисунке ниже показан другой вид этой же схемы, на этот раз с несколькими осциллографами, подключенными к интересующим нас точкам для отображения соответствующих сигналов.

Вход базы смещен вверх. Выход инвертирован.

Важной частью является необходимость смещения в схеме транзисторного усилителя для получения полного воспроизведения формы сигнала. Отдельный раздел этой главы будет полностью посвящен объектам и способам смещения. На данный момент достаточно понять, что смещение может потребоваться для получения на выходе усилителя напряжения и тока правильной формы.

Теперь, когда у нас есть работающая схема усилителя, мы можем исследовать ее напряжение, ток и усиление. Типовой транзистор, используемый в этих исследованиях, имеет значение β = 100, о чем свидетельствует короткая распечатка параметров транзистора, приведенная ниже (этот список параметров для краткости был сокращен).

SPICE параметры биполярного транзистора:

type        npn   
is        1.00E-16
bf         100.000
nf           1.000
br           1.000
nr           1.000

β указан под аббревиатурой «bf«, что фактически означает «бета, прямое» ( “beta, forward”). Если бы мы захотели вставить для исследования наш собственный коэффициент β, мы могли бы сделать это в строке .model в списке соединений SPICE.

Так как β – это отношение тока коллектора к току базы, и у нас нагрузка соединена последовательно с коллектором транзистора, а наш источник соединен последовательно с базой, отношение выходного тока к входному току будет равно бета. Таким образом, усиление по току в этом примере усилителя составляет 100.

Усиление по напряжению посчитать немного сложнее, чем усиление по току. Как всегда, коэффициент усиления по напряжению определяется как отношение выходного напряжения к входному напряжению. Чтобы экспериментально определить его, мы изменим наш последний анализ SPICE для построения графика не выходного тока, а выходного напряжения, чтобы сравнить два графика напряжения (рисунок ниже).

common-emitter amplifier
vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0)
vbias 5 0 dc 2.3
r1 1 2 1k
q1 3 2 0 mod1
rspkr 3 4 8
v1 4 0 dc 15
.model mod1 npn
.tran 0.02m 0.78m
.plot tran v(1,0) v(3)
.end

Выходное напряжение V(1) на сопротивлении r_{динамик} для сравнения со входным сигналом

При построении в одном масштабе (от 0 до 4 вольт) мы видим, что выходной сигнал на рисунке выше имеет меньшую амплитуду, чем входной сигнал, и к тому же он находится на более высоком уровне смещения по сравнению с входным сигналом. Поскольку коэффициент усиления по напряжению для усилителя переменного тока определяется отношением амплитуд, мы можем игнорировать любую разницу в смещениях по постоянному напряжению между этими двумя сигналами. Несмотря на это, входной сигнал всё равно больше выходного, что говорит о том, что коэффициент усиления по напряжению меньше 1 (отрицательное значение в дБ).

Честно говоря, этот низкий коэффициент усиления по напряжению не характерен для всех усилителей с общим эмиттером. Это является следствием большого несоответствия между входным сопротивлением и сопротивлением нагрузки. Наше входное сопротивление (R1) здесь составляет 1000 Ом, а нагрузка (динамик) составляет только 8 Ом. Поскольку коэффициент усиления по току определяется исключительно β, и поскольку этот параметр β фиксирован, коэффициент усиления по току для этого усилителя не изменится с изменением любого из этих сопротивлений. Однако коэффициент усиления по напряжению зависит от этих сопротивлений. Если мы изменим сопротивление нагрузки, сделав его более большим, падение напряжения на нем пропорционально увеличится при тех же значениях токов, и мы увидим на графике сигнал с большей амплитудой. Давайте попробуем промоделировать схему снова, но на этот раз с нагрузкой 30 Ом (рисунок ниже).

common-emitter amplifier
vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0)
vbias 5 0 dc 2.3
r1 1 2 1k
q1 3 2 0 mod1
rspkr 3 4 30
v1 4 0 dc 15
.model mod1 npn
.tran 0.02m 0.78m
.plot tran v(1,0) v(3)
.end

Увеличение r_{динамик} до 30 Ом увеличивает выходное напряжение

На этот раз размах выходного напряжения значительно больше, чем у входного напряжения (рисунок выше). При внимательном рассмотрении мы видим, что размах выходного сигнала составляет примерно 9 вольт, примерно в 3 раза больше размаха входного сигнала.

Мы можем выполнить еще одни компьютерный анализ этой схемы, на этот раз поручая SPICE с точки зрения переменного напряжения, давая нам значения амплитуд входных и выходных напряжений, вместо осциллограмм (таблица ниже).

Список соединений SPICE для печати входных и выходных значений переменных напряжений.

common-emitter amplifier
vinput 1 5 ac 1.5
vbias 5 0 dc 2.3
r1 1 2 1k
q1 3 2 0 mod1   
rspkr 3 4 30    
v1 4 0 dc 15    
.model mod1 npn 
.ac lin 1 2000 2000     
.print ac v(1,0) v(4,3) 
.end    

freq          v(1)        v(4,3)      
2.000E+03     1.500E+00   4.418E+00

Измерения амплитуд сигналов на входе и на выходе показали 1,5 вольта на входе и 4,418 вольта на выходе. Это дает нам коэффициент усиления по напряжению 2,9453 (4,418 В / 1,5 В), или 9,3827 дБ.

\[A_V = { V_{вых} \over V_{вх}}\]

\[A_V = { 4,418 В \over 1,5 В}\]

\[A_V = 2,9453\]

\[A_{V(дБ)} = 20 \log A_{V(единицы)}\]

\[A_{V(дБ)} = 20 \log 2,9453\]

\[A_{V(дБ)} = 9,3827 дБ\]

Поскольку коэффициент усиления по току для усилительного каскада с общим эмиттером фиксирован и равен β, а входное и выходное напряжения будут равных входному и выходному токам, умноженным на соответствующие сопротивления, мы можем получить формулу для приближенного определения коэффициента усиления по напряжению:

\[A_V = \beta { R_{вых} \over R_{вх} }\]

\[A_V = (100) { 30 Ом \over 1000 Ом }\]

\[A_V = 3\]

\[A_{V(дБ)} = 20 \log A_{V(единицы)}\]

\[A_{V(дБ)} = 20 \log 3\]

\[A_{V(дБ)} = 9,5424 дБ\]

Как вы можете видеть, расчетный коэффициент усиления по напряжению довольно близок к результатам моделирования. При идеально линейном поведении транзисторов эти два набора значений будут точно равны. SPICE делает умную работу по учету многих «причуд» работы биполярного транзистора при их анализе, следовательно, присутствует и небольшое несоответствие между расчетными значениями и результатами моделирования.

Эти коэффициенты усиления по напряжению остаются неизменными независимо от того, где в схеме мы измеряем выходное напряжение: между коллектором и эмиттером или на резисторе нагрузки, как это было сделано при последнем анализе. Изменение значения выходного напряжения для любого заданного значения входного напряжения будет оставаться неизменным. В качестве доказательства этого утверждения рассмотрите два следующих анализа SPICE. Первое моделирование на рисунке ниже проведено во временной области, чтобы получить графики входного и выходного напряжений. Вы заметите, что эти два сигнала отличаются по фазе на 180°. Второе моделирование в таблице ниже представляет собой анализ по переменному напряжению, предоставляющий просто показания пиковых напряжений для входа и для выхода.

Список соединений SPICE для первого анализа:

common-emitter amplifier
vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0)
vbias 5 0 dc 2.3
r1 1 2 1k
q1 3 2 0 mod1
rspkr 3 4 30
v1 4 0 dc 15
.model mod1 npn
.tran 0.02m 0.74m
.plot tran v(1,0) v(3,0)
.end

Усилительный каскад с общим эмиттером с R_{динамик} усиливает сигнал по напряжению

Список соединений SPICE для анализа по переменному току:

common-emitter amplifier
vinput 1 5 ac 1.5       
vbias 5 0 dc 2.3
r1 1 2 1k       
q1 3 2 0 mod1   
rspkr 3 4 30    
v1 4 0 dc 15    
.model mod1 npn 
.ac lin 1 2000 2000     
.print ac v(1,0) v(3,0) 
.end    

freq          v(1)        v(3)
2.000E+03     1.500E+00   4.418E+00

У нас всё еще пиковое напряжение на выходе равно 4,418 вольт при пиковом напряжении на входе 1,5 вольта. Единственное отличие от данных последнего моделирования – это то, что в первом моделировании нам видна фаза выходного напряжения.

До сих пор в примерах схем, показанных в этом разделе, мы использовали только NPN транзисторы. PNP транзисторы также можно использовать в любом типе схемы усилительного каскада, если соблюдается правильность полярностей и направлений токов, и схема с общим эмиттером не является исключением. Инверсия и усиление выходного сигнала у усилителя на PNP транзисторе, аналогичны усилителю на NPN транзисторе, только полярности батарей будут противоположными (рисунок ниже).

PNP версия усилительного каскада с общим эмиттером

Подведем итоги:

• Усилительные транзисторные каскады с общим эмиттером носят такое название, потому что у входного и выходного напряжений есть общая точка подключения к транзистору — эмиттер (не учитывая каких-либо источников питания).
• Транзисторы – это, по сути, устройства постоянного тока: они не могут напрямую обрабатывать напряжения или токи, которые меняют своё направление. Чтобы заставить их работать для усиления сигналов переменного напряжения, входной сигнал должен быть смещен постоянным напряжением, чтобы удерживать транзистор в активном режиме на протяжении всего периода синусоиды сигнала. Это называется смещением.
• Если выходное напряжение в схеме усилителя с общим эмиттером измеряется между эмиттером и коллектором, оно будет на 180° отличаться по фазе от входного напряжения. Таким образом, усилитель с общим эмиттером называется схемой инвертирующего усилителя.
• Коэффициент усиления по току транзисторного усилителя с общим эмиттером с нагрузкой, подключенной последовательно с коллектором, равен β. Коэффициент усиления по напряжению транзисторного усилителя с общим эмиттером может быть приблизительно рассчитан по формуле:
  \[A_V = \beta { R_{вых} \over R_{вх} }\]
  где R_вых – это резистор, соединенный последовательно с коллектором; а R_вх – это резистор, соединенный последовательно с базой.

Оригинал статьи:

Теги

LTspiceSPICEБиполярный транзисторКаскад с общим эмиттеромКоэффициент усиления по напряжениюКоэффициент усиления по токуМоделированиеОбучениеСмещение транзистораЭлектроника

Сохранить или поделиться

3. Усилитель с общим эмиттером

3.1. Усилитель с общим заземленным эмиттером

Вариант схемы усилителя с общим эмиттером (ОЭ), которая называется усилителем с заземленным эмиттером, приведена на рис.3.1. Для анализа схемы с заземленным эмиттером приложим такое входное напряжение U_вх≈ 0.6 В, чтобы мог протекать коллекторный ток порядка миллиампер. Если входное напряжение повысить на величинуU_вх, то коллекторный ток увеличится наI_к. Поскольку выходные характеристики транзистора проходят почти горизонтально, в первом приближении можно сделать допущение, что ток коллектора зависит только от напряжения база-эмиттер ( U_бэ ) и не зависит от напряжения коллектор-эмиттер. Тогда увеличение тока коллектора составитI_к=SU_бэ. Т.к. ток коллектора протекает через сопротивление R_к, то падение напряжения на немтоже повышается и выходное напряжение U_выхизменяется на величину

U_вых=-I_кR_к ≈ — SR_кU_вх. Знак минус говорит о том, что положительное изменение сигнала на входе схемы дает отрицательное изменение выходного сигнала. Схема обеспечивает коэффициент усиления по напряжениюA=U_вых/U_вх ≈ -SR_к.

Из формулы видно, что коэффициент усиления пропорционален величине сопротивления резистора, включенного в цепь коллектора R_ки зависит от крутизны транзистора.

Найдем коэффициент усиления схемы исходя из более сложной модели транзистора. Для этого воспользуемся уравнениями транзистора в y- параметрах

(3.1)

.

Учитывая, что I_вых= 0,U_бэ=U_вх,U_кэ=U_вых,dU_вых= -dI_kR_kполучим

Отсюда найдем коэффициент усиления схемы

A=dU_вых/dU_вх = -SR_кr_кэ /(R_к+r_кэ) = -S(R_к ||r_кэ.)

Если R_к намного меньше r_кэ, то A ≈ SR_к, что совпадает с раннее полученным результатом. Учитывая, чтоS=I_k/U_тполучим

A= -I_kR_k/U_т.

Таким образом, коэффициент усиления по напряжению пропорционален падению напряжения на R_kи зависит от тока коллектора. Зависимость коэффициента усиления от коллекторного тока приводит к большим нелинейным искажениям.

Рассмотрим другой граничный случай, когда R_kнамного больше r_кэ. Этот случай трудно реализуем с помощью обычного омического сопротивления, поскольку падение напряжения наR_kдолжно быть большим. Однако вместо коллекторного сопротивления можно использовать источник тока с высоким динамическим сопротивлением и малым абсолютным падением напряжением на нем. Итак получаем максимальный коэффициент усиления равный

.

Этот коэффициент не зависит от тока коллектора, потому что S– прямо пропорциональна, аr_кэ– обратно пропорциональноI_k(S=I_k/U_т;r_кэ=U_Эрли/I_k).

.

Напряжение U_Эрли– порядка сотни вольт, аU_т= 25,5 мВ. Поэтому коэффициент усиления в этом случае может достигать величин нескольких тысяч.

Входное сопротивление.

Входное сопротивление усилителя вместе с выходным сопротивлением источника сигнала образуют делитель напряжения, который уменьшает полезный входной сигнал.

Входное сопротивление схемы представляет собой сопротивление r_бэи равно r_вх = r_бэ =U_т / I_к, где U_т— термический потенциал, равный 25.5 мВ, I_к— коллекторный ток транзистора.

Выходное сопротивление схемы.

Выходное сопротивление схемы с сопротивлением нагрузки образуют делитель напряжения, который уменьшает выходное напряжение, а следовательно и коэффициент усиления в R_н/ (r_вых +R_н) раз. Поэтому при проектировании схем необходимо учитывать выходное сопротивление усилителя. Выходное сопротивление определяется следующим образом:

r_вых= -dU_вых/dI_вых

при условии, что U_вх=const(dU_вх= 0). Выходное сопротивление найдем с помощью схемы, показанной на рис.3.1.

Для выходного узла схемы запишем уравнение для токов

I_к=I_R-I_выхили в приращенияхdI_к=dI_R-dI_вых.

dI_R= -dU_вых/R_к.

Знак минус указывает на то, что при увеличении тока через сопротивление R_квыходное напряжение уменьшается, т.е. выходное напряжение получает отрицательное приращение.

Отсюда dI_к= -dU_вых/R_к. -dI_вых. ПодставивdI_к в уравнение (1) получим

Учитывая, что dU_бэ=dU_вх= 0 найдем выходное сопротивление схемы

.

Усилитель с заземленным эмиттером обладает рядом недостатков, которые ограничивают его применение:

1) Входное сопротивление зависит от тока коллектора. При изменении входного сигнала изменяется ток коллектора, а значит и входное сопротивление. Если источник, питающий базу, обладает небольшим выходным сопротивлением, то получается переменный делитель напряжения, образованный источником сигнала и входным сопротивлением усилителя.

2) В усилителе с заземленным эмиттером трудно выполнить смещение, т.к. U_бэ зависит от температуры и изменяется на-2.1мВ на градус при неизменном токе коллектора. Изменение напряжения U_бэведет к тому, что коллекторный ток согласно уравнению Эберса-Молла будет увеличиваться в 10 раз при повышении температуры на 30 градусов. Такая нестабильность делает смещение неработоспособным, т.к. даже небольшие колебания температуры будут приводить усилитель в режим насыщения или отсечки.

3) Усилитель обладает большими нелинейными искажениями. Коэффициент усиления определяется выражением

A= U_вых/U_вх ≈ -SR_к= -I_кR_к/ U_т.

Из формулы видно, что коэффициент усиления зависит от коллекторного тока. Но коллекторный ток изменяется при изменении входного сигнала. В результате усилитель вносит большие искажения.