Сравнительный анализ схемы с общей базой и общим эмиттером
Сравнивая выражение (6 ОБ) с аналогичным выражением (6 ОЭ) для коэффициента усиления по мощности схемы с ОЭ, можно видеть, что теоретически в усилителе с ОЭ достижимо более высокое значение коэффициента усиления по мощности, чем в усилителе с ОБ. Однако, для нормальной работы в широком частотном диапазоне усилитель с ОЭ приходится охватывать достаточно глубокой ООС, которая существенно снижает общий коэффициент усиления по мощности (сильная частотная зависимость коэффициента усиления по мощности каскада с ОЭ без цепи ООС обусловлена заметным падением коэффициента передачи тока базы 
по мере роста частоты усиливаемого сигнала). В случае же использования усилителя по схеме с ОБ необходимость в глубокой ООС обычно отпадает, поскольку частотная зависимость коэффициента передачи тока эмиттера 
не выражена так явно, как в случае с коэффициентом передачи тока базы (т.е. 
, где 
, 
— граничные частоты коэффициентов передачи тока и соответственно). В результате, на практике, при конструировании широкополосных усилителей в схемах с ОБ достижим коэффициент усиления, сравнимый, а иногда и больший, чем в аналогичных усилителях с ОЭ. Для узкополосных усилителей эффективнее все-таки оказываются решения с ОЭ.
В общем случае применение усилительных каскадов с ОБ наиболее рациональным оказывается в высокочастотных усилителях, особенно во входных трактах высокочувствительной приемной аппаратуры, в различных датчиках и измерительных приборах, где важнейшими параметрами являются чувствительность и коэффициент шума каскада. По данным показателям усилители с ОБ занимают первое место среди схем на базе биполярных транзисторов. Проблемы здесь могут возникнуть только в вопросах обеспечения устойчивости, особенно при построении узкополосных усилителей. Основным способом их преодоления является охват усилителя цепями внутрикаскадных ООС, которые хотя и снижают коэффициент усиления, но повышают общую устойчивость усилителя. В низкочастотных трактах использование усилителей с ОБ затруднено по причине низкого входного сопротивления и относительно узкого динамического диапазона.
|
|
|
Схема с общим коллектором
На рис. 3.18 приведена схема усилительного каскада на биполярном транзисторе р-п-р-типа, включенном с ОК (для транзистора п-р-п-типа все останется прежним, только полярность источника питания, а соответственно, и направление токов изменятся на противоположные).
Рис. 3.18 Схема усилительного каскада с ОК
С1, С2 — разделительные конденсаторы (являются элементами межкаскадных связей, предотвращают проникновение постоянной составляющей сигнала с выхода одного каскада усиления на вход другого, могут использоваться для коррекции частотных характеристик);
|
|
|
С3 — фильтрующий конденсатор (предотвращает проникновение переменной составляющей сигнала в цепи питания).
Прежде всего, отметим, что единственное принципиальное отличие данной схемы от схемы усилительного каскада с ОЭ (рис. 3.10) состоит в том, что выходной сигнал снимается не с коллекторного, а с эмиттерного вывода транзистора. Это определяет отсутствие инверсии сигнала в усилителе с ОК.
Полная эквивалентная схема для переменных токов и напряжений представлена на рис. 3.18.
Принципы построения эквивалентной схемы в данном случае те же, что были описаны для каскада с ОЭ. По эквивалентной схеме сразу видно, что направления входного 
и выходного 
напряжений совпадают, именно это и означает, что инверсии сигнала в данном каскаде нет.
Сопротивление 
отражает общее сопротивление входных цепей каскада переменному току равно: 
.
Входное сопротивление 
эквивалентной схемы на рис. 3.19 определяется как параллельное включение цепи смещения базы, ивходного сопротивления транзистора 
: 
, 
.
Запишем уравнение Кирхгофа для входной цепи транзистора (Б — Корпус):
|
|
|
Тогда:
| (3. 15) |
Таким образом, общее входное сопротивление 
транзисторного усилительного каскада по схеме с ОК определяется: параметрами делителя напряжения 
, 
; коэффициентом передачи тока базы 
; сопротивлением отрицательной обратной связи в цепи эмиттера 
. Более глубокий анализ показывает, что входное сопротивление в любом случае не превышает величины:
.
Сравнивая выражение (3. 15) с формулой для входного сопротивления усилительного каскада с ОЭ (3. 9), можно видеть, что отличия между ними минимальны и обусловлены только включением в эмиттерную цепь транзистора нагрузки 
, несколько шунтирующей резистор и снижающей тем самым входное сопротивление. На практике, однако, в каскадах с ОК обычно достигаются большие значения входного сопротивления, чем в каскадах с ОЭ. Причина здесь в том, что в каскаде с ОК резистор , обеспечивающий отрицательную обратную связь по току, как правило выбирается достаточно большим по сравнению с резистором 
, который в пределе может и вообще отсутствовать (эмиттерный повторитель).
Выходное сопротивление ( 
) эквивалентной схемы на рис. 3.19 определяется при отключенной нагрузке по переменному току и нулевом входном сигнале, т.е. 
= 0. Рассмотрим случай, когда к точкам схемы Э — Корпус приложено напряжение сигнала стороннего генератора 
подключаемого вместо нагрузки ) . Сопротивление 
обычно достаточно велико, и его можно исключить из дальнейшего рассмотрения. Уравнение Кирхгофа для напряжения ( будет иметь следующий вид:
|
|
|
Рис. 3.19. Эквивалентная схема усилительного каскада с ОК для переменных составляющих токов и напряжений
Выходное сопротивление в точках схемы Э – Корпус соответствует формуле 
, где:
.
Таким образом, выражение для полного выходного сопротивления схемы принимает вид:
| (3. 16) |
Сразу видно, что полученный в формуле (3.16) результат даже близко не лежит со значениями выходного сопротивления в каскадах с ОЭ (3. 2) и с ОБ (3. 11). В схеме с ОК выходное сопротивление оказывается очень малым, поскольку определяется только дифференциальным сопротивление эмиттерного перехода транзистора 
. У современных маломощных транзисторов величина обычно лежит в пределах 1...100 Ом. Она сильно зависит от постоянного ток эмиттера. В некотором приближении можно считать: 
. Т.е. при токе 10 мА выходное сопротивление каскада будет не более 3 Ом. Столь низкое выходное сопротивление каскада с ОК позволяет подключать к нему низкоомные нагрузки, обеспечивая при этом хороший КПД (напомним, что большой КПД достигается при значительном превышении сопротивления нагрузки над выходным сопротивлением источника сигнала).
Коэффициент усиления по току ( 
).Ток в нагрузке 
зависит от токораспределения в выходной цепи:
.
С учетом 
получаем:
, где
– коэффициент передачи тока выходной цепи.
Подобно схеме с ОЭ, входной ток в схеме с ОК также содержит две составляющие:
– ток делителя, определяющий часть мощности входного сигнала, рассеиваемой в цепи делителя;
– ток базы, определяющий часть мощности входного сигнала, затрачиваемой на управление выходным током.
Поэтому коэффициент передачи тока входной цепи 
выражается так же, как и в схеме с ОЭ:
; 
Коэффициент усиления по току определяется как отношение тока нагрузки 
ко входному току 
:
| (3. 17) |
Коэффициент усиления по напряжению ( 
).Для напряжения выходного сигнала в схеме на рис. 3.19 можно записать:
В свою очередь, уравнение Кирхгофа для входной цепи имеет вид:
Дифференциальное сопротивление прямовключенного эмиттерного перехода на практике оказывается достаточно малым, и его влиянием в дальнейших вычислениях можно пренебречь.
С учетом полученных выше соотношений можно записать:
| (3. 18) |
Из полученной формулы видно, что каскад с ОК не обеспечивает усиления по напряжению (даже наоборот — имеется некоторое незначительное затухание сигнала). Может показаться, что такой каскад совершенно бесполезен (или, по крайней мере, неприменим в усилительных схемах), но это не так. Не обладая усилением по напряжению, схема с ОК имеет высокий коэффициент усиления по току, что позволяет использовать ее для усиления мощности.
Коэффициент усиления по мощности ( 
) Перемножение соотношений (3.17) и (3.18) дает формулу:
| (3. 19) |
Эмиттерный повторитель
Первый же взгляд на полученные соотношения (3.15) ... (3.19) показывает, что параметры каскада с ОК практически не зависят от величины сопротивления 
. Естественно, возникает вопрос: а зачем тогда вообще нужно данное сопротивление? Может быть, оно оказывает какое-то положительное воздействие на стабильность исходной рабочей точки по постоянному току? Однако коэффициент нестабильности тока коллектора при выбранном способе построения цепей смещения будет тем меньше, чем большее сопротивление имеет резистор 
в эмиттерной цепи транзистора, образующий внутрикаскадную последовательную ООС по току. Это означает, что при заданной величине питающего напряжения максимальная температурная стабильность исходной рабочей точки достигается при нулевой величине сопротивления в цепи коллектора.
Усилительный каскад на биполярном транзисторе во включении с ОК, в котором реализована 100%-ная последовательная ООС по току (т.е. = 0), принято называть эмиттерным повторителем. Оказывается, что подавляющее большинство усилителей с ОК, используемых в реальной схемотехнике, — это и есть эмиттерные повторители. В связи с этим в литературе довольно часто вообще не различают "эмиттерный повторитель" и, строго говоря, более общий термин "усилительный каскад с ОК".
Не обладая усилением по напряжению, каскад с ОК обеспечивает значительное усиление по току, следствием этого является значительное усиление по мощности.
Каскад с ОК имеет достаточно высокое входное сопротивление. При этом его выходное сопротивление очень мало, т.е, он особенно удобен для согласования высокоомных источников сигнала с низкоомной нагрузкой. Малое выходное сопротивление делает каскад с ОК идеальным и при согласовании с емкостной нагрузкой.
Частотные свойства каскада с ОК (как и каскадов с ОЭ и ОБ) полностью определяются частотными свойствами применяемого транзистора, однако на практике, из-за глубокой ООС, каскад с ОК является более высокочастотным, чем каскад с ОЭ.
Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 1332; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!