Каскад с общим эмиттером

1.Каскад с общим эмиттером.

В простейшем каскаде с ОЭ входной сигнал подаётся на базу, а цепь эмиттера подключена к общему проводу. Каскады с ОЭ обеспечивают усиление как по току, так и по напряжению. Ток коллектора очень слабо зависит от напряжения на нём, поэтому транзистор со стороны со стороны коллектора в большинстве случаев можно рассматривать как генератор тока Iк с очень большим выходным сопротивлением.

Крутизна транзистора S=1/(rэ+Rэ), где rэ=fт/Iэ - диференциальное сопротивление эмиттерного перехода - выступает в качестве последовательного сопротивления во всех схемах, увеличивает входное и выходное сопротивление транзистора.
Коэффициент усиления по напряжению без учёта сопротивления нагрузки Rн и сопротивления коллектора rк
Кu= -S Rвх= - Rк/(rэ+Rэ).
Знак "минус" говорит об инверсии сигнала. Это справедливо при Rк много меньше Rн и rк. В противном случае необходимо учитывать их шунтирующее влияние.
rк=1/h22э - выходное сопротивление коллектора;
h22э - выходная проводимость.
Соответственно при отсутствии Rэ Кu= -Rк/rэ.
Как видно из приведённой формулы, каскаду с ОЭ (без принятия дополнительных мер) свойственны большие нелинейные искажения, т.к. в знаменателе есть нелинейная величина rэ, имеющая сложную зависимость от тока коллектора.
Уменьшить нелинейные эффекты можно по следующим направлениям:
- уменьшение влияния rэ путём установки последовательно с ним резистора Rэ (местная ООС по току);
- компенсация влияния rэ путём установки последовательно с Rк одного или нескольких диодов динамическое сопротивление которых равно: rд=fт/Iк, тогда
Кu=(Rк+nrд)/(rэ+Rэ), где n - количество диодов;

- выбор оптимального тока коллектора, при котором минимальны изменения h21э;
- правильный выбор рабочей точки;
- применение местной ООС по напряжению, которая одновременно уменьшает влияние ёмкости Ск, так как шунтирует её:

- выбор оптимального сопротивления источника (например, подбором сопротивления Rп последовательно со входом;
- уменьшение влияния rэ путём замены Rк генератора тока (за счёт стабилизации тока коллектора);
- уменьшение нелинейных эффектов за счёт применения динамической нагрузки;
- взаимокомпенсация нелинейных эффектов за счёт встречной динамической нагрузки.
Усилительные свойства транзисторов сохраняются до напряжения насыщения, которое может быть в пределах от 0.2...0.3В до нескольких вольт в зависимости от тока коллектора. Например, для маломощных транзисторов при токах больше 10...20 мА насыщение может наступать при Uкэ=(1...2)В.
Напряжение Uбэ зависит от температуры и изменяется на -2.1 мВ/?С. Поэтому ток коллектора увеличивается в 10 раз при увеличении Т? на 30?С. Такая нестабильность делает смещение неработоспособным, т.к. даже небольшое изменение температуры выводит транзистор в режим насыщения или отсечки.
Входное сопротивление каскада:
Rвх=Rп+rб+h21э(rэ+Rэ) и имеет ёмкостный характер.
При отсутствии Rп и Rэ и если пренебречь rб, то
Rвх=h21э rэ=h21э25/Iк (мА), Ом
Отсюда видно, что Rвх величина не постоянная, меняется при изменении входного сигнала, т.к. меняется Iк.
Диапазон изменениявходного сигнала при Rэ=0, при котором сохраняется линейный режим, не превышает 2-fт=50 мВ.
Коэффициент передачи тока h21э не постоянен и имеет сложную зависимость для тока коллектора (для маломощных транзисторов). В зависимости от типа транзистора максимум коэффициента передачи может наступать при токах коллектора от 1-2 мА для маломощных транзисторов, до нескольких ампер - для мощных. В режиме насыщения наблюдается резкое падение коллекторного тока независимо от тока базы, при этом коллекторный переход оказывается прямосмещённым.

При сопротивлении источника сигнала Rr>Rвх можно считать, что источник входного сигнала электрически замкнут накоротко. При этом входной ток Iвх=Евх/Rr и практически не зависит от изменяющегося Rвх, где Евх ЭДС источника сигнала.
Следовательно усиление будет происходить с малыми нелинейными искажениями, поскольку зависимость выходного тока транзистора от входного практически линейна, хотя входное напряжение Uвх=IвхRвх - нелинейно.
Однако не следует думать, что чем Rr больше Rвх, тем лучше. Для транзисторного каскада характерна вполне определённая оптимальная величина как внутреннего сопротивления источника сигнала, так и тока коллектора.Необходимо также учитывать, что Rк шунтируется входным делителем каскада.

Ёмкость коллекторного перехода Ск является барьерной ёмкостью и зависит от напряжения на коллекторе, т.е.носит динамический характер.
Подобно тому как Сэ уменьшается в (Кu+1) раз в эмиттерном повторителе благодаря положительной ОС в каскаде с ОЭ Ск увеличивается во столько же раз благодаря отрицательной ОС, что равносильно подключению параллельно входу динамической ёмкости Ск (Кu+1). В большинстве случаев она оказывает отрицательное влияние, однако иногда используют и её. В этом и заключается так называемый эффект Миллера.
Частоту среза каскада снижает не только входная динамическая ёмкость,но и ёмкость нагрузки, в том числе и монтажа. Расширить полосу пропускания можно следующим образом:
- Уменьшить Rн при одновременном увеличении Iк, т.к. усиление прямопропорционально Iк/Св;
- применить транзисторы с малыми ёмкостями переходов;
- отделить нагрузку эмиттерным повторителем.
Как отмечалось выше, простейший каскад не обладает термостабильностью, поэтому практически не используется. Вот один из способов так называемой коллекторной термостабилизации с приминением отрицательнной обратной связи по напряжению:

Если взять исходное напряжение Uк равным 0.5Еп, то Rк=0.5Еп/Iк, сопротивление в цепи базы Rб=0.75Еп/Iб=0.5Еп h21э/Iк.

2.Пример коллекторной стабилизации с исключением влияния ООС по переменному току.

Базовый резистор заменён Т - мостом, где С=Кu/F2pн pR1. Обычно R1 принимают равным R2.

3.Каскад с компенсационным смещением на согласованном транзисторе.

Используется для усиления относительно слабых сигналов. Изменение температуры не влияет на работу схемы.

Аналогичный каскад с трансформаторной связью на входе.

4.Каскад с эмиттерной стабилизацией с помощью ООС по току.

RC - цепь, параллельную резистору Rэ применяют для увеличения усиления по переменному току, а так же для коррекции АЧХ каскада. Сопротивление резистора Rэ в зависимости от тока коллекторавыбирают от долей ома в мощных выходных каскадах до нескольких килоом в маломощных. Ток базового делителя желательно иметь примерно в 10 раз больше тока базы.

Цепь смещения при двухполярном питании:

5.Один из вариантов применения токового зеркала для термостабилизации.

За счёт применения Rэ динамический диапазон такой схемы выше, чем у каскада с компенсационным смещением на согласованном транзисторе.

6.Трёхкаскадный усилитель со взаимной стабилизацией всех каскадов на токовом зеркале Уилсона.

Коэффициент усиления - 5000 и более. Недостаток - низкая нагрузочная способность, проявляющаяся в явно выраженных искажениях в виде чётных гармоник.

7.Усилитель с комбинированной стабилизацией на составном транзисторе Шиклаи.

Входное сопротивление каскада - около 200 кОм, коэффициент усиления Кu=K2/K3=10.

8.Составной транзистор с генератором тока вместо Rк.

Позволяет получить усиление 20000 и более. Реализовать такое усиление можно только при работе каскада на составной эмиттерный или истоковый повторитель.

9.Каскад с общим истоком.

В отличие от каскада с ОЭ нелинейные искажения значительно меньше, поскольку напряжение отсечки Uотс=1..5В намного больше, чем температурный потенциал fт=25мВ биполярных транзисторов. Линейная областьвходных напряжений значительно шире и сильно зависит от выбора рабочей точки Iсп/Iсmах , где Iсп - ток стока покоя, I сmах - максимальный ток стока.

10.Каскад с повышенным благодаря следящей связи входным сопротивлением.

11.Малошумящий усилитель.

Коэффициент усиления -10;
полоса пропускания, Гц - 5...25000;
номинальное входное напряжение -150мВ;
максимальное входное напряжение - 700мВ;
коэффийиент шума - 80...85 дБ;
коэффицмент гармоник - <0.05%

12.Усилитель с разветвлением сигналов на несколько каналов с помощью истоковых повторителей.

13.Усилитель с динамической нагрузкой.

имеет коэффициент усиления около 100...150. Благодаря съёму сигнала с эмиттера транзистора VT2 каскад имеет низкое входное сопротивление. Номинальное входное напряжение - 20мВ.

14.Повышение эффективности динамической нагрузки с помошью токового зеркала.

15.Каскад с ОИ с динамической нагрузкой (Ку=500).

16.Усилитель с эмиттерным повторителем в качестве буферного каскада.

17.Малошумящий микшер для микрофона.

18.Усилительный каскад в интегральном исполнении.

Для получения необходимой АЧХ или её коррекции вместо Rк или параллельно ему включают различные (параллельные или последовательные) LC - или RC - цепи. Входное сопротивление каскада с общей базой (ОБ) на определённых частотах имеет индуктивную сосставляющую, которую можно использовать для ВЧ - коррекции.

19.НЧ - коррекция с помощью отражателя тока.

20.Малошумящий усилитель со встречной динамической нагрузкой.

Кус=10. Минимального уровня шумов добиваются подбором R5, который зависит от напряжения питания. При этом ток коллектора обычно находится в пределах 30...50 мА.

21.Каскад со встречной динамической нагрузкой.

При работе такого каскада на каскад с высоким входным сопротивлением коэффициент усиления может достигать 5000.

22.Мостовая схема для увеличения мощности в 4 раза.

Для управления используются противофазные сигналы.

23.Выходной каскад усилителя мощности.

Благодаря применению дополнительных транзисторов VT5, VT6 исключены сквозные токи.