Усилительный каскад на биполярном транзисторе с общим эмиттером: Шпионские штучки, или Секреты тайной радиосвязи / Арсенал-Инфо.рф

Содержание

Шпионские штучки, или Секреты тайной радиосвязи / Арсенал-Инфо.рф

Принцип действия

В настоящее время в микрофонных усилителях в качестве усилительных каскадов низкочастотного сигнала широко используются обычные транзисторные усилители, в которых биполярный транзистор включен по схеме с общим эмиттером. Именно такие усилительные каскады, по сравнению со схемами с общей базой и с общим коллектором, обеспечивают наибольшее усиление по мощности.

Упрощенная принципиальная схема усилительного каскада, выполненного на биполярном транзисторе n-p-n проводимости, включенном по схеме с общим эмиттером, приведена на рис. 2.1а.

Рис. 2.1. Принципиальные схемы усилительного каскада на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером (а) и усилительного каскада на полевом транзисторе, включенном по схеме с общим истоком (б)

В данной схеме коэффициент усиления по току представляет собой отношение амплитуд (действующих значений) выходного и входного переменного тока, то есть переменных составляющих тока коллектора и тока базы транзистора.

Главным параметром, характеризующим транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, является статический коэффициент усиления по току (коэффициент передачи тока) для схемы с ОЭ, который обозначается как b. Этот параметр для того или иного типа биполярного транзистора при необходимости можно найти в любом справочнике.

В транзисторном усилительном каскаде, выполненном по схеме с общим эмиттером, между входным и выходным напряжениями имеется фазовый сдвиг, составляющий 180°. Наличие указанного фазового сдвига объясняется особенностями функционирования такого каскада. При поступлении на базу транзистора VТ1 положительной полуволны входного сигнала происходит увеличение напряжения на переходе база-эмиттер. В результате возрастает ток эмиттера, и, соответственно, ток коллектора транзистора. Увеличение тока коллектора приводит к увеличению падения напряжения на резисторе R1, который является коллекторной нагрузкой. Иными словами, на нагрузочном резисторе дополнительно к уже имеющемуся постоянному напряжению добавляется переменное напряжение с той же полярностью. При этом напряжение на коллекторе транзистора VТ1, соответственно, уменьшается. Таким образом, при подаче положительной полуволны переменного напряжения на вход транзисторного каскада по схеме с общим эмиттером на его выходе формируется отрицательная полуволна выходного напряжения.

Достоинством схемы с общим эмиттером, помимо наибольшего усиления по мощности, является удобство питания от одного источника, так как на базу и коллектор транзистора подаются питающие напряжения одного знака. К недостаткам данной схемы включения следует отнести сравнительно малое входное сопротивление транзистора, определяемое особенностями конструкции биполярных транзисторов. Помимо этого, схема с общим эмиттером имеет худшие, по сравнению, например, со схемой с общей базой, частотные и температурные характеристики. С повышением частоты усиление в схеме с общим эмиттером снижается в значительно большей степени, чем, в схеме с общей базой.

Усилительные каскады на биполярных транзисторах, включенных по схемам с общей базой и с общим коллектором, практически не применяются в микрофонных усилителях миниатюрных радиопередатчиков. Поэтому подробное рассмотрение особенностей функционирования таких каскадов выходит за рамки данной книги. Необходимую информацию заинтересованные читатели могут найти в специализированной литературе.

Тем не менее, схемы включения биполярного транзистора с общей базой и с общим коллектором широко используются в схемотехнических решениях активного элемента высокочастотных генераторов маломощных радиопередающих устройств, о которых будет рассказано в одной из следующих глав. Поэтому автор считает необходимым хотя бы весьма коротко отметить основные преимущества и недостатки таких схем включения.

Усилительный каскад, выполненный по схеме с общей базой, по сравнению со схемой с общим эмиттером, обеспечивает значительно меньшее усиление по мощности и имеет еще меньшее входное сопротивление. Однако его температурные и частотные свойства значительно лучше. Помимо этого в схеме с общей базой отсутствует фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами. Достоинством усилительного каскада по схеме с общей базой также является внесение значительно меньших искажений при усилении сигнала.

В усилительном каскаде, выполненном по схеме с общим коллектором, нагрузка включена в цепь эмиттера транзистора, а выходное напряжение снимается с эмиттера по отношению к шине корпуса. Именно поэтому такой каскад называют эмиттерным повторителем. Входное сопротивление каскада по схеме с общим коллектором в десятки раз выше, чем у каскада с общим эмиттером, а выходное сопротивление, наоборот, сравнительно мало. Помимо этого коэффициент усиления по току эмиттерного повторителя почти такой же, как и у каскада по схеме с общим эмиттером. Однако коэффициент усиления по напряжению близок к единице, причем всегда меньше ее. В схеме с общим коллектором отсутствует фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами.

Нередко в микрофонных усилителях миниатюрных радиопередатчиков применяются усилительные каскады на полевых транзисторах. Полевые транзисторы, в отличие от биполярных, имеют большое входное сопротивление, чем значительно облегчается решение задачи согласования каскадов. Обычно предпочтение отдается схемотехническим решениям, в которых полевой транзистор включен по схеме с общим истоком. Упрощенная принципиальная схема усилительного каскада, выполненного на полевом транзисторе с каналом n-типа, включенном по схеме с общим истоком, приведена на рис. 2.1б.

Принцип работы усилительного каскада на полевом транзисторе, включенном по схеме с общим истоком, заключается в следующем. С увеличением потенциала затвора ток в цепи стока и, соответственно, падение напряжения на резисторе R1 в цепи нагрузки возрастают. При этом напряжение между стоком и истоком уменьшается. В результате переменное напряжение между стоком и истоком оказывается сдвинутым по фазе на 180° относительно переменного напряжения между затвором и истоком.

Для оценки работы усилительного каскада на полевом транзисторе обычно используют такие характеристики, как коэффициент усиления по напряжению и выходное сопротивление каскада. Необходимо отметить, что значения входной, проходной и выходной емкостей полевого транзистора весьма малы и обычно не превышают нескольких пикофарад. Поэтому их влиянием на работу низкочастотного усилительного каскада можно пренебречь.

Принцип действия усилительного каскада, выполненного на биполярном транзисторе n-p-n проводимости, включенном по схеме с общим эмиттером, рассмотрим на примере простейшего микрофонного усилителя, принципиальная схема которого приведена на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Принципиальная схема простейшего микрофонного усилителя на n-p-n-транзисторе

В рассматриваемой схеме сигнал, сформированный на выходе микрофона BM1, через разделительный конденсатор С1 поступает на базу транзистора VТ1, включенного по классической схеме с общим эмиттером. Конденсатор С1 обеспечивает развязку входной цепи усилителя и выходной цепи источника сигнала (микрофон BM1) по постоянному току. При отсутствии этого конденсатора сопротивление резистора R3 совместно с малым сопротивлением перехода база-эмиттер транзистора VТ1 шунтирует выход источника сигнала. Помимо этого выходное сопротивление микрофона оказало бы неприемлемое влияние на положение рабочей точки транзистора VТ1, изменив режим его работы. Аналогичные функции выполняет разделительный конденсатор С2, обеспечивая развязку по постоянному току выходной цепи микрофонного усилителя и входных цепей подключаемых к его выходу каскадов. Через резистор R1 на соответствующий вывод электретного микрофона BM1 подается напряжение, необходимое для штатного функционирования микрофона.

При отсутствии входного сигнала на базе транзистора VТ1, включенного по схеме с общим эмиттером, присутствует напряжение смещения, формируемое делителем R2, R3 из напряжения питания. Наличие напряжения смещения обеспечивает протекание тока между коллектором и эмиттером транзистора. Величина этого тока, который обычно называют коллекторным током, зависит от соотношения величин сопротивлений резисторов R2 и R3. Изменение этого соотношения приводит к смещению рабочей точки на характеристике транзистора VТ1 и, соответственно, к изменению его режима работы.

При поступлении сигнала на базу транзистора VТ1 происходит изменение тока базы, что вызывает соответствующее изменение величины коллекторного тока. В результате по аналогичному закону происходит изменение разности потенциалов на резисторе R4, выполняющем функцию нагрузочного резистора в цепи коллектора транзистора VТ1. Как уже отмечалось, при возрастании напряжения на базе транзистора VТ1 происходит падение напряжения на его коллекторе, и, наоборот, при падении напряжения на базе, напряжение на коллекторе увеличивается. Таким образом, выходное напряжение однокаскадного транзисторного усилителя будет находиться в противофазе входному напряжению.

Как работает усилительный каскад на транзисторе, начинающим

Что такое транзисторный усилительный каскад и как он работает, примеры схем усилительных каскадов на транзисторе. В любой аналоговой электронной технике применяются усилительные каскады на транзисторах, как самостоятельные, так и в составе микросхем. И так, из школьного курса физики, мы знаем что биполярные транзисторы бывают структур P-N-P и N-P-N.

Вдаваться в подробности строения кристалла мы здесь не будем. Лучше разберемся что это нам дает. Так вот, питание биполярного транзистора P-N-P подается плюсом на его эмиттер, а минусом на его коллектор. И некоторое отрицательное, относительно эмиттера, напряжение смещения подается на его базу.

А вот питание биполярного транзистора N-P-N, совсем наоборот, — подается минусом на его эмиттер, а плюсом на его коллектор, и некоторое положительные, относительно эмиттера, напряжение смещение на его базу. Здесь будем рассматривать усилительные каскады на транзисторах структуры N-P-N.

Потому что такие каскады сейчас наиболее распространены, — почти вся современная аппаратура имеет общий минус, а питается положительным напряжением относительно общего минуса. Все что здесь будет сказано в отношении транзистора N-P-N применимо и к транзистору P-N-P, только все напряжения будут в обратной полярности.

Простейшие схемы усилительных каскадов на транзисторах

На рисунках 1 и 2 показаны простейшие схемы резистивных усилительных каскадов на транзисторах, включенных по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Схема с общим эмиттером позволяет усиливать как ток, так и напряжение сигнала.

Рис. 1. Простейшая схема резистивного усилительного каскада на транзисторе с общим эмиттером (ОЭ).

Рис. 2. Еще одна схема резистивного усилительного каскада на транзисторе с общим эмиттером (ОЭ).

Есть два основных способа подачи напряжения смещения на базу транзистора в схеме с ОЭ. В схеме на рисунке 1 напряжение на базу подается через резистор R6, при этом само напряжение на базе зависит от делителя, состоящего из R6 и внутреннего сопротивления база-эмиттер транзистора.

В такой схеме для получения нужного напряжения смещения R6 имеет обычно большое сопротивление. Такой тип смещения называют смещением, фиксированным током базы.

На рисунке 2 напряжение базового смещения создается делителем из резисторов Rб1 и Rб2. В такой схеме сопротивление базовых резисторов может быть значительно меньше.

Это интересно тем, что изменение сопротивления эмиттер-база под действием изменения температуры в меньшей степени влияет на напряжение на базе транзистора. Такой каскад более термостабилен.

Кроме того меньше влияния на рабочую точку транзистора изменений в кристалле транзистора от старения, или при замене неисправного транзистора другим. Такой тип смещения называется фиксированным напряжением база-эмиттер.

Недостаток схемы на рис.2 в том, что входное сопротивление такого каскада значительно ниже, чем в схеме по рис.1. Но это важно, только если нужно большое входное сопротивление.

Разные экземпляры даже однотипных транзисторов могут существенно отличаться своими статическими параметрами, кроме того, есть и зависимость от температуры, поэтому желательно чтобы в усилительном каскаде была стабилизация режима работы транзистора.

Проще всего это сделать введением в каскад отрицательной обратной связи (ООС) по постоянному току, так, чтобы изменения входного тока или напряжения, к которым приводит работа ООС, противодействовали влиянию дестабилизирующих факторов.

Коллекторная стабилизация режима работы транзистора

На рисунке 3 показана схема коллекторной стабилизации режима работы транзистора. Обратите внимание, — каскад очень похож на схему на рис.1, но базовый резистор R6 подключен не к плюсу источника питания (+Uп), а к коллектору транзистора. Теперь получается, что напряжение смещения на базе транзистора зависит от напряжения на его коллекторе.

Которое, в свою очередь, зависит от напряжения на базе. И если по какой-то причине напряжение на коллекторе изменится, то и напряжение на базе изменится таким образом, что необходимая рабочая точка каскада будет восстановлена.

Рис. 3. Схема коллекторной стабилизации режима работы транзистора.

Эмиттерная стабилизация режима работы транзистора

Более высокой стабильности можно достигнуть применив эмиттерную стабилизацию режима работы транзистора (рис.4). Здесь стабильность повышается при увеличении сопротивления Rэ и уменьшении сопротивлений Rб1 и Rб2.

Однако и слишком большим сопротивление Rэ выбирать не следует, потому что при этом напряжение коллектор-эмиттер может оказаться слишком малым.

Не стоит увлекаться и сильным уменьшением сопротивлений R61 и R62, потому что при очень малых их величинах не только увеличивается ток потребления, но и, что гораздо важнее, очень сильно снижается входное сопротивление.

Рис. 4. Эмиттерная стабилизация режима работы транзистора.

Чтобы снизить влияние ООС на переменный ток вводится конденсатор Сэ. Как известно, конденсатор имеет реактивное сопротивление, и постоянный ток через него не проходит, но проходит переменный. В результате переменный ток «обтекает» резистор Rэ через реактивное сопротивление Сэ.

И результирующее сопротивление в цепи эмиттера по переменному току оказывается значительно ниже, чем по постоянному. Поэтому ООС по переменному току значительно меньше, чем по постоянному.

Каскад с общим коллектором

Схема каскада с общим коллектором (рис.5.) обеспечивает усиление входного сигнала только по току.

Такие каскады называются эмиттерными повторителями, потому что по напряжению они не усиливают сигнал, а только повторяют его (было на входе 0,5V, и на выходе тоже будет 0,5V).

Но сила тока на выходе через нагрузку будет больше.

Они применяются тогда, когда нужно получить большое входное сопротивление. Отличие каскада с ОК (общим коллектором) от каскада ОЭ (общим эмиттером) в том, что в схеме с ОК выходной сигнал снимается с эмиттера. При этом сигнал не усиливается по напряжению и не инвертируется.

Рис. 5. Схема каскада с общим коллектором.

В схеме же с ОЭ сигнал инвертируется. Это демонстрируется на рисунках изображениями синусоид у входа и выхода каскадов. В схеме с ОЭ выходная синусоида противофазна входной. В схеме с ОК — они синфазны.

РК-02-18.

Усилительные каскады на биполярных транзисторах — Студопедия

Усилительный каскад с общим эмиттером. Одним из наиболее распространенных усилительных каскадов на биполярных транзисторах является каскад с общим эмиттером (каскад ОЭ). В этом каскаде эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей, а резистор Rк (рис. 5.3), с помощью которого создается выходное напряжение, включается в коллекторную цепь транзистора.

Принцип работы. На коллекторе n-p-n транзистора относительно эмиттера через резистор Rк подают положительное напряжение источника питания (Uпит). Участок эмиттер – коллектор, резистор Rк и источника питания образует коллекторную цепь усилителя. Резистор Rк в этой цепи выполняет функцию нагрузки, на которой выделяется напряжение сигнала усиленного транзистором. На базу транзистора через резистор Rб подается положительное напряжение источника питания, называемое начальным напряжением смещения. При этом цепи база-эмиттер транзистора возникает ток (поскольку p-n включается в прямом направлении). Значение данного тока определяется напряжением источника питания и суммарным сопротивлением базового резистора и эмиттерного p-n перехода


, (5.3)

Подбором резистора Rб на базе устанавливают такое напряжение смещения Uбаза-эмиттер при котором на коллекторе транзистора относительно эмиттера будет примерно половина напряжения источника питания. При этом транзистор открывается и в его коллекторной цепи возникает ток коллектора Iк, который во много раз больше тока в базовой цепи.

Для германиевых транзисторов, работающих в режиме усиления, начальное напряжение смещения обычно составляет 0,1-0,2 В, а для кремниевых 0,6-0,7 В.

Без начального напряжения смещения на базе транзистор будет искажать усиливаемый сигнал. Пока сигнала на входе усилителя нет, на базе транзистора действует только напряжение смещения, открывающее транзистор. В это время в коллекторной цепи течет ток покоя Iп.

Напряжение, действующее между коллектором и эмиттером (Uкэ), оказывается меньше чем напряжение источника питания. Назначение напряжения, выделяющегося на Rк

(5.4)

Сигнал Uвх, который надо усилить, подают на вход усилителя через связующий конденсатор Ссв, а усиленный сигнал снимают с резистора Rк. С появление на входе усилителя сигнала Uвх напряжение на базе транзистора начинает изменяться, а именно, при положительных полупериодах входного сигнала оно становится более положительным, а при отрицательных — менее положительным. В результате соответственно изменяется и ток базы, текущий через эмиттерный переход транзистора, а также в значительной степени изменяется и ток в коллекторной цепи.

При этом на нагрузочном резисторе Rк выделяется переменное напряжение, которое во много раз больше входного напряжения входного сигнала. Напряжение Uкэ в этом случае будет в противофазе с входным напряжением и коллекторным током.


Данное напряжение через разделительный конденсатор Сраз, пропускающий только переменную составляющую, может быть подано на вход следующего каскада усиления.

Точно так же работает и усилитель на транзисторе p-n-p-типа, но в этом случае полярность напряжения источника питания должна быть обратной.

Усилительный каскад с общим коллектором. Схема усилительного каскада с общим коллектором (каскад ОК) приведена на рис. 5.11. В этом каскаде основной резистор, с которого снимается выходное напряжение, включен в эмиттерную цепь, а коллектор по переменной составляющей тока и напряжения соединен непосредственно с общей точкой усилителя, так как падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника коллекторного напряжения от переменной составляющей тока незначительно. Таким образом, можно считать, что входное напряжение подается между базой и коллектором через конденсатор С, а выходное напряжение, равное падению напряжения на резисторе Rэ от переменной составляющей эмиттерного тока, снимается между эмиттером и коллектором через конденсатор связи Сс.

В режиме покоя, т. е. при Uвх=0, резистор Rб создает начальный ток смещения в цепи базы. Его значение выбирают таким, чтобы рабочая точка в режиме покоя находилась примерно посередине линейного участка входной характеристики. При наличии переменного входного напряжения Uвх появляется переменная составляющая эмиттерного тока Iэ, которая создает на резисторе Rэ выходное напряжение Uвых=RэIэ.


Эмиттерный повторитель обычно применяют для согласования высокоомного источника усиливаемого напряжения с низкоомным нагрузочным устройством. В усилительных каскадах с общим коллектором температурная стабилизация обеспечивается основным резистором Rэ, включенным в эмиттерную цепь.

Усилительный каскад с общей базой. Схема усилительного каскада с общей базой (каскад ОБ) приведена на рис. 5.13. В этом каскаде для создания оптимального тока базы в режиме покоя Iб0, обеспечивающего работу усилительного каскада на линейном участке входной характеристики, служат резисторы б и R¢¢б. Конденсатор Сб имеет на частоте усиливаемого сигнала сопротивление, много меньшее Rб, и падение напряжения на нем от переменной составляющей тока мало, поэтому можно считать, что по переменной составляющей тока база соединена с общей точкой усилительного каскада. Входное напряжение подается между эмиттером и базой, а выходное напряжение снимается между коллектором и базой через конденсатор связи Сс.

Усилительный каскад с общей базой имеет примерно такой же коэффициент усиления по напряжению, как и в каскаде с общим эмиттером, но коэффициент усиления по току у него меньше единицы, так как выходным является коллекторный ток, а входным — эмиттерный ток, который несколько больше коллекторного тока. Таким образом, коэффициент усиления по мощности Кр=KUKI каскадов с общей базой значительно меньше, чем каскадов с общим эмиттером. Другие недостатки усилительных каскадов с общей базой — малое входное и сравнительно большое выходное сопротивления. Вследствие этого усилительный каскад с общей базой применяют очень редко.

Усилительные каскады на биполярных транзисторах

При использовании транзистора в усилительном режиме на выходе усилителя мощность электрических сигналов значительно пре­вышает мощность входного сигнала за счет передачи в нагрузку энергии источника питания. Существуют три типа усилительных каскадов на транзисторах: с общим эмиттером, с общим коллектором, с общей базой. Наибольшее распространение получили усилительные каскады с общим эмиттером (коллекторной нагрузкой), так как они обеспечивают большое усиление по напряжению, току и мощности (рис.15).

Рис. 15

Выбор биполярного транзистора проводится по ряду требова­ний, предъявляемых к усилителю. К числу этих требований относят­ся: мощность, отдаваемая в нагрузку, коэффициент усиления, час­тота усиливаемых сигналов f. Для нормальной работы усилителя необходим транзистор, для которого выполняются соотношения: fгр>f,, Рк max. Выбор питающего напряжения Ек прово­дится из условия Ек < Uкэ max. Дальнейший расчет сводится к опре­делению параметров элементов Rк, Rб, Свх, Свых.

Для выходной (коллекторной) цепи можно записать уравнение по 2-му закону Кирхгофа:

, (2)

откуда выражение описывает ВАХ коллекторного резистораRк (линию нагрузки). Линяя нагрузки строится по двум точ­кам В и С (рис.14): при Uкэ = 0 на оси ординат наносится точка В (Iк = Ек /Rк), при Iк=0 на оси абсцисс наносится точка С (Uкэ = Ек). Точка пересечения линии нагрузки с коллекторными характеристиками дает графическое решение уравнения (2) и позволяет построить динамическую переходную характеристику Iк = f(Iб). В качест­ве динамической входной характеристики используется одна из ста­тических характеристик Iб = f(Uбэ), так как их семейство практи­чески сливается в одну линию.

Выбор Rк проводится таким образом, чтобы линия нагрузки не выходила за пределы рабочей области транзистора и в то же время обеспечивалась линейность динамической переходной харак­теристики. Так при малых Rк должно выполняться условие , а при больших недопустима малая крутизна переход­ной характеристики.

Резистор Rб, включенный в цепь базы, задает рабочую точку А транзистора. В соответствии со вторым законом Кирхгофа для входной цепи резисторRб позволяет выбрать такое значение , при котором рабочая точка А находится посередине линейного участка переходной характеристики. Рабочей точке соответствуют постоянные токи и напряженияIб0, Uбэ0, Iк0, Uкэ0 (рис. 14).

Конденсаторы Свх, Свых предназначены для разделения переменных усиливаемых сигналов Uвx, Uвых и постоянных напряжений Uбэ0, Uкэ0. Эти напряжения не должны поступать на источник входного сигнала (e, rвн) и нагрузку (Rн), чтобы не оказывать влияния на их ра­боту. Выбор емкости С конденсатора проводится таким образом, чтобы для входных сигналов минимальной частоты fmin сопротив­ление конденсатора было равно 0.

При подаче на вход усилительного каскада переменного напря­жения Uвх возникает переменный ток базы iб, который в соответ­ствии с переходной характеристикой приводит к возникновению пе­ременного тока коллектора iк. Ток коллектора создает на резисторе Rк падение напряжения, которое является выходным. Важнейшая характеристика усилительного каскада – коэффициент усиления по напряжению КU=Uвых/Uвх. Так как предел измерения выходного напряжения порядка единиц вольт, а входное напряжение измеряется в милливольтах (рис. 14), то коэффициент усиления может достигать сотен единиц.

При больших входных напряжениях переменные составляющие токов выходят за предел линейных участков переходной и динамической входной характеристик, в результате чего форма выходного напряжения претерпевает значительные искажения. Эти искажения, обусловленные нелинейностью указанных характеристик, называются нелинейными. Для оценки допустимого диапазона изменения вход­ных напряжений используют амплитудную характеристику, представляющую собой зависимость выходного напряжения от входного (рис.16). Линейный участок амплитудной характеристики позволяет определять диапазон входных напряжений, при которых отсутствуют нелинейные искажения.

Рис. 16

При работе усилительного каскада в линейном режиме основные параметры могут быть найдены аналитически из эквивалентной схемы каскада с ОЭ (рис.17).

Рис. 17

Так как Rб>>h11, то входное сопротивление усилительного каскада равно:

.

Выходное сопротивление равно:

.

При Рн= ∞ в режиме холостого хода (XX) коэффициент усиления по напряжению КUхх= h21Rк/h11.

При работе на нагрузку Rн коэффициент усиления равен:

КU=RнКUхх /(Rвых+Rн).

Коэффициент усиления по току каскада:

.

Коэффициент усиления по мощности КР= КU KI.

Существенным недостатком транзисторов является зависимость их параметров от температуры. При повышении температуры увеличивается коллекторный ток за счет возрастания числа неосновных носителей заряда в полупроводнике. Это приводит к изменению кол­лекторной характеристики транзистора и смещению рабочей точки. В некоторых случаях повышение температуры может вывести рабочую точку за пределы линейного участка переходной характеристики и нормальная работа усилителя нарушается. Для уменьшения влияния температуры в цепь эмиттера включают резистор Rэ, шунтированный конденсатором (рис.18).

Для создания начального напряжения смещения Uбэ0 используют делитель на резисторах Rб1, Rб2. Для напряжения Uбэ0 можно записать выражение:

.

Рис. 18

Повышение температуры приводит к повышению Iэ, увеличению RэIэ. Это вызывает уменьшение Uбэ0, снижает Iб0, и в соответствии с переходной характеристикой приводит к уменьшению Iк0. Как видим, в данной схеме при изменении температуры ток коллектора автоматически поддерживается постоянным.

Однако введение резистора Rэ в схему поменяет работу уси­лительного каскада и при наличии входного напряжения. Переменная составляющая эмиттерного тока Iэ создает на резисторе Rэ па­дение напряжения, которое уменьшает входное усиливаемое напряжение, непосредственно подводимое к транзистору Uбэ = UвхRэiэ.

Коэффициент усиления каскада при этом будет уменьшаться. Для ослабления этого явления включают конденсатор Сэ. Емкость кон­денсатора выбирают таким образом, чтобы для всех частот усили­ваемого напряжения его сопротивление было много меньше Rэ. При этом падение напряжения на участке Cэ//Rэ от переменной составляющей iэ будет незначительным и усиливаемое напряжение будет практически равно входному напряжению UбэUвх.

Широкое применение находят усилительные каскады с общим коллектором (рис.19).

В схеме при отсутствии входного напряжения проходят токи: в цепи базы – Iб0, который задается делителем напряжения Rб1, Rб2; в цепи эмиттера – Iэ0, который создает на Rэ падение напряжения Iэ0Rэ. При подаче входного напряжения uвх напряжение на резисторе Rэ равно: .

Переменное напряжение iэRэ = Uвых подается через конденсатор связи на выход усилителя. Так как UвхUвых, то каскад называют эмиттерным повторителем.

; КU1;

Rвх = h11/(1-KU) – очень велико и достигает сотен кОм;

Rвыхh11/(1+ h21) – очень мало и составляет десятки Ом.

Рис. 19

Эмиттерный повторитель применяется для согласования высокоомного источника усиливаемого напряжения с низкоомным сопротивлением нагрузки.

Усилительный каскад с ОБ находит меньшее применение вследствие малого входного и большого выходного сопротивлений и от­сутствия усиления по току. Он применяется на высоких частотах.

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 Vвых, 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).

Vсмещ 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 Vсмещ 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 rдинамик 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 rдинамик 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 Rдинамик 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 Rвых – это резистор, соединенный последовательно с коллектором; а Rвх – это резистор, соединенный последовательно с базой.

Оригинал статьи:

Теги

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

Сохранить или поделиться

Исследование усилительного каскада на биполярном транзисторе

Кадетский корпус (школа IT-технологий) ФГКВОУ Высшего
профессионального образования «Военная академия связи имени
Маршала Советского Союза С.М.Буденного» Министерства обороны
Российской Федерации.
Проектно-исследовательская работа
«Исследование усилительного каскада на
биполярном транзисторе»
Выполнили кадеты:
Авдохин Илья Владиславович,
Пудов Александр Сергеевич,
Рузанов Вячеслав Федорович
Руководители:
преподаватель кафедры Киселев Олег Николаевич
учитель физики Печенкина Елена Владимировна
Актуальность: в подавляющем большинстве устройств
связи используются усилители различных типов.
Проблема: при передаче сигнала, помимо усиления в
него вносятся искажения.
Гипотеза: мы предположили, что искажение в сигнал
вносятся работой усилителя.
Предмет исследования: усилительный каскад.
Объект исследования: сигнал.
Цель работы: изучение основных параметров работы
усилителя на биполярном транзисторе и сравнение их с
идеальной моделью. Изучение процесса прохождения сигнала
через биполярный транзистор с усилительным каскадом.
Задачи:
1) изучить литературу, соответствующую поставленной цели данной работы;
2) исследовать характеристики передаваемого сигнала;
3) Построить математическую модель передаваемого сигнала.
4)Исследовать зависимость усиления от различных значений входного сигнала
5) сделать вывод по результатам проведенных исследований.
Методы исследования:
Поисковый — сбор информации из научной литературы и интернета.
Исследовательский – снятие характеристик усилительного каскада на
биполярном транзисторе с помощью модулей.
Транзистор.
Радиоэлектронный элемент из полупроводникового
материала, позволяющий входным сигналом управлять током
в электрической цепи
Условное обозначение транзистора

5. Усилительный каскад с общим эмиттером.

Одним из наиболее распространенных усилительных
каскадов на биполярных транзисторах является каскад с
общим эмиттером .
Программная оболочка Multisim
и ее достоинства
4
Multisim – это уникальная возможность разработки схемы и ее
тестирование/эмуляции.
1) адаптивная настройка пользовательского интерфейса;
2) наличие реальных и виртуальных компонентов;
3) наличие большой базы данных компонентов и удобное управление
ими;
4) представление в виде электронной таблицы позволяет
одновременно измерять характеристики любого количества элементов: от
печатной платы до конкретной модели;
5) наличие безрежимного редактирования, как наиболее эффективного
способа размещения и соединения компонентов;
6) возможность подключения к схеме виртуальных приборов;
7) наличие и возможность подключения специальных компонентов под
названием «интерактивные элементы»;
8) использование более 15 различных функций при проведение
сложного анализа;
9) возможность получения нескольких отчетов по схеме.
Исследование усилительного каскада на биполярном
транзисторе, включенного в схему с общим эмиттером
7
Процесс функционирования схемы
Временные зависимости входного и
выходного напряжений
8
Амплитудная характеристика
Амплитудно-частотная характеристика
Работу, аналогичную проведенной в программной
среде Multisim мы выполнили на стенде.
амплитудную характеристику усилителя
ние построенной идеальной модели с экспериментальной
амплитудно-частотную характеристику усилителя

12. Заключение.

На основе построенных графиков и их
дальнейшего анализа можно сделать
следующий вывод: корректно собранная
схема усилительного каскада на
биполярном транзисторе с общим
эмиттером не вносит значительных
искажений если параметры входного
сигнала находятся в рабочем диапазоне
данного усилителя.

Биполярные транзисторы.Часть 3.Усилительный каскад. | HomeElectronics

Здравствуйте, продолжим знакомство с биполярными транзисторами. В предыдущем посте был рассмотрен транзистор в качестве электронного ключа. Но это ещё не все возможности биполярных транзисторов, можно сказать даже ключевой режим работы – это лишь малая доля в схемах, где используются транзисторы. В львиной доле транзисторных схем транзистор используется в качестве усилительного прибора. В данных схемах транзистор используется в так называемой активной области. Транзистор в качестве усилительного прибора, включается в усилительный каскад, который кроме транзистора содержит ещё цепи питания, нагрузку и цепи связи с последующим каскадом.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Схемы включения транзистора

Для биполярных транзисторов возможны три схемы включения, которые обладают способностью усиливать мощность: с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК). Схемы отличаются способом включения источника сигнала и нагрузки (RН).



Схема с общим эмиттером 

Схема с общей базой 

Схема с общим коллектором.

Для всех схем включения транзистора при отсутствии сигнала, подаваемого от источника (еГ), необходимо установить начальный режим по постоянному току – режим покоя. При этом как и говорилось в предыдущем посте эмиттерный переход должен быть открытым, а коллекторный – закрытым. Для транзисторов p-n-p это достигается подачей отрицательного напряжения на коллектор (коллекторного напряжения E0C) и отрицательного напряжения на базу (напряжения смещения E0B). Для транзисторов n-p-n полярность этих напряжений должна быть противоположной. Режим покоя транзистора опредяляется положением его рабочей точки, которое зависит от тока эмиттера IE (практически равного току коллектора IС и зависящего от E0B) и от напряжения E0C.

Усилительные параметры транзистора

Усилительные свойства транзисторов для малого переменного сигнала оцениваются с помощью различных систем параметров, связывающих входные токи и напряжения, но нормируются только два основных параметра: h21e и fТ (или fh31b). Зная параметр транзистора h21e для заданного режима покоя IE, можно с помощью следующих формул определить основные параметры усилительного каскада в области НЧ:

 

 

где S — проводимость транзистора, re — сопротивление эмиттера транзистора.

Таким образом, можно вычислить значения |K| — коэффициент усиления напряжения транзистора, |Ki| — коэффициент усиления тока транзистора, ZВХ — входное сопротивление транзистора:

 

Параметры усилительного каскада Схема включения
ОЭ ОБ ОК
|K| S*RH S*RH S*RH /( 1 + S*RH)
|Ki| h21e h21e/(1 +  h21e) h21e
ZВХ h21e*re re h21e*RH

 

Области применения усилительных каскадов ОЭ, ОБ и ОК определяются их свойствами.

Каскад с общим эмиттером обеспечивает усиление, как по напряжению, так и по току. Его входное сопротивление порядка сотен Ом, а выходное – десятков кОм. Отличительная особенность – изменяет фазу усиливаемого сигнала на 180°. Обладает лучшими усилительными свойствами по сравнению с ОБ и ОК и поэтому является основным типом каскада для усиления малых сигналов.

Каскад с общей базой обеспечивает усиление только по напряжению (практически такое же, как ОЭ). Входное сопротивление каскада в (1+h21e) раз меньше, чем ОЭ, а выходное – в (1+h21e) раз больше. В отличие от ОЭ каскад ОБ не изменяет фазы усиливаемого сигнала. Малое входное сопротивление каскада ОБ ограничивает его применение в УНЧ: практически он используется только как элемент дифференциального усилителя.

Каскад с общим коллектором обеспечивает усиление только по току (практически такое же, как ОЭ). В отличие от ОЭ каскад ОК не изменяет фазы усиливаемого сигнала. При К = 1 каскад ОК как бы повторяет усиливаемое напряжение по величине и фазе. Поэтому такой каскад называется эмиттерным повторителем. Входное сопротивление ОК зависит от сопротивления нагрузки RH и велико (почти в h21e раз больше RH), а выходное сопротивление зависит от сопротивления источника сигнала RГ и мало (почти в h21e раз меньше RГ). Каскад ОК благодаря большому входному и малому выходному сопротивлению находит применение как в предварительных, так и в мощных УНЧ.

Цепи питания биполярных транзисторов

Для обеспечения заданного режима работы биполярного транзистора требуется установить положение точки покоя, определяемое током покоя IС. С этой целью на электроды транзистора должны быть поданы два напряжения: коллекторное и напряжение смешения базы. Полярность этих напряжений зависит от структуры транзистора. Для транзисторов p-n-p оба этих напряжения должны быть отрицательными, а для n-p-n – положительными, относительно эмиттера транзистора.. Величины коллекторного и базового напряжения должны быть различны; кроме того, различными оказываются и требования к стабильности этих напряжений. Поэтому используются две отдельные цепи питания – коллектора и базы.

Питание коллектора

Цепи питания коллектора содержат элементы, показанные ниже.


В многокаскадных усилителях коллекторные цепи всех каскадов подключаются параллельно к одному общему источнику E0C. В этом случае цепь питания коллектора содержит развязывающий фильтр RфCф. Назначение такого фильтра – устранить паразитную обратную связь через общий источник питания. При питании от сети переменного тока, кроме того, уменьшаются пульсации напряжения питания. Резистор Rф включают последовательно с нагрузкой RН, и на нём теряется часть коллекторного напряжения. Поэтому рекомендуется сопротивление Rф выбирать исходя из допустимого падения напряжения:

 

Напряжение между коллектором и эмиттером транзистора UCE выбирается в пределах

При этом минимальное значение UC не должно быть менее 0,5 В, иначе рабочая точка переходит в область насыщения и возрастают нелинейные искажения.

Схема цепей питания базы

Цепи питания базы содержат элементы, показанные ниже



Схема с фиксированным током 

Схема с фиксированным напряжением 

Схема с автоматическим смещением

Заданный режим работы транзистора устанавливается путём подачи на его базу требуемого напряжения смещения UB или создания в цепи базы требуемого тока смещения IB. В обоих случаях между эмиттером и базой устанавливается напряжение UBE,равное (в зависимости от IB) 0,1…0,3 В (для германиевых транзисторов) или 0,5…0,7 В (для кремниевых). Смещение базы может осуществляться от общего с коллектором источника питания E0C или от отдельного источника питания базовых цепей E.

При питании от E0C смещение базы может быть фиксированным (по току или напряжению) или автоматическим. Схемы с фиксированным током и с фиксированным напряжением не обеспечивают стабильности рабочей точки транзистора при изменении температуры.

Расчёт усилительного каскада

Схема с автоматическим смещением, получившая наибольшее распространение, содержит три резистора: Rb1, Rb2 и RE. За счёт отрицательной обратной связи создаваемой RE в цепи эмиттера, достигается требуемая стабилизация рабочей точки. Блокировочный конденсатор CE используется для устранения нежелательной обратной связи по переменному току. Схема эффективна как для германиевых, так и для кремниевых транзисторов. Для определения величин Rb1, Rb2 и RE должны быть известны напряжение источника питания E0C и ток покоя IС. Ориентировочные значения Rb1, Rb2 и RE могут быть определены с помощью приведённых ниже формул.

Входящие в вышеприведённые формулы b, c и UBE зависят от типа транзистора и режима его работы.

Для германиевых транзисторов выбираются: b ≈ 0,2; с – в пределах 3…5; UBE – в пределах 0,1…0,2.

Для кремниевых транзисторов: b ≈ 0,1; с – в пределах 10…25; UBE – в пределах 0,6…0,7.

При увеличении c и уменьшении b стабильность схемы снижается. Большие значения UBE выбирают для больших значений IС.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Принципиальная схема

, работа и характеристики

Существует различных типов транзисторных усилителей , работающих от входного сигнала переменного тока. Он меняется между положительным значением и отрицательным значением, следовательно, это один из способов представить схему усилителя с общим эмиттером для работы между двумя пиковыми значениями. Этот процесс известен как усилитель смещения, и это важная конструкция усилителя, позволяющая установить точную рабочую точку транзисторного усилителя, готового к приему сигналов, следовательно, он может уменьшить любые искажения выходного сигнала.В этой статье мы обсудим анализ обычных эмиттерных усилителей.


Что такое усилитель?

Усилитель — это электронная схема, которая используется для увеличения силы слабого входного сигнала с точки зрения напряжения, тока или мощности. Процесс увеличения силы слабого сигнала известен как усиление. Одним из наиболее важных ограничений во время усиления является то, что должна увеличиваться только величина сигнала, и не должно быть никаких изменений в исходной форме сигнала.Транзистор (BJT, FET) является основным компонентом системы усилителя. Когда транзистор используется в качестве усилителя, первым делом необходимо выбрать подходящую конфигурацию, в которой будет использоваться устройство. Затем транзистор должен быть смещен, чтобы получить желаемую точку добротности. Сигнал подается на вход усилителя, и достигается выходное усиление.

Что такое усилитель с общим эмиттером?

Усилитель с общим эмиттером представляет собой трехкаскадный однокаскадный транзистор с биполярным переходом и используется в качестве усилителя напряжения.Вход этого усилителя берется с клеммы базы, выходной сигнал — с клеммы коллектора, а клемма эмиттера является общей для обоих клемм. Базовое обозначение усилителя с общим эмиттером показано ниже.

Усилитель с общим эмиттером

Конфигурация усилителя с общим эмиттером

В разработке электронных схем используются три типа конфигураций транзисторов, такие как общий эмиттер, общая база и общий коллектор. Из-за его основных свойств наиболее часто используемым является общий эмиттер.

Этот тип усилителя включает сигнал, который подается на клемму базы, а выходной сигнал принимается с клеммы коллектора схемы. Но, как следует из названия, основной атрибут схемы эмиттера знаком как для входа, так и для выхода.

Конфигурация транзистора с общим эмиттером широко используется в большинстве конструкций электронных схем. Эта конфигурация в равной степени подходит для обоих транзисторов, таких как транзисторы PNP и NPN, но транзисторы NPN используются наиболее часто из-за широкого использования этих транзисторов.

В конфигурации усилителя с общим эмиттером эмиттер BJT является общим как для входного, так и для выходного сигнала, как показано ниже. Расположение такое же для транзистора PNP, но смещение будет противоположным по отношению к транзистору NPN.


Конфигурации усилителя CE
Работа усилителя с общим эмиттером

Когда сигнал подается на переход эмиттер-база, прямое смещение на этом переходе увеличивается в течение верхнего полупериода. Это приводит к увеличению потока электронов от эмиттера к коллектору через базу, следовательно, увеличивает ток коллектора.Увеличение тока коллектора вызывает большее падение напряжения на резисторе RC нагрузки коллектора.

Работа усилителя CE

Отрицательный полупериод уменьшает напряжение прямого смещения на переходе эмиттер-база. Уменьшение напряжения коллектор-база уменьшает ток коллектора во всем резисторе коллектора Rc. Таким образом, резистор усиленной нагрузки появляется на резисторе коллектора. Схема усилителя с общим эмиттером показана выше.

Из осциллограмм напряжения для цепи CE, показанной на рис.(b). Видно, что существует сдвиг фазы на 180 градусов между сигналами на входе и выходе.

Работа усилителя с общим эмиттером

На приведенной ниже принципиальной схеме показана работа схемы усилителя с общим эмиттером, которая состоит из смещения делителя напряжения, используемого для подачи напряжения смещения базы в соответствии с необходимостью. Делитель напряжения смещения имеет делитель потенциала с двумя резисторами, подключенными таким образом, что средняя точка используется для подачи напряжения смещения базы.

Схема усилителя с общим эмиттером

В усилителе с общим эмиттером используются различные типы электронных компонентов: резистор R1 используется для прямого смещения, резистор R2 используется для развития смещения, резистор RL используется на выходе, который называется сопротивление нагрузки.Резистор RE используется для термостойкости. Конденсатор C1 используется для отделения сигналов переменного тока от напряжения смещения постоянного тока, а конденсатор известен как конденсатор связи.

На рисунке показано, что характеристики транзистора усилителя с общим эмиттером смещения в зависимости от коэффициента усиления: если резистор R2 увеличивается, то увеличивается прямое смещение, а R1 и смещение обратно пропорциональны друг другу. Переменный ток подается на базу транзистора схемы усилителя с общим эмиттером, после чего возникает небольшой ток базы.Следовательно, через коллектор проходит большой ток через сопротивление RC. Напряжение около сопротивления RC изменится, потому что значение очень высокое и составляет от 4 до 10 кОм. Следовательно, в цепи коллектора присутствует огромное количество тока, который усиливается за счет слабого сигнала, поэтому транзисторы с общим эмиттером работают как схема усилителя.

Коэффициент усиления усилителя с общим эмиттером

Коэффициент усиления по току усилителя с общим эмиттером определяется как отношение изменения тока коллектора к изменению тока базы.Коэффициент усиления по напряжению определяется как произведение коэффициента усиления по току и отношения выходного сопротивления коллектора к входному сопротивлению базовых цепей. Следующие уравнения показывают математическое выражение усиления по напряжению и по току.

β = ΔIc / ΔIb

Av = β Rc / Rb

Элементы схем и их функции

Элементы схемы усилителя с общим эмиттером и их функции обсуждаются ниже.

Цепь смещения / делитель напряжения

Сопротивления R1, R2 и RE, используемые для формирования цепи смещения и стабилизации напряжения.Схема смещения должна установить правильную рабочую точку Q, иначе часть отрицательного полупериода сигнала может быть отключена на выходе.

Входной конденсатор (C1)

Конденсатор C1 используется для передачи сигнала на базовый вывод BJT. Если его нет, сопротивление источника сигнала Rs будет попадать на R2, и, следовательно, это изменит смещение. C1 пропускает только сигнал переменного тока, но изолирует источник сигнала от R2

Конденсатор байпаса эмиттера (CE)

Шунтирующий конденсатор эмиттера CE используется параллельно с RE, чтобы обеспечить путь с низким реактивным сопротивлением для усиленного сигнала переменного тока.Если он не используется, то усиленный сигнал переменного тока, следующий через RE, вызовет падение напряжения на нем, тем самым понизив выходное напряжение.

Конденсатор связи (C2)

Разделительный конденсатор C2 соединяет один каскад усиления со следующим. Этот метод используется для изоляции настроек смещения постоянного тока двух связанных цепей.

Токи цепи усилителя CE

Базовый ток iB = IB + ib где,

IB = постоянный ток базы при отсутствии сигнала.

ib = база переменного тока при подаче сигнала переменного тока и iB = общий базовый ток.

Ток коллектора iC = IC + ic где,

iC = общий ток коллектора.

IC = ток коллектора нулевого сигнала.

ic = ток коллектора переменного тока при подаче сигнала переменного тока.

Ток эмиттера iE = IE + т.е. где,

IE = ток эмиттера нулевого сигнала.

Ie = переменный ток эмиттера при подаче переменного сигнала.

iE = полный ток эмиттера.

Анализ усилителя с общим эмиттером

Первым шагом в анализе переменного тока схемы усилителя с общим эмиттером является построение эквивалентной схемы переменного тока путем уменьшения всех источников постоянного тока до нуля и замыкания всех конденсаторов. На рисунке ниже показана эквивалентная схема переменного тока.

Эквивалентная схема переменного тока для усилителя CE

Следующим шагом в анализе переменного тока является построение схемы с h-параметром путем замены транзистора в эквивалентной схеме переменного тока его моделью с h-параметром. На рисунке ниже показана эквивалентная схема h-параметра для схемы CE.

Схема эквивалента h-параметра для усилителя с общим эмиттером

Типичные характеристики схемы CE приведены ниже:

  • Входное сопротивление устройства, Zb = hie
  • Входное сопротивление цепи, Zi = R1 || R2 || Zb
  • Выходное сопротивление устройства, Zc = 1 / мотыга
  • Выходное сопротивление цепи, Zo = RC || ZC ≈ RC
  • Коэффициент усиления цепи, Av = -hfe / hie * (Rc || RL)
  • Коэффициент усиления тока цепи, AI = hfe. RC. Rb / (Rc + RL) (Rc + hie)
  • Коэффициент усиления цепи, Ap = Av * Ai

Частотная характеристика усилителя CE

Коэффициент усиления по напряжению усилителя CE зависит от частоты сигнала.Это связано с тем, что реактивное сопротивление конденсаторов в цепи изменяется в зависимости от частоты сигнала и, следовательно, влияет на выходное напряжение. Кривая между усилением напряжения и частотой сигнала усилителя называется частотной характеристикой. На рисунке ниже показана частотная характеристика типичного усилителя CE.

Частотная характеристика

Из приведенного выше графика мы видим, что усиление напряжения падает на низких ( FH) частотах, тогда как оно остается постоянным в среднечастотном диапазоне (от FL до FH).

На низких частотах ( Реактивное сопротивление разделительного конденсатора C2 относительно велико, и, следовательно, очень небольшая часть сигнала будет проходить от каскада усилителя к нагрузке.

Более того, CE не может эффективно шунтировать RE из-за его большого реактивного сопротивления на низких частотах. Эти два фактора вызывают падение усиления напряжения на низких частотах.

На высоких частотах (> FH) Реактивное сопротивление разделительного конденсатора C2 очень мало, и он ведет себя как короткое замыкание.Это увеличивает нагрузку на каскад усилителя и снижает коэффициент усиления по напряжению.

Более того, на высоких частотах емкостное сопротивление перехода база-эмиттер низкое, что увеличивает ток базы. Эта частота снижает коэффициент усиления тока β. По этим двум причинам усиление напряжения падает на высокой частоте.

На средних частотах (от FL до FH) Коэффициент усиления по напряжению усилителя постоянный. Конденсатор связи C2 в этом диапазоне частот обеспечивает постоянное усиление напряжения.Таким образом, по мере увеличения частоты в этом диапазоне реактивное сопротивление CC уменьшается, что приводит к увеличению усиления.

Однако, в то же время, более низкое реактивное сопротивление означает, что более высокие почти компенсируют друг друга, что приводит к равномерному хорошему среднему значению.

Мы можем наблюдать частотную характеристику любой схемы усилителя — это разница в ее характеристиках из-за изменений в пределах частоты входного сигнала, поскольку она показывает полосы частот, в которых выходной сигнал остается достаточно стабильным. Полоса пропускания схемы может быть определена как небольшой или большой частотный диапазон между ƒH и ƒL.

Таким образом, мы можем определить коэффициент усиления по напряжению для любого синусоидального входа в заданном диапазоне частот. Частотная характеристика логарифмического представления — это диаграмма Боде. Большинство усилителей звука имеют плоскую частотную характеристику в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц. Для аудиоусилителя частотный диапазон известен как полоса пропускания.

Точки частоты, такие как ƒL и ƒH, связаны с нижним и верхним углом усилителя, которые представляют собой падение коэффициента усиления схем как на высоких, так и на низких частотах.Эти частотные точки также известны как точки в децибелах. Таким образом, BW можно определить как

.

BW = fH — fL

дБ (децибел) составляет 1/10 от B (бел), это знакомая нелинейная единица измерения усиления и определяется как 20log10 (A). Здесь «A» — десятичный коэффициент усиления, отложенный по оси ординат.

Максимальный выходной сигнал может быть получен с помощью нулевых децибел, которые сообщаются с функцией величины, равной единице, в противном случае это происходит, когда Vout = Vin, когда нет снижения на этом уровне частоты, поэтому

VOUT / VIN = 1, поэтому 20log (1) = 0 дБ

Как видно из приведенного выше графика, выходной сигнал в двух точках частоты среза будет уменьшаться с 0 дБ до -3 дБ и продолжает падать с фиксированной скоростью.Это уменьшение в пределах усиления известно как участок спада кривой частотной характеристики. Во всех основных схемах фильтров и усилителей эта скорость спада может быть определена как 20 дБ / декада, что равно скорости 6 дБ / октаву. Итак, порядок схемы умножается на эти значения.

Эти точки частоты среза -3 дБ будут описывать частоту, на которой усиление o / p может быть уменьшено до 70% от его максимального значения. После этого мы можем правильно сказать, что частотная точка — это также частота, на которой коэффициент усиления системы снизился до 0.7 высшей ценности.

Транзисторный усилитель с общим эмиттером

Принципиальная схема транзисторного усилителя с общим эмиттером имеет общую конфигурацию и представляет собой стандартный формат транзисторной схемы, в которой требуется усиление по напряжению. Усилитель с общим эмиттером также преобразован в инвертирующий усилитель. Различные типы конфигураций в транзисторных усилителях представляют собой транзисторы с общей базой и общим коллектором, и рисунок показан на следующих схемах.

Усилитель на транзисторах с общим эмиттером
Характеристики усилителя с общим эмиттером
  • Коэффициент усиления по напряжению обычного эмиттерного усилителя средний
  • Высокий коэффициент усиления в усилителе с общим эмиттером
  • Фазовое соотношение на входе и выходе составляет 180 градусов
  • В усилителе с общим эмиттером входные и выходные резисторы средние.

График характеристик между смещением и усилением показан ниже.

Характеристики

Напряжение смещения транзистора

Vcc (напряжение питания) будет определять максимальный Ic (ток коллектора) после активации транзистора. Ib (базовый ток) для транзистора можно найти из Ic (ток коллектора) и коэффициента усиления по постоянному току β (бета) транзистора.

VB = VCC R2 / R1 + R2

Значение бета

Иногда «β» упоминается как «hFE», что означает усиление прямого тока транзистора в конфигурации CE.Бета (β) — это фиксированное соотношение двух токов, таких как Ic и Ib, поэтому оно не содержит единиц. Таким образом, небольшое изменение базового тока приведет к огромным изменениям в токе коллектора.

Транзисторы того же типа, а также их номер детали будут сильно отличаться в пределах их значений «β». Например, транзистор NPN, такой как BC107, имеет значение бета (коэффициент усиления постоянного тока составляет от 110 до 450 на основе таблицы данных. Таким образом, один транзистор может включать значение 110 бета, тогда как другой может включать значение 450 бета, однако оба транзистора являются Транзисторы NPN BC107, потому что бета — это особенность структуры транзистора, но не его функция.

Когда база или эмиттерный переход транзистора подключен к прямому смещению, тогда напряжение эмиттера «Ve» будет единичным переходом, где падение напряжения отличается от напряжения на выводе базы. Ток эмиттера (Ie) — это не что иное, как напряжение на резисторе эмиттера. Это можно просто вычислить с помощью закона Ома. «Ic» (ток коллектора) можно приблизительно определить, так как это значение примерно равно току эмиттера.

Входное и выходное сопротивление усилителя с общим эмиттером

В любой конструкции электронной схемы уровни импеданса являются одним из основных атрибутов, которые необходимо учитывать.Значение входного импеданса обычно находится в пределах 1 кОм, хотя оно может значительно отличаться в зависимости от условий, а также значений схемы. Меньший входной импеданс будет результатом того факта, что вход подается через два вывода транзисторной базы и эмиттера, потому что имеется переход с прямым смещением.

Кроме того, импеданс o / p сравнительно высок, поскольку он снова значительно варьируется в зависимости от значений выбранных электронных компонентов и допустимых уровней тока.Импеданс o / p составляет минимум 10 кОм, в противном случае он может быть высоким. Но если сток позволяет протекать току высокого уровня, то импеданс o / p будет значительно уменьшен. Уровень импеданса или сопротивления исходит из того факта, что выход используется с клеммы коллектора, потому что здесь имеется переход с обратным смещением.

Одноступенчатый усилитель с общим эмиттером

Одноступенчатый усилитель с общим эмиттером показан ниже, а различные элементы схемы и их функции описаны ниже.

Цепь смещения

Цепи, такие как смещение, а также стабилизация, могут быть выполнены с сопротивлениями, такими как R1, R2 и RE

.

Входная емкость (Cin)

Входная емкость может быть обозначена знаком «Cin», который используется для объединения сигнала в направлении базового вывода транзистора.

Если эта емкость не используется, тогда сопротивление источника сигнала будет приближаться к резистору «R2», чтобы изменить смещение.Этот конденсатор позволяет просто подавать сигнал переменного тока.

Конденсатор байпаса эмиттера (CE)

Шунтирующий конденсатор эмиттера можно подключить параллельно RE, чтобы получить полосу с низким реактивным сопротивлением в направлении усиленного сигнала переменного тока. Если он не используется, то усиленный сигнал переменного тока будет проходить через RE, вызывая падение напряжения на нем, поэтому напряжение o / p может быть смещено.

Конденсатор связи (C)

Этот конденсатор связи в основном используется для объединения усиленного сигнала к устройству o / p, чтобы обеспечить подачу простого сигнала переменного тока.

рабочий

Как только слабый входной сигнал переменного тока подается на вывод базы транзистора, тогда небольшой ток базы будет подавать высокий уровень переменного тока из-за этого действия транзистора. ток будет протекать через нагрузку коллектора (RC), поэтому высокое напряжение может быть видно как на нагрузке коллектора, так и на выходе. Таким образом, слабый сигнал подается на вывод базы, который появляется в усиленной форме в цепи коллектора. Коэффициент усиления усилителя по напряжению, как и Av, представляет собой соотношение между усиленными входным и выходным напряжениями.

Частотная характеристика и полоса пропускания

Можно сделать вывод об усилении напряжения усилителя, таком как Av, для нескольких входных частот. Его характеристики могут быть нанесены на обе оси, как частота на оси X, тогда как усиление напряжения — на оси Y. График частотной характеристики может быть получен, который показан в характеристиках. Таким образом, мы можем наблюдать, что коэффициент усиления этого усилителя может быть уменьшен на очень высоких и низких частотах, однако он остается стабильным в широком диапазоне средних частот.

Нижняя граничная частота fL может быть определена как частота ниже 1. Можно выбрать диапазон частот, при котором усиление усилителя будет вдвое больше, чем при средней частоте.

fL (верхняя граничная частота) может быть определена как когда частота находится в верхнем диапазоне, в котором усиление усилителя в 1 / √2 раза больше усиления средней частоты.

Полоса пропускания может быть определена как интервал частоты между нижними и верхними частотами среза.

BW = fU — fL

Экспериментальная теория усилителя с общим эмиттером

Основной задачей этого транзисторного усилителя CE NPN является исследование его работы.

Усилитель CE — одна из основных конфигураций транзисторного усилителя. В этом тесте учащийся разработает, а также исследует фундаментальный транзисторный усилитель NPN CE. Предположим, учащийся обладает некоторыми знаниями в области теории транзисторных усилителей, таких как использование эквивалентных схем переменного тока. Таким образом, обучающийся должен разработать свой собственный процесс проведения эксперимента в лаборатории. После того, как предварительный анализ будет полностью завершен, он сможет проанализировать и обобщить результаты эксперимента в отчете.

Необходимые компоненты: транзисторы NPN — 2N3904 и 2N2222), VBE = 0,7 В, Beta = 100, r’e = 25 мВ / IE в анализе Pre-lab.

Предварительная лаборатория

В соответствии с принципиальной схемой рассчитайте параметры постоянного тока, такие как Ve, IE, VC, VB и VCE, приблизительным методом. Нарисуйте эквивалентную схему переменного тока и вычислите Av (усиление по напряжению), Zi (входное сопротивление) и Zo (выходное сопротивление). Также нарисуйте составные формы сигналов, которые можно прогнозировать в разных точках, таких как A, B, C, D и E.В точке «A», принимая Vin как пик 100 мВ, синусоида с частотой 5 кГц.

Для усилителя напряжения нарисуйте схему с входным сопротивлением, зависящим от источника напряжения и импедансом o / p

Измерьте значение входного импеданса, например Zi, вставив тестовый резистор последовательно через входные сигналы к усилителю и измерьте, насколько сигнал генератора переменного тока действительно будет появляться на входе усилителя.

Чтобы определить выходное сопротивление, на мгновение выньте нагрузочный резистор и рассчитайте ненагруженное переменное напряжение.После этого вставьте обратно нагрузочный резистор, снова измерьте напряжение ac o / p. Эти измерения можно использовать для определения выходного сопротивления.

Эксперимент в лаборатории

Разработайте схему соответствующим образом и проверьте все вышеприведенные расчеты. Используйте связь по постоянному току, а также двойную трассировку осциллографа. После этого выньте на мгновение общий эмиттер и снова измерьте напряжение o / p. Оцените результаты, используя предварительные вычисления.

Преимущества

К преимуществам усилителя с обычным эмиттером можно отнести следующее.

  • Усилитель с общим эмиттером имеет низкое входное сопротивление и представляет собой инвертирующий усилитель
  • Выходное сопротивление этого усилителя высокое
  • Этот усилитель имеет самый высокий коэффициент усиления по мощности в сочетании со средним коэффициентом усиления по напряжению и току
  • Высокий коэффициент усиления по току усилителя с общим эмиттером
Недостатки

К недостаткам обычного эмиттерного усилителя можно отнести следующее.

  • На высоких частотах усилитель с общим эмиттером не отвечает
  • Коэффициент усиления по напряжению этого усилителя нестабилен
  • В этих усилителях очень высокое выходное сопротивление
  • В этих усилителях высокая термическая нестабильность
  • Высокое выходное сопротивление
Приложения

Применения усилителя с общим эмиттером включают следующее.

  • Усилители с общим эмиттером используются в усилителях напряжения низкой частоты.
  • Эти усилители обычно используются в радиочастотных цепях.
  • Как правило, усилители используются в усилителях с низким уровнем шума
  • Схема с общим эмиттером популярна, потому что она хорошо подходит для усиления напряжения, особенно на низких частотах.
  • Усилители с общим эмиттером также используются в схемах радиочастотных приемопередатчиков.
  • Конфигурация с общим эмиттером, обычно используемая в малошумящих усилителях.

В этой статье обсуждается работа схемы усилителя с общим эмиттером. Прочитав приведенную выше информацию, вы получите представление об этой концепции. Кроме того, любые вопросы относительно этого или если вы хотите реализовать электрические проекты, пожалуйста, не стесняйтесь комментировать в разделе ниже. Вот вам вопрос, какова функция усилителя с общим эмиттером?

Транзисторный усилитель с общим эмиттером

»Примечания по электронике

Конфигурация усилителя с общим эмиттером обеспечивает усиление по напряжению и является одной из наиболее широко используемых конфигураций транзисторов для проектирования электронных схем.


Руководство по проектированию схем транзисторов Включает:
Проектирование схем транзисторов Конфигурации схемы Общий эмиттер Конструкция схемы с общим эмиттером Эмиттер-повторитель Общая база

См. Также: Типы транзисторных схем


Схема усилителя на транзисторах с общим эмиттером является одной из основных схем для использования в проектировании электронных схем, предлагая множество преимуществ.

Конфигурация схемы с общим эмиттером используется во многих областях проектирования электронных схем: в качестве усилителя звука, в качестве основного переключателя для логических схем, в качестве аналогового усилителя общего назначения и во многих других приложениях.

Конфигурация схемы с общим эмиттером обеспечивает усиление по напряжению в сочетании с умеренным усилением по току, а также со средним входным и средним выходным сопротивлением. Таким образом, конфигурация с общим эмиттером является хорошей универсальной схемой для использования во многих приложениях.

Также на этом этапе стоит отметить, что усилитель на транзисторах с общим эмиттером инвертирует сигнал на входе. Следовательно, если на вход усилителя с общим эмиттером поступает растущий сигнал, это приведет к падению выходного напряжения.Другими словами, он имеет изменение фазы на 180 ° в цепи.

В зависимости от конструкции самой электронной схемы, общий эмиттер не использует слишком много электронных компонентов, иногда всего два резистора, хотя, если требуется настройка смещения для аналоговых схем, можно использовать четыре резистора и три конденсатора.

Основы транзисторного усилителя с общим эмиттером

Из трех типов конфигурации транзисторов, используемых в проектировании электронных схем, общий эмиттер является наиболее широко используемым из-за его ключевых свойств.

Сигнал усилителя с общим эмиттером подается на базу, а выходной сигнал снимается с коллекторной цепи. Однако, как следует из названия этой схемы, ключевым атрибутом является то, что схема эмиттера является общей как для ввода, так и для вывода.

Конфигурация схемы с общим эмиттером транзистора

Конфигурация с общим эмиттером в равной степени применима как к вариантам транзистора NPN, так и к вариантам транзистора PNP. Тем не менее, разновидность NPN более широко используется из-за более широкого использования транзисторов NPN.

Сводка характеристик усилителя на транзисторах с общим эмиттером

При выборе конфигурации транзистора для использования в конструкции электронной схемы необходимо учитывать различные атрибуты трех типов: общий эмиттер, общий коллектор и общую базу, и выбрать наиболее подходящий.

В таблице ниже приведены основные характеристики конфигурации транзистора с общим эмиттером.


Характеристики усилителя на транзисторах с общим эмиттером
Параметр Характеристики
Коэффициент усиления напряжения Средний
Коэффициент усиления по току Средний
Прирост мощности Высокая
Соотношение фаз вход / выход 180 °
Входное сопротивление Средний
Выходное сопротивление Средний

Из этих характеристик видно, что конфигурация с общим эмиттером обеспечивает хорошие универсальные характеристики.Одним из ключевых факторов является то, что он обеспечивает хороший уровень усиления по напряжению — атрибут, который требуется при проектировании электронных схем для многих приложений.

Схема также относительно проста и требует нескольких электронных компонентов, в зависимости от того, как выполняются требования к конструкции электронной схемы.

Уровни импеданса усилителя с общим эмиттером

Одним из ключевых атрибутов, которые следует учитывать при проектировании любой электронной схемы, являются уровни импеданса.

Входное сопротивление обычно составляет около 1 кОм, хотя оно может значительно варьироваться в зависимости от значений схемы и условий. Низкое входное сопротивление является результатом того факта, что вход применяется через базу и эмиттер, где есть переход, смещенный в прямом направлении,

Также выходной импеданс может быть относительно высоким. Опять же, это значительно варьируется в зависимости от выбранных значений электронных компонентов и допустимых уровней тока. Выходное сопротивление может достигать 10 кОм или, возможно, больше.Однако, если сток позволяет потреблять более высокие уровни тока, выходное сопротивление может быть значительно уменьшено. Уровень сопротивления или импеданса определяется тем фактом, что выходной сигнал снимается с коллектора, где есть обратносмещенный переход.

Коэффициент усиления транзисторного усилителя с общим эмиттером

Еще один важный фактор, который следует учитывать при проектировании электронной схемы, — это достижимый уровень усиления. Можно определить два вида усиления: усиление по току и усиление по напряжению.

Коэффициент усиления по току для схемы усилителя с общим эмиттером обозначается греческим символом β. Это отношение тока коллектора к току базы. Это можно представить как отношение выходного тока к входному. Чтобы получить точное значение коэффициента усиления сигнала, часто используется коэффициент усиления по току для небольших входных изменений тока. Используя это, коэффициент усиления по току β и изменения входного и выходного тока связаны следующим образом:

Где
β = усиление по току
ΔIc = изменение тока коллектора
ΔIb = изменение базового тока

Чтобы посмотреть на коэффициент усиления по напряжению схемы усилителя с общим эмиттером, необходимо посмотреть на сопротивления или импедансы для входа и выхода.

β = ΔIcΔIb = ΔVcRcΔVbRb

Av = ΔVcΔVb

Следовательно:

Av = β RcRb

Где
Av = усиление по напряжению
Rc = выходное сопротивление коллекторной цепи
Rb = входное сопротивление базовой цепи

Соотношение фаз на входе и выходе с общим эмиттером

Транзисторный усилитель с общим эмиттером — единственная конфигурация, которая обеспечивает инверсию на 180 ° между входным и выходным сигналами.

Причину этого можно увидеть из того факта, что по мере увеличения входного напряжения увеличивается ток через базовую цепь.В свою очередь, это увеличивает ток в цепи коллектора, то есть имеет тенденцию включать транзистор. Это приводит к падению напряжения между выводами коллектора и эмиттера.

Таким образом, увеличение напряжения между базой и эмиттером привело к падению напряжения между выводами коллектора и эмиттера, другими словами, фаза двух сигналов была инвертирована.

Практические схемы усилителя с общим эмиттером

При проектировании электронных схем для различных приложений и для удовлетворения различных требований можно использовать один из множества вариантов схемы транзистора с общим эмиттером.

В то время как основные теоретические схемы, показанные выше, способны описать основную работу усилителя с общим эмиттером в концепции.

Однако, чтобы схема могла работать в реальной системе, необходимо добавить другие элементы, такие как смещение, развязка и т.п. В результате общая схема усилителя с общим эмиттером использует несколько компонентов, чтобы гарантировать, что он может работать требуемым образом.

Усилитель простой логики с общим эмиттером

Первый пример — это простейшая форма схемы с общим эмиттером, в которой используется очень мало электронных компонентов.Обычно он используется для управления нагрузкой с цифрового выхода предыдущего каскада.

Схема базового транзисторного усилителя с общим эмиттером
R1 R1 ограничивает базовый ток и предотвращает повреждение эмиттерного перехода базы. Он должен быть рассчитан таким образом, чтобы обеспечить достаточный ток коллектора при минимальном усилении тока транзистора, и включать некоторый запас для обеспечения его правильного включения.
R2 Этот резистор обеспечивает заземление и помогает регулировать скорость переключения транзистора.
R3 Это резистор нагрузки коллектора в усилителе с общим эмиттером.

При управлении маленьким транзистором общего назначения от логического выхода 5 В типичные значения могут быть 2 кОм для R1 и 22 кОм для R2.

Простой усилитель с общим эмиттером для управления реле

Часто бывает полезно использовать простую схему с общим эмиттером для управления реле.Простая схема, показанная выше, может быть адаптирована для управления реле.

Необходимо учитывать ток, необходимый для переключения и удержания реле, и в базовой цепи должен протекать ток, достаточный для протекания необходимого тока в цепи коллектора.

Для многих реле сопротивление резистора R1 может быть около 2 кОм, а R2 — 22 кОм, но они должны быть рассчитаны в конструкции электронной схемы, чтобы обеспечить требуемый ток.

Схема управления реле на простом транзисторе с общим эмиттером

Следует отметить, что при высоком входном напряжении реле срабатывает.Это когда коллектор включен, а напряжение на коллекторе понижено.

Диод включен для подавления обратной ЭДС, индуцированной при отключении тока, протекающего через катушку реле. Важно предотвратить повреждение транзистора.

Схема общего эмиттера с использованием транзистора смещения с одной базой

Схема с общим эмиттером с использованием транзистора смещения с одной базой
R1 R1 ограничивает базовый ток и предотвращает повреждение эмиттерного перехода базы.Он должен быть рассчитан таким образом, чтобы обеспечить достаточный ток коллектора при минимальном усилении тока транзистора, и включать некоторый запас для обеспечения его правильного включения.
R1 Этот резистор обеспечивает смещение для транзистора. Его значение следует рассчитать, чтобы получить требуемый ток коллектора.
R3 Это резистор нагрузки коллектора в усилителе с общим эмиттером.Его значение рассчитывается таким образом, чтобы при токе покоя коллектора оно упало наполовину по сравнению с напряжением шины, предполагая, что конструкция электронной схемы используется в качестве линейного усилителя.

Этот тип схемы с общим эмиттером очень прост, минимизирует количество электронных компонентов и использует один резистор для смещения базы. Он не обеспечивает производительность, требуемую для многих схем, поскольку коэффициент усиления транзистора будет варьироваться от одного устройства к другому, и это изменит работу схемы.

Схема общего эмиттера с использованием транзистора смещения с одной базой (2)

Эта версия эмиттерного повторителя смещения базы с одним резистором предлагает немного большую предсказуемость схемы.

Подключение резистора смещения между коллектором и базой обеспечивает дополнительную стабильность для условий постоянного тока.

Схема с общим эмиттером, использующая транзистор смещения с одной базой между коллектором и базой

Транзисторный усилитель с общим эмиттером со смещением постоянного тока и связью по переменному току

На схеме ниже показана конструкция электронной схемы усилителя с общим эмиттером с резисторами, обеспечивающими необходимое смещение для линейной работы, а также конденсаторы связи и развязки для работы на переменном токе.

Схема базового транзисторного усилителя с общим эмиттером

Внутри схемы имеется ряд компонентов, которые обеспечивают различные функции, позволяющие всей схеме работать требуемым образом:


R1, R2 Эти резисторы обеспечивают смещение для базы транзистора.
R3 Это резистор нагрузки коллектора в усилителе с общим эмиттером.
R4 Этот резистор в усилителе с общим эмиттером обеспечивает обратную связь по постоянному току, чтобы гарантировать, что условия постоянного тока в цепи поддерживаются.
C1, C2 Эти конденсаторы обеспечивают связь по переменному току между ступенями. Их нужно выбирать так, чтобы они обеспечивали незначительное реактивное сопротивление на рабочих частотах.
C3 Это байпасный конденсатор. Эффект R4 заключается в уменьшении коэффициента усиления схемы. Обход резистора позволяет достичь более высоких уровней усиления переменного тока.

Схема, показанная выше, представляет собой базовый усилитель с общим эмиттером, связанный по переменному току.

Схема с общим эмиттером может использоваться в различных формах.- иногда в качестве транзисторного логического выхода, усилителя с прямой связью и во многих других областях. Он широко используется, обеспечивая хороший компромисс между коэффициентом усиления по напряжению и току, а также входным и выходным сопротивлением.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Вернуться в меню «Конструкция схемы».. .

Усилитель с общим эмиттером | Биполярные переходные транзисторы

В начале этой главы показано, как транзисторы могут использоваться в качестве переключателей, работающих в режимах «насыщения » или «отсечки» . В последнем разделе мы увидели, как транзисторы ведут себя в «активных» режимах , между дальними пределами насыщения и отсечки. Поскольку транзисторы могут управлять током аналоговым способом, они находят применение в качестве усилителей аналоговых сигналов.

Транзистор как простой переключатель

Common-Emitter Одна из более простых схем транзисторного усилителя для изучения ранее проиллюстрировала переключающую способность транзистора.

Транзистор

NPN как простой переключатель.

Она называется конфигурацией с общим эмиттером , потому что (без учета батареи источника питания) и источник сигнала, и нагрузка совместно используют вывод эмиттера в качестве общей точки подключения, показанной на рисунке ниже.Это не единственный способ использования транзистора в качестве усилителя, как мы увидим в последующих разделах этой главы.

Усилитель с общим эмиттером: входные и выходные сигналы имеют общую связь с эмиттером.

Раньше небольшой солнечный элемент насыщал транзистор током, освещая лампу. Теперь, зная, что транзисторы могут «дросселировать» токи коллектора в соответствии с величиной базового тока, подаваемого источником входного сигнала, мы должны видеть, что яркость лампы в этой схеме регулируется освещением солнечного элемента .Когда на солнечный элемент попадает совсем немного света, лампа будет тускло светиться. Яркость лампы будет постоянно увеличиваться по мере того, как больше света попадает на солнечный элемент.

Предположим, что нас интересовало использование солнечного элемента в качестве прибора для измерения силы света. Мы хотим измерить интенсивность падающего света с солнечного элемента, используя его выходной ток для движения счетчика. Для этого можно напрямую подключить движение счетчика к солнечному элементу. Вот так устроены простейшие экспонометры для фотографических работ.

Свет высокой интенсивности напрямую управляет экспонометром.

Хотя этот подход может работать для измерений средней интенсивности света, он не будет работать также для измерений низкой интенсивности света. Поскольку солнечный элемент должен обеспечивать потребности движения счетчика в энергии, чувствительность системы неизбежно ограничена. Предположим, что нам здесь нужно измерить интенсивность света очень низкого уровня, мы вынуждены искать другое решение.

Транзистор как усилитель

Возможно, наиболее прямым решением этой проблемы измерения является использование транзисторов с по для усиления тока солнечного элемента, чтобы можно было получить большее отклонение измерителя при меньшем количестве падающего света.

Для получения света низкой интенсивности необходимо усилить ток ячейки.

Ток через движение счетчика в этой цепи будет в β раз больше тока солнечного элемента. С транзистором β, равным 100, это представляет собой существенное увеличение чувствительности измерения. Разумно отметить, что дополнительная энергия для перемещения стрелки счетчика исходит от батареи в дальнем правом углу схемы, а не от самого солнечного элемента. Все силы тока солнечного элемента — это контролировать ток батареи на счетчике, чтобы обеспечить более высокие показания счетчика, чем солнечный элемент мог бы обеспечить без посторонней помощи.

Поскольку транзистор является устройством регулирования тока, и поскольку показания счетчика основаны на токе через движущуюся катушку, показания счетчика в этой цепи должны зависеть только от тока от солнечного элемента, а не от величины напряжения, обеспечиваемого батарея. Это означает, что точность схемы не зависит от состояния батареи, что является важной особенностью! Все, что требуется от батареи, — это определенное минимальное выходное напряжение и выходной ток, чтобы измерить полную шкалу.

Выходное напряжение из-за тока через резистор нагрузки

Другим способом использования конфигурации с общим эмиттером является создание выходного напряжения , полученного из входного сигнала, а не специального выходного тока . Заменим механизм счетчика простым резистором и измеряем напряжение между коллектором и эмиттером.

Усилитель с общим эмиттером вырабатывает выходное напряжение из-за тока через нагрузочный резистор.

Когда солнечный элемент затемнен (нет тока), транзистор будет в режиме отсечки и будет работать как разомкнутый переключатель между коллектором и эмиттером. Это приведет к максимальному падению напряжения между коллектором и эмиттером для максимального выходного напряжения V , равного полному напряжению батареи.

При полной мощности (максимальная освещенность) солнечный элемент переводит транзистор в режим насыщения, заставляя его вести себя как замкнутый переключатель между коллектором и эмиттером. Результатом будет минимальное падение напряжения между коллектором и эмиттером или почти нулевое выходное напряжение.В действительности насыщенный транзистор никогда не может 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, около нескольких десятых вольта, в зависимости от конкретного используемого транзистора.

Для уровней освещенности где-то между нулем и максимальной выходной мощностью солнечного элемента, транзистор будет в активном режиме, а выходное напряжение будет где-то между нулем и полным напряжением батареи.Здесь следует отметить важное качество конфигурации с общим эмиттером: выходное напряжение на инвертировано на по отношению к входному сигналу. То есть выходное напряжение уменьшается по мере увеличения входного сигнала. По этой причине конфигурация усилителя с общим эмиттером упоминается как инвертирующий усилитель .

Быстрое моделирование SPICE (рисунок ниже) схемы на рисунке ниже подтвердит наши качественные выводы об этой схеме усилителя.

 * усилитель с общим эмиттером 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 общего эмиттера с номерами узлов и соответствующим списком соединений SPICE.

Общий эмиттер: выходное напряжение коллектора относительно входного тока базы.

В начале моделирования на рисунке выше, где источник тока (солнечный элемент) выдает нулевой ток, транзистор находится в режиме отсечки, а на выходе усилителя отображаются полные 15 вольт от батареи (между узлами 2 и 0). ).Когда ток солнечного элемента начинает расти, выходное напряжение пропорционально уменьшается, пока транзистор не достигнет насыщения при токе базы 30 мкА (ток коллектора 3 мА). Обратите внимание, как линия выходного напряжения на графике является идеально линейной (с шагом 1 вольт от 15 до 1 вольт) до точки насыщения, где оно никогда не достигает нуля. Это эффект, упомянутый ранее, когда насыщенный транзистор никогда не может достичь точно нулевого падения напряжения между коллектором и эмиттером из-за эффектов внутреннего перехода.Что мы действительно видим, так это резкое снижение выходного напряжения с 1 вольт до 0,2261 вольт при увеличении входного тока с 28 мкА до 30 мкА, а затем продолжающееся уменьшение выходного напряжения с этого момента (хотя и постепенно уменьшающимися шагами). Самое низкое выходное напряжение, когда-либо полученное в этой модели, составляет 0,1299 вольт, асимптотически приближаясь к нулю.

Транзистор как усилитель переменного тока

До сих пор мы видели транзистор, используемый в качестве усилителя для сигналов постоянного тока. В примере с измерителем света на солнечном элементе мы были заинтересованы в усилении выхода постоянного тока солнечного элемента для управления движением измерителя постоянного тока или для создания выходного напряжения постоянного тока.Однако это не единственный способ использования транзистора в качестве усилителя. Часто требуется усилитель AC для усиления переменного тока и сигналов напряжения . Одним из распространенных применений этого является аудиоэлектроника (радио, телевизоры и системы громкой связи). Ранее мы видели пример аудиовыхода камертона, активирующего транзисторный ключ. Давайте посмотрим, сможем ли мы изменить эту схему для передачи энергии на динамик, а не на лампу, как показано на рисунке ниже.

Транзисторный переключатель активируется звуком.

В исходной схеме использовался двухполупериодный мостовой выпрямитель для преобразования выходного сигнала переменного тока микрофона в напряжение постоянного тока для управления входом транзистора. Все, о чем мы здесь заботились, — это включить лампу звуковым сигналом от микрофона, и такого устройства для этого было достаточно. Но теперь мы хотим воспроизвести сигнал переменного тока и запустить динамик. Это означает, что мы больше не можем исправить выход микрофона, потому что нам нужен неискаженный сигнал переменного тока для управления транзистором, снятия мостового выпрямителя и замены лампы динамиком:

Усилитель с общим эмиттером приводит в действие динамик звуковым сигналом.

Поскольку микрофон может создавать напряжения, превышающие прямое падение напряжения на PN (диодном) переходе база-эмиттер, резистор должен быть установлен последовательно с микрофоном. Смоделируйте схему с помощью SPICE. Список соединений включен в (рисунок ниже)

SPICE версия усилителя звука с общим эмиттером.


Усилитель с общим эмиттером 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. участок tran v (1,0) i (v1) .end 

Сигнал на коллекторе ограничен из-за отсутствия смещения базы постоянного тока.

Моделирование отображает как входное напряжение (сигнал переменного тока с пиковой амплитудой 1,5 В и частотой 2000 Гц), так и ток через 15-вольтовую батарею, который совпадает с током через динамик. Здесь мы видим полную синусоидальную волну переменного тока, чередующуюся как в положительном, так и в отрицательном направлениях, и полуволновую форму волны выходного тока, которая пульсирует только в одном направлении.Если бы мы управляли динамиком с такой формой волны, воспроизводимый звук был бы искажен.

Что не так со схемой? Почему он не может точно воспроизвести всю форму волны переменного тока с микрофона? Ответ на этот вопрос можно найти при внимательном рассмотрении модели транзисторного диодного источника тока, представленной на рисунке ниже.

Модель показывает, что базовый ток течет в одном направлении.

Ток коллектора контролируется или регулируется с помощью механизма постоянного тока в соответствии со скоростью, задаваемой током через диод база-эмиттер.Обратите внимание, что оба пути тока через транзистор однонаправлены: только в одну сторону! Несмотря на наше намерение использовать транзистор для усиления сигнала AC , по сути, это устройство DC , способное обрабатывать токи в одном направлении. Мы можем подавать входной сигнал переменного напряжения между базой и эмиттером, но ток не может течь в этой цепи в течение той части цикла, которая вызывает обратное смещение диодного перехода база-эмиттер. Следовательно, транзистор будет оставаться в режиме отсечки в течение этой части цикла.Он будет «включаться» в активном режиме только тогда, когда входное напряжение имеет правильную полярность для прямого смещения диода база-эмиттер, и только когда это напряжение достаточно высокое, чтобы преодолеть прямое падение напряжения на диоде. Помните, что биполярные транзисторы — это устройства с регулируемым током : они регулируют ток коллектора на основе наличия тока база-эмиттер , а не напряжения база-эмиттер .

Единственный способ заставить транзистор воспроизводить всю форму волны при прохождении тока через динамик — это держать транзистор в активном режиме все время.Это означает, что мы должны поддерживать ток через базу в течение всего цикла входного сигнала. Следовательно, диодный переход база-эмиттер должен всегда оставаться смещенным в прямом направлении. К счастью, это можно сделать с помощью напряжения смещения постоянного тока, добавленного к входному сигналу. Последовательно подключив достаточное постоянное напряжение к источнику переменного тока, прямое смещение может поддерживаться во всех точках на протяжении волнового цикла. (Рисунок ниже)

Vbias удерживает транзистор в активной области.

Усилитель с общим эмиттером 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 

Неискаженный выходной ток I (v (1) из-за Vbias

При наличии источника напряжения смещения 2,3 В транзистор остается в активном режиме на протяжении всего цикла волны, точно воспроизводя форму волны в динамике.Обратите внимание, что входное напряжение (измеренное между узлами 1 и 0) колеблется от 0,8 до 3,8 вольт, а размах напряжения составляет 3 вольта, как и ожидалось (напряжение источника = 1,5 вольта, пиковое значение). Выходной (динамик) ток варьируется от нуля до почти 300 мА, сдвиг на 180 ° по фазе с входным (микрофонным) сигналом.

Иллюстрация на рисунке ниже представляет собой другой вид той же схемы, на этот раз с несколькими осциллографами («осциллографами»), подключенными в критических точках для отображения всех соответствующих сигналов.

Вход смещен вверх у основания. Выход инвертирован.

Смещение

Необходимость смещения схемы транзисторного усилителя для получения воспроизведения полной формы сигнала является важным соображением . Отдельный раздел этой главы будет полностью посвящен методам смещения и смещения. На данный момент достаточно понять, что смещение может быть необходимо для правильного вывода напряжения и тока из усилителя.

Теперь, когда у нас есть работающая схема усилителя, мы можем исследовать ее напряжение, ток и прирост мощности.Типовой транзистор, используемый в этих анализах SPICE, имеет β, равный 100, на что указывает короткая распечатка статистики транзисторов, включенная в текстовый вывод в таблице ниже (эти статистические данные были вырезаны из последних двух анализов для краткости).

Параметры модели BJT SPICE.

 тип npn - 1.00E-16 bf 100.000 nf 1.000 br 1.000 nr 1.000 

β указан под аббревиатурой «bf», что на самом деле означает «бета, вперед» . Если бы мы хотели вставить для анализа наше собственное соотношение β, мы могли бы сделать это на.модельный ряд списка соединений SPICE.

Поскольку β — это отношение тока коллектора к току базы, и наша нагрузка подключена последовательно с выводом коллектора транзистора, а источник — последовательно с базой, отношение выходного тока к входному току равно бета. . Таким образом, наше текущее усиление для этого примера усилителя составляет 100 или 40 дБ.

Коэффициент усиления напряжения

Коэффициент усиления по напряжению немного сложнее вычислить, чем коэффициент усиления по току для этой схемы.Как всегда, коэффициент усиления по напряжению определяется как отношение выходного напряжения к входному. Чтобы экспериментально определить это, мы модифицируем наш последний анализ SPICE для отображения выходного напряжения, а не выходного тока, поэтому у нас есть два графика напряжения для сравнения на рисунке ниже.

Усилитель с общим эмиттером 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 

В (3), выходное напряжение на r spkr , по сравнению с входным.

На графике в том же масштабе (от 0 до 4 вольт) мы видим, что выходной сигнал на рисунке выше имеет меньшую размах амплитуды, чем входной сигнал, в дополнение к более низкому напряжению смещения, а не повышенному. от 0 вольт вроде вход. Поскольку коэффициент усиления по напряжению для усилителя переменного тока определяется соотношением амплитуд переменного тока, мы можем игнорировать любое смещение постоянного тока, разделяющее две формы сигнала. Даже в этом случае форма входного сигнала по-прежнему больше, чем выходного сигнала, что говорит нам о том, что коэффициент усиления по напряжению меньше 1 (отрицательное значение в дБ).

Низкое усиление по напряжению не характерно для усилителей с общим эмиттером. Это следствие большой разницы между входным сопротивлением и сопротивлением нагрузки. Входное сопротивление (R1) здесь составляет 1000 Ом, а нагрузка (динамик) всего 8 Ом. Поскольку коэффициент усиления по току этого усилителя определяется исключительно β транзистора, и поскольку это значение β является фиксированным, коэффициент усиления по току для этого усилителя не будет изменяться при изменении любого из этих сопротивлений. Однако коэффициент усиления по напряжению на зависит от этих сопротивлений.Если мы изменим сопротивление нагрузки, сделав его большим значением, оно упадет пропорционально большему напряжению для своего диапазона токов нагрузки, что приведет к большей форме выходного сигнала. Попробуйте другое моделирование, только на этот раз с нагрузкой 30 Ом на рисунке ниже вместо нагрузки 8 Ом.

Усилитель с общим эмиттером 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). конец 

Увеличение r spkr до 30 Ом увеличивает выходное напряжение

На этот раз форма волны выходного напряжения на рисунке выше значительно больше по амплитуде, чем форма волны входного сигнала.Присмотревшись, мы видим, что амплитуда выходного сигнала колеблется от 0 до 9 вольт: примерно в 3 раза больше амплитуды входного напряжения.

Мы можем провести еще один компьютерный анализ этой схемы, на этот раз попросив SPICE проанализировать ее с точки зрения переменного тока, дав нам значения пикового напряжения для входа и выхода вместо временного графика форм сигналов. (Таблица ниже)

Список соединений SPICE для печати входных и выходных напряжений переменного тока.

 Усилитель с общим эмиттером 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). конечная частота v (1) v (4,3) 2.000E + 03 1.500E + 00 4.418E + 00 

Измерения пикового напряжения на входе и выходе показывают, что входное напряжение составляет 1,5 В, а выходное напряжение — 4,418 В. Это дает нам коэффициент усиления по напряжению 2,9453 (4,418 В / 1,5 В) или 9,3827 дБ.

Решение для увеличения напряжения:

Поскольку коэффициент усиления по току усилителя с общим эмиттером фиксируется на β, и поскольку входное и выходное напряжения будут равны входному и выходному токам, умноженным на соответствующие резисторы, мы можем вывести уравнение для приблизительного усиления напряжения:

Как видите, прогнозируемые результаты для усиления напряжения довольно близки к результатам моделирования.При идеально линейном поведении транзистора эти два набора цифр будут точно совпадать. SPICE разумно учитывает многие «причуды» работы биполярного транзистора в своем анализе, отсюда и небольшое несоответствие в усилении напряжения на выходе SPICE.

Эти приросты напряжения остаются неизменными независимо от того, где мы измеряем выходное напряжение в цепи: на коллекторе и эмиттере или на последовательном нагрузочном резисторе, как мы это делали в последнем анализе. Величина изменения выходного напряжения для любой заданной величины входного напряжения останется прежней.Рассмотрим два следующих анализа SPICE как доказательство этого. Первое моделирование на рисунке ниже основано на времени, чтобы обеспечить график входных и выходных напряжений. Вы заметите, что два сигнала сдвинуты по фазе на 180o друг с другом. Вторая симуляция в таблице ниже — это анализ переменного тока, чтобы обеспечить простые показания пикового напряжения для входа и выхода.

Усилитель с общим эмиттером 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.модель mod1 npn .tran 0,02m 0,74m .plot tran v (1,0) v (3,0) .end 

Усилитель с общим эмиттером показывает усиление по напряжению с R spkr = 30 Ом Список соединений SPICE для анализа переменного тока

 Усилитель с общим эмиттером 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). конечная частота v (1) v (3) 2.000E + 03 1.500E + 00 4.418E + 00 

У нас все еще пиковое выходное напряжение 4.418 вольт при пиковом входном напряжении 1,5 вольт.

До сих пор во всех примерах схем, показанных в этом разделе, использовались транзисторы NPN. Транзисторы PNP так же пригодны для использования, как NPN в любой конфигурации усилителя , при условии сохранения правильной полярности и направления тока, и усилитель с общим эмиттером не является исключением. Инверсия выхода и коэффициент усиления транзисторного усилителя PNP такие же, как и у его аналога NPN, только полярность батареи отличается.

Версия PNP усилителя с общим эмиттером.

ОБЗОР:

  • Транзисторные усилители с общим эмиттером так называются, потому что точки входа и выхода напряжения совместно используют вывод эмиттера транзистора друг с другом, без учета каких-либо источников питания.
  • Транзисторы — это, по сути, устройства постоянного тока: они не могут напрямую обрабатывать напряжения или токи в обратном направлении. Чтобы заставить их работать для усиления сигналов переменного тока, входной сигнал должен быть смещен напряжением постоянного тока, чтобы транзистор оставался в активном режиме на протяжении всего цикла волны.Это называется смещением .
  • Если выходное напряжение измеряется между эмиттером и коллектором усилителя с общим эмиттером, оно будет сдвинуто по фазе на 180 ° с формой волны входного напряжения. Таким образом, усилитель с общим эмиттером называется схемой инвертирующего усилителя .
  • Коэффициент усиления по току транзисторного усилителя с общим эмиттером при нагрузке, включенной последовательно с коллектором, равен β. Коэффициент усиления по напряжению транзисторного усилителя с общим эмиттером приблизительно приведен здесь:

  • Где «Rout» — резистор, подключенный последовательно с коллектором, а «Rin» — резистор, подключенный последовательно с базой.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

Усилитель с общим эмиттером

BJT — курс аналоговой электроники

Базовый усилитель с общим эмиттером BJT имеет очень высокий коэффициент усиления, могут сильно отличаться от одного транзистора к другому. Коэффициент усиления сильно зависит как от температуры, так и от тока смещения. и поэтому реальный выигрыш в некоторой степени непредсказуем. Один из распространенных способов решения этих проблем — использование эмиттерное вырождение. Вырождение эмиттера относится к добавлению небольшого резистора (R4) между эмиттером и общий источник сигнала.

В этой схеме клемма базы транзистора является входом, коллектор — выходом, а эмиттер — выходом. общий для обоих. Это усилитель напряжения с инвертированным выходом. Усилитель BJT с общим эмиттером — один из трех основные конфигурации одноступенчатых усилителей на биполярно-переходных транзисторах (BJT).

R3 6,8 тыс. 1 тыс.

R4 1K510

CE 100u10n

Вибрация 10 мВ 50 мВ

    Примечания:
  • Измерьте результаты моделирования и сравните их с теоретическими, используя приведенные ниже формулы.Вы можете получить значения формы сигнала, щелкнув по графику. Предположим следующее для вашего расчеты
  • Мы используем модель транзистора 2N3904. Если вы правильно построите эту схему в лаборатории, используя 2N3904, вы должны увидеть аналогичные результаты.
  • Используйте «Переключить график» для просмотра совмещенных или сложенных графиков. Сложенные графики отображают максимальные формы сигналов, тогда как комбинированные формы сигналов показывают их относительные значения.
  • Когда вы выбираете конденсатор CE равным 10 нФ, его реактивное сопротивление (@ источник сигнала частота 1 кГц) намного меньше, чем R4, и ею можно пренебречь.Нарисуйте эквивалентную схему переменного тока без CE и получить коэффициент усиления по напряжению. \ begin {уравнение} {v_c \ over v_i} = — {R_3 \ over r_e + R_4} \ end {уравнение}

Анализ постоянного тока

Сначала мы перерисовываем схему, используя модель BJT DC. Конденсаторы считаются разомкнутой цепью постоянного тока и поэтому исключаются.

I B можно игнорировать, если \ begin {уравнение} 10R_2 B можно рассчитать, используя KVL как простую схему делителя напряжения. \ begin {уравнение} V_B = {R_2 \ over {R_1 + R_2}} V_S \ end {уравнение} Ток в узле E \ begin {уравнение} I_E = I_B + I_C \ end {уравнение} если I C намного больше, чем I B , I B можно игнорировать \ begin {уравнение} I_E = I_C \ end {уравнение}

Использование KVL (закон напряжения Кирхгофа) \ begin {уравнение} V_B = I_ER_4 + V_ {BE} \ end {уравнение} \ begin {уравнение} V_S = I_CR_3 + V_ {C} \ end {уравнение}

Если вы проектируете, а не анализируете цепь постоянного тока, вам следует выбирать номиналы резистора таким образом, чтобы VC составлял половину напряжение питания.Это необходимо для получения максимального размаха выходного напряжения.

\ begin {уравнение} V_ {C} = {V_S \ более 2} \ end {уравнение}

Анализ переменного тока

Далее мы перерисовываем схему, используя малый сигнал BJT. модель. Конденсаторы считаются закороченными в переменном токе (R4 закорочен Ce) и источники постоянного тока подключены к GND (земле). Рассчитать re

\ begin {уравнение} r_e = {v_T \ over I_E} \ end {уравнение}

Так как входное напряжение v i проходит через r e и согласно закону Ома

\ begin {уравнение} i_e = {v_i \ over r_e} \ end {уравнение}

Выходное напряжение \ begin {уравнение} v_c = -i_cR_3 \ end {уравнение} инвертированный выход обусловлен текущим направлением.

Из KCL мы знаем, что \ begin {уравнение} i_e = i_b + i_c \ end {уравнение} Игнорируя i b из уравнения, поскольку оно мало по сравнению с i c , мы получаем \ begin {уравнение} v_c = -i_eR_3 \ end {уравнение}

Применяя уравнение 9 к уравнению 12, коэффициент усиления по напряжению усилителя равен \ begin {уравнение} {v_c \ over v_i} = — {R_3 \ over r_e} \ end {уравнение}

Поскольку доходы от рекламы падают, несмотря на рост числа посетителей, нам нужна ваша помощь в поддержании и улучшении этого сайта, что требует времени, денег и тяжелого труда.Благодаря щедрости наших посетителей, которые давали ранее, вы можете использовать этот сайт бесплатно.

Если вы получили пользу от этого сайта и можете, пожалуйста, отдать 10 долларов через Paypal . Это позволит нам продолжаем в будущее. Это займет всего минуту. Спасибо!

Я хочу дать!

Усилитель основного излучателя БДЖТ основного биполярного переходного транзистора

Простой усилитель с общим эмиттером BJT является одним из трех основных однокаскадных усилителей на биполярно-переходных транзисторах (BJT). топологии.Используется как усилитель напряжения. В этой схеме базовый вывод транзистора является входом, коллектор — это выход, а эмиттер общий для обоих, отсюда и его название.

Простой усилитель с общим эмиттером дает усилителю инвертированный выходной сигнал и имеет высокий коэффициент усиления, который может широко варьироваться. от одного транзистора к другому. Коэффициент усиления зависит от температуры, тока смещения и β, поэтому фактическая усиление несколько непредсказуемо. Один из распространенных способов решения этих проблем — использование дегенерации эмиттера.

R1 1MEG300K

R2 5.1K1K

β 30050

Вибрация 10 мВ 50 мВ

    Примечания:
  • Измерьте результаты моделирования и сравните их с теоретическими, используя приведенные ниже формулы. Вы можете получить значения формы сигнала, перемещая курсор по графику. Вы можете использовать следующее для своего расчеты
  • Обратите внимание на влияние R1, β и входного сигнала на ваши результаты. В реальных транзисторах β может варьироваться на ± 50%.Эффект β можно устранить, введя эмиттер перерождение.
  • Мы используем модель транзистора 2N3904. Если вы правильно построите эту схему в лаборатории, используя 2N3904, обратите внимание, что фактическое значение β вашего транзистора повлияет на ваши измеренные значения.
  • Используйте «Переключить график» для просмотра совмещенных или сложенных графиков. Сложенные графики отображают максимальные формы сигналов, тогда как комбинированные формы сигналов показывают их относительные значения.

Анализ постоянного тока

Сначала мы перерисовываем схему, используя модель BJT DC.Конденсаторы считаются разомкнутой цепью постоянного тока и поэтому исключаются.

Используя KCL (текущий закон Кирхгофа)
Ток через R B \ begin {уравнение} I_ {R1} = I_B \ end {уравнение} Ток через R C \ begin {уравнение} I_C = \ beta I_B \ end {уравнение} Ток в узле E \ begin {уравнение} I_E = I_B + I_C \ end {уравнение}

Использование KVL (закон напряжения Кирхгофа) \ begin {уравнение} V_S = I_BR_1 + V_ {BE} \ end {уравнение} \ begin {уравнение} V_S = I_CR_2 + V_ {C} \ end {уравнение} Подставьте уравнение 2 в уравнение 5: \ begin {уравнение} V_S = \ beta I_BR_C + V_ {C} \ end {уравнение}

Чтобы получить максимальный размах выходного сигнала, вы должны выбрать такие номиналы резистора, чтобы VC составлял половину напряжения питания.

\ begin {уравнение} V_ {C} = {V_S \ более 2} \ end {уравнение}

Анализ переменного тока

Далее мы перерисовываем схему, используя малый сигнал BJT. модель. Конденсаторы считаются закороченными в сети переменного тока, а источники постоянного тока подключены к GND (земле). Рассчитать р е

\ begin {уравнение} r_e = {v_T \ over I_E} \ end {уравнение}

Так как входное напряжение v i проходит через r e и согласно закону Ома

\ begin {уравнение} i_e = {v_i \ over r_e} \ end {уравнение}

Выходное напряжение \ begin {уравнение} v_c = -i_cR2 \ end {уравнение} инвертированный выход обусловлен текущим направлением.

Из KCL мы знаем, что \ begin {уравнение} i_e = i_b + i_c \ end {уравнение} Игнорируя i b из уравнения, поскольку оно мало по сравнению с i c , мы получаем \ begin {уравнение} v_c = -i_eR2 \ end {уравнение}

Применяя уравнение 9 к уравнению 12, коэффициент усиления по напряжению усилителя равен \ begin {уравнение} {v_c \ over v_i} = — {R2 \ over r_e} \ end {уравнение}

Поскольку доходы от рекламы падают, несмотря на рост числа посетителей, нам нужна ваша помощь в поддержании и улучшении этого сайта, что требует времени, денег и тяжелого труда.Благодаря щедрости наших посетителей, которые давали ранее, вы можете использовать этот сайт бесплатно.

Если вы получили пользу от этого сайта и можете, пожалуйста, отдать 10 долларов через Paypal . Это позволит нам продолжаем в будущее. Это займет всего минуту. Спасибо!

Я хочу дать!

Эмиттерный усилитель

— обзор

Это усиление немного меньше, чем у усилителя CE. Его преимущество — входное сопротивление

Пример 2.5

Усилитель Дарлингтона

На рисунке E2.5 показан усилитель Дарлингтона с шунтирующим эмиттерным резистором на Q 2 , подключаемым к общему резистору начальной загрузки 10 кОм в узле 50. Анализ постоянного тока следует за развитием, аналогичным анализу переменного тока. . Следовательно, решение для постоянного тока будет взято из модели SPICE, и будет разработано только решение для переменного тока. Сопротивление эмиттера BJT составляет

re1 = 156 Ом, re2 = 31,9 Ом

РИС. E2.5.

Поскольку вход Q 2 является самонастраивающимся, входное сопротивление до Q 2 (от базы Q 2 , включая резистор 10 кОм между узлами 20 и 50) может быть найдено с использованием (2.52). Подстановка значений дает

rin2 = 10 кОм || (100) (3,19 Ом + 1,0 кОм)

+ (100) (10 кОм) [10 кОм 10 кОм + (100) (31,9 Ом + 1,0 кОм)]

+ 10 кОм [(100 ) (31,9 Ом + 1,0 кОм) 10 кОм + (100) (31,9 Ом + 1,0 кОм]

= 9116,53 Ом + 88347 Ом + 9116,43 Ом = 106580 Ом

Теперь (2,65) используется для определения усиления из-за Q 1 :

Av1 = −α1 · RLre1 + rin2 = −0,0473

Прирост Q 2 находится следующим образом:

Av2 = vb2vi · ie2vb2 · (−R1) = (rin2re1 + rin2re1 + rin2re1 ) ie2vb2 · (−RL) ↑ (2.53)

Опять же, мы используем другое уравнение начальной загрузки (2.53), чтобы найти крутизну каскада Q 2 . Подставляя значения в это уравнение, мы получаем

Av2 = — (0,09985) (0,4185) = — 0,4179

Таким образом, общий выигрыш составляет

Av = Av1 + Av2 = −0,4652

Результат SPICE соответствует. Наконец, входное сопротивление составляет

rin = (β + 1) (re1 + rin2) = (100) (156Ω + 106580Ω) = 10,67MΩ

При коэффициенте усиления меньше единицы этот усилитель не очень полезен.Прирост можно легко увеличить (см. Пример 2.3). Однако входное сопротивление очень полезно для усилителя на входе напряжения.

Пример 2.3

Каскодный усилитель

Типичный каскодный усилитель показан на рисунке E2.3. Воспользуемся консервативным β, равным 99. Расчет постоянного тока для эмиттерного тока Q 1 дает 600 мкА. Ток эмиттера Q 2 является током коллектора Q 1 , или 594 мкА. Тогда динамические сопротивления эмиттера

re1 = 43.3 Ом, re2 = 43,8 Ом

Применяя (2,63), мы получаем коэффициент усиления по напряжению А v = -0,26. Этот выигрыш хорошо согласуется с результатами SPICE. Выходное сопротивление (при условии бесконечности r o2 ) составляет R L . = 1,0 кОм. Входное сопротивление

rin = RB + (β1 + 1) (re1 + RE) = 374,3 кОм

Выход SPICE согласен. Этот конкретный пример каскодного усилителя не имеет полезного коэффициента усиления (& gt; 1), но может работать как устройство сдвига постоянного напряжения.Если мы уменьшим R E , коэффициент усиления (величина) увеличится, но ток эмиттера постоянного тока также возрастет, а входное сопротивление уменьшится. Сложность здесь отчасти связана со стоимостью доступных источников питания. Для меньшего R E , — V EE также необходимо сделать меньше для того же тока смещения. Но уменьшение В EE делает ток смещения более чувствительным к В BE1 . Чтобы достичь как стабильной рабочей точки, так и более высокого усиления, используйте большой V EE для стабильного тока смещения и создайте эквивалентный источник Тевенина, поместив другой резистор между эмиттером и землей.Два эмиттерных резистора дают свободу выбора как эквивалентного напряжения питания Тевенина, так и сопротивления эмиттера.

(2,68) rin = RB + (β1 + 1) [re1 + (β2 + 1) (re2 + RE)] ≅ (β + 1) 2 [re2 + RE] β1 = β2 = β

, что больше, чем это СЕ в (β + 1) раз. Усилитель Дарлингтона является хорошим входным каскадом для усилителей напряжения и крутизны из-за высокого входного сопротивления. Если принять во внимание транзистор r o , выходное сопротивление включает два параллельных сопротивления коллектора с относительно низкими r c , особенно для управляемого транзистора.

Усилитель с общим эмиттером — Electronics-Lab.com

Представляем усилитель с общим эмиттером

В следующих трех руководствах, включая этот, мы представим три элементарных топологии усилителей на биполярных транзисторах: усилитель с общим эмиттером , усилитель с общим коллектором и, наконец, усилитель с общей базой.

Мы начинаем эту серию руководств с рассмотрения наиболее распространенного типа усилителя, который можно найти в бесконечном списке приложений: усилитель с общим эмиттером , который в дальнейшем мы будем называть «CEA».

На первом рисунке ниже представлена ​​упрощенная электрическая схема конфигурации CEA. Цель Рисунок 1 — просто показать общую конфигурацию CEA. Однако некоторые важные элементы реальной архитектуры CEA отсутствуют и будут представлены более подробно в следующем разделе.

рис 1: электрическая схема CEA

В этой конфигурации входной сигнал доставляется в ветвь базы, а выходной — в ветвь коллектора биполярного транзистора.Название «Общий эмиттер» происходит от того факта, что ветвь эмиттера напрямую подключена к земле цепи.

Полная конфигурация CEA

Упрощенная схема, приведенная на , рис. 1 , не включает никаких цепей смещения, конденсаторов связи и развязки и т. Д. Реальная схема конфигурации CEA приведена на рис. 2 :

рис 2: Полная конфигурация CEA

Прежде всего, давайте разберемся с добавленными резисторами:

  • Сопротивление R L параллельно сопротивлению R C коллектора, оно представляет нагрузку, то есть следующий этап схемы после CEA: это может быть антенна, динамик или просто еще один усилитель или каскад электронной схемы.
  • Сопротивление R S представляет собой внутреннее сопротивление синусоидального источника.
  • Резисторы R 1 и R 2 параллельны базовой ветви биполярного транзистора и образуют так называемый делитель напряжения сети . Этот делитель напряжения, показанный в руководстве «Смещение биполярного транзистора в конфигурации с общим эмиттером», является наиболее подходящим методом смещения, поскольку он улучшает стабильность усилителя.

Кроме того, добавлены три емкости:

  • Конденсаторы C 1 и C 3 обычно известны как «конденсаторы связи».Емкость связи C 1 пропускает только сигнал переменного тока (AC) в качестве входа конфигурации CEA, блокируя прохождение постоянного тока (DC) от источника питания к источнику. Емкость связи C 3 делает то же самое, блокируя любую составляющую постоянного тока, поступающую от нагрузки R L или идущую на нее. Подводя итог, можно сказать, что C 1 и C 3 позволяют сигналу переменного тока полностью пересекать CEA, но блокируют вход сигналов постоянного тока в CEA.
  • Эмиттерная ветвь подключена к земле через «развязывающую» или «деривационную» емкость C 2 .Позже в руководстве показано, как важна эта емкость для усиления сигнала напряжения.

В этой конфигурации постоянный ток ограничен смещением CEA и опускается на землю, в то время как переменный ток может пересекать CEA от входа к выходу. Поскольку эта схема работает с сигналами постоянного и переменного тока, при анализе конфигурации CEA, как это делается в следующих двух разделах, необходимо принимать во внимание и то и другое.

Эквивалентная цепь постоянного тока

В постоянном токе конденсатор связи и развязки работает как разомкнутая цепь.Принимая во внимание этот факт, эквивалентная схема в постоянном токе Рисунок 2 представлена ​​на Рисунок 3 ниже:

рис.3: Эквивалентная схема CEA на постоянном токе

В этой схеме базовое напряжение V B определяется формулой делителя сети:

Базовое сопротивление R B обычно не учитывается при вычислении V B , поскольку оно находится в параллельной конфигурации с сопротивлениями смещения и его значение в большинстве случаев как минимум на порядок выше, чем R . 2 .Однако для некоторых конфигураций это утверждение может быть недействительным или, если требуется высокая точность значения V B , полная формула должна включать базовое сопротивление R B :

уравнение 1: Полное выражение базового напряжения

Таким образом, мы можем выразить V E = V B -V BE , где V BE = 0,7 В — это пороговое напряжение биполярного транзистора на основе кремния.

Предположим, что коэффициент усиления по току биполярного транзистора β определяется выражением I C = β × I B с током коллектора I C и базовым током I B , например, как описано в Рисунок 2 .Мы уже упоминали прямо перед этим, что R B >> R 2 , более того, поскольку I E ≅I C , мы можем написать из Рисунок 3 , что R B × I B = R E × I C . При замене I C на β × I B , базовый ток I B упрощается, и мы получаем выражение для сопротивления базы:

уравнение 2: Выражение сопротивления базы

Эквивалентная цепь в AC

В переменном токе конденсаторы связи и развязки эквивалентны короткому замыканию.Следовательно, эмиттерная ветвь закорочена на землю, а смещение и коллектор не включены. Кроме того, мы вводим в схему небольшое сопротивление эмиттера диода r e = 25 мВ / I out , которое представляет собой динамическое сопротивление для малых сигналов переменного тока p / n перехода биполярного транзистора. Принимая это во внимание, эквивалентная схема в переменном токе Рисунок 2 дается Рисунок 4 ниже:

рис. 4: Эквивалентная схема CEA в переменном токе

Входное сопротивление

Общее входное сопротивление R в конфигурации CEA определяется параллельной конфигурацией сопротивлений смещения и базы R 1 // R 2 // R B :

уравнение 3: Выражение входного сопротивления

Выходное сопротивление

Полное выходное сопротивление R из конфигурации CEA определяется параллельной конфигурацией сопротивлений коллектора и нагрузки R C // R L :

уравнение 4: Выражение выходного сопротивления

Коэффициент усиления по напряжению

Коэффициент усиления по напряжению конфигурации CEA просто определяется как A V = V out / V in .При рассмотрении схемы, представленной на рис. 4 , мы имеем V на выходе = R на выходе × I на выходе и V на выходе = r e × I на выходе . Выходной ток упрощается, а коэффициент усиления по напряжению определяется соотношением:

уравнение 5: Выражение усиления напряжения на высокой частоте

Уравнение 5 дает выражение усиления напряжения, когда деривационная емкость ведет себя как идеальное короткое замыкание, то есть на высоких рабочих частотах.

Значение деривационной емкости

Интересно увидеть эффект деривационной емкости C 2 , представленной на рис. 2 . Действительно, если эта емкость не используется, эмиттерная ветвь не закорочена на землю в , рис. 4, , и общее сопротивление в этой ветви будет R E + r e вместо r e . Следовательно, коэффициент усиления по напряжению становится:

уравнение 6: Выражение усиления напряжения на низкой частоте

Обычно сопротивление эмиттера удовлетворяет R E >> r e , так что мы можем аппроксимировать усиление напряжения на A V = R out / R E .Поскольку сопротивление эмиттера намного больше, чем сопротивление небольшого диода, коэффициент усиления по напряжению очень сильно уменьшается.

Например, типичные значения: R C // R L = 1 кОм, R E = 500 Ом и r e = 5 Ом.

  • Без деривационной емкости коэффициент усиления по напряжению составляет A В = 1000/505 = 1,98
  • С деривационной емкостью коэффициент усиления по напряжению становится A В = 1000/5 = 200

Поэтому деривационная емкость в эмиттерной ветви очень важна для усиления сигнала напряжения. Уравнение 6 дает выражение усиления напряжения, когда деривационная емкость ведет себя как полностью разомкнутая цепь, то есть на очень низких рабочих частотах или в режиме постоянного тока.

Затухание источником

В рис. 4 мы не рассматривали источник с его внутренним сопротивлением R S , представленным на рис. 2 . В действительности на усиление по напряжению влияет коэффициент V B / V S , который представляет диммирование, вызванное малым внутренним сопротивлением источника.Коэффициент усиления при ослабленном напряжении составляет A V ‘= A V × (V B / V S ) , и этот коэффициент определяется по формуле:

уравнение 7: Коэффициент ослабления усиления по напряжению

Этот коэффициент обычно очень близок к 1, поэтому часто не учитывается для получения приблизительного значения усиления конфигурации CEA.

Текущее усиление

Текущее усиление определяется следующим образом: A I = I out / I in , где I in = V in / R in и I out = V out / R out .Получается тогда:

Коэффициент усиления по напряжению A В может быть получен с помощью выражения Уравнение 5 , которое упрощает R из и оставляет:

уравнение 8: Выражение текущего усиления

Поскольку R в >> r e , текущее усиление конфигурации CEA является высоким.

Инверсия фазы

Одна очень важная характеристика CEA, о которой мы еще не упомянули, заключается в том, что он инвертирует фазу выходных сигналов.Давайте рассмотрим, например, CEA с коэффициентом усиления 10 по напряжению, который имеет входное напряжение 2 В от пика до пика, и визуализируем входное и выходное напряжения на одном рисунке:

рис. 5: Изображение инверсии фазы. Построено с использованием MatLab®

Инверсия фазы в основном означает, что максимум выходного напряжения соответствует минимуму входного напряжения, а минимум выходного сигнала соответствует максимуму входного сигнала.

Заключение

В заключение мы увидели, как ведет себя конфигурация усилителя Common Emitter Amplifier (CEA).Сначала представлена ​​упрощенная схема, чтобы познакомиться с основными аспектами этого усилителя. Позже мы увидели архитектуру полной схемы CEA, поняв роль резистора смещения и нагрузки, а также конденсаторов связи и развязки. Анализируя эквивалентную схему в режимах постоянного и переменного тока, мы получили выражения для важных параметров: входного и выходного импеданса, а также коэффициентов усиления по напряжению и току. CEA представляет высокого напряжения и коэффициента усиления по току , которые увеличиваются за счет наличия деривационной емкости в эмиттерной ветви, а также имеет высокое входное и выходное сопротивление, что делает его подходящим в качестве универсального усилителя для многих приложений.Еще одна характеристика, характерная только для CEA, — это инверсия фазы 180 ° = π rad между входным и выходным сигналами.

В следующем уроке мы проанализируем другой тип усилителя, который выдает выходной сигнал из своей эмиттерной ветви: усилитель с общим коллектором.

.

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *