Каскад с общим эмиттером

Транзисторный каскад с общим эмиттером. Вниманию телезрителей предлагаю весьма полезный материал, по применению полупроводниковых транзисторов в электронных схемах. Это азбука транзисторной схемотехники. Более подробно аналогичные сведения можно глянуть в белорусском журнале Радиолюбитель, №№4..12 за 1994 год.

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. 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 rкКu=-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; - 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: - 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 -2.1мВ/С. Поэтому ток коллектора увеличивается в 10 раз при увеличении температуры Т на 30 градусов С. 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, тоRвх=h21э rэ=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 разных токах коллектора. Для маломощных транзисторов это 1-2 мА, для мощных - нескольких ампер. В режиме насыщения наблюдается резкое падение коллекторного тока независимо от тока базы, при этом коллекторный переход оказывается прямосмещённым.

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. 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 прямо пропорционально 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 применением отрицательной обратной связи по напряжению 3. Если взять исходное напряжение Uк равным 0.5Еп, то Rк=0.5Еп/Iк, сопротивление в цепи базы Rб=0.75Еп/Iб=0.5Еп h21э/Iк. 6.Пример коллекторной стабилизации с исключением влияния ООС по переменному току. Базовый резистор заменён Т-образным мостом, где С=Кu/F2pн pR1. Обычно R1 принимают равным R2. 7.Каскад с компенсационным смещением на согласованном транзисторе. Используется для усиления относительно слабых сигналов. Изменение температуры не влияет на работу схемы. Аналогичный каскад с трансформаторной связью на входе 8.

9.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. Цепь смещения при двухполярном питании. 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. 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. 7.Усилитель с комбинированной стабилизацией на составном транзисторе Шиклаи. Входное сопротивление каскада - около 200 кОм, коэффициент усиления Кu=K2/K3=10.

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. 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, I сmах - максимальный ток стока. 10.Каскад с повышенным благодаря следящей связи входным сопротивлением. 17.Малошумящий усилитель. Коэффициент усиления -10; полоса пропускания, Гц - 5...25000; номинальное входное напряжение -150мВ; максимальное входное напряжение - 700мВ; коэффициент шума - 80...85 дБ; коэффициент гармоник - <0.05%. 18.Усилитель с разветвлением сигналов на несколько каналов с помощью истоковых повторителей.

19.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. 20.Повышение эффективности динамической нагрузки с помощью токового зеркала. 21.Каскад с ОИ с динамической нагрузкой (Ку=500). 22.Усилитель с эмиттерным повторителем в качестве буферного каскада. 23.Малошумящий микшер для микрофона. 24.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. 25.НЧ - коррекция с помощью отражателя тока. 26.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.

27.Каскад со встречной динамической нагрузкой. При работе такого каскада на каскад с высоким входным сопротивлением коэффициент усиления может достигать 5000. 28.Мостовая схема для увеличения мощности в 4 раза. Для управления используются противофазные сигналы. 29.Выходной каскад усилителя мощности. Благодаря применению дополнительных транзисторов VT5, VT6 исключены сквозные токи. Автором цикла статей обозначен А.Петров. Продолжение следует. По материалам сети публикацию подготовил

               Евгений Бортник, Красноярск, Россия, март 2018