Каскад с общим коллектором

Из выражения следует, что для схемы с ОБ коэффициент усиления тока всегда меньше единицы.

Как видно из схемы, каскад охвачен глубокой отрицательной обратной связью по току, поскольку выходной коллекторный ток полностью протекает через входную эмиттерную цепь. Благодаря этому повторитель тока по схеме с общей базой имеет очень низкое входное сопротивление, практически рав­ное r _Э.

Низкоомный вход повторителя тока по схеме с общей базой имеет ряд пре­имуществ:

- уменьшаются частотные искажения, связанные с наличием входной емкости каскада;

- более эффективно используется источник сигнала, который практически работает в режиме короткого замыкания;

- глубокая отрицательная обратная связь приводит к увеличению выходного сопротивления и снижению выходной емкости;

- нейтрализуется паразитная обратная связь через проходную емкость С_кб;

- входной сигнал передается на выход без переворота по фазе.

Эмиттерным повторителем называется усилительный каскад, охваченный 100% последовательной ООС по напряжению. Транзистор в таком каскаде включен по схеме с общим коллектором.

Типовая схема эмиттерного повторителя приведена на рисунке 10.

Рисунок 10

В схеме с ОК назначение элементов R 1, R 2, C_p 1 и C_p 2 то же, что и в схеме с ОЭ. Резистор R _Э выполняет одновременно роль нагрузки в выходной цепи транзистора и элемента ООС по напряжению.

Наличие 100%-ной ООС по напряжению означает, что в эмиттерном повто­рителе выходной сигнал и сигнал обратной связи равны.

В отличие от усилителя по схеме с общим эмиттером, схема с общим коллектором не инвертирует входной сигнал. Действи­тельно, если ко входу эмиттерного повторителя приложить увели­чивающееся по уровню напряжение, то это приведет к увеличе­нию базового, а, соответственно, и эмиттерного тока транзистора. В результате этого будет увеличиваться падение напряжения на сопротивлении нагрузки каскада и, соответственно, его выходное напряжение. Таким образом, входной и выходной сигналы в схеме будут изменяться в фазе.

Математические соотношения для расчета основных параметров каскада выведем на основе анализа его эквивалентной схемы (рисунок 11).

Входное сопротивление каскада будет определяться зависимостью

R_вх = r_б + {(1 + h _21Э)× [ r_к || (r_э+ (R_э||R_н))]}.

Однако так как r_э = 20... 50 Ом << R_э // R_н, r_б = 200... 500 Ом, то выражение для R_вх можно упростить

R_вх = (1+ h _21Э)× [ r_к||R_э||R_н ],

Рисунок 11

или, с учетом того, что

R_вх » h _21Э (R_э||R_н) = ,

а так как обычно R_э < R_н, то допустимо считать

R_вх » h _21Э R_э.

Как видно из предыдущего выражения, входное сопротивление каскадас ОК меняется в зависимости от сопротивления нагрузки.

При выводе уравнения для входного сопротивления каскада мы не учитывали сопротивления базового делителя, однако в реальных схемах значение входного сопротивления ограничено также и сопротивлением делителя в цепи базы. Для обеспечения хорошей температурной стабилизации необходимо обеспечить, чтобы выполнялось условие R _l || R ₂ £ R _Э. В то же время для обеспечения высокого входного сопротивления требуется, чтобы делитель не шунтировал входное сопротивление каскада, т. е. R _l || R ₂ >> R _вх. Поэтому на практике приходится либо использовать непосредст­венную связь с источником сигнала (без делителя), либо искусственно повышать сопротивление цепи смещения за счет введения отрицательной ОС.

Выходное сопротивление можно найти, используя выражение

В частном случае при достаточно большом значении коэффициента передачи базового тока и низкоомном источнике входного сигнала вторым слагаемым можно пренебречь и полагать

,

где r_Э = dU _БЭ / dI _Б – дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода.

Так как сильно зависит от I_Э (например, при токе эмиттера примерно 1 мА, R_вых » 25 Ом), то с увеличением тока эмиттера сопротивление r_э существенно уменьшается и R_вых может достигать единиц или даже десятых долей Ома. Однако в используемых на практике каскадах повторителей напряжения, как правило, R_вых = 100... 200 Ом.

Коэффициент усиления напряжения каскада найдем с учетом того, что r_э << r_{к ,}, используя известное выражение

где

U_вых = (I_б + I_бh _21Э) × (r_к // R_э // R_н) = I_б × (1 + h _21Э) × [ r_к // R_э // R_н ].

Пренебрегая сопротивлением базового делителя, для входного тока можно записать

откуда E_г = I_б × (R_г + R_вх).

С учетом полученных соотношений

Используя допущения, что r_к >> R_н > R_э и R_г < r_б, последнее выражение примет вид

Анализ выражения показывает, что коэффициент усиления напряжения каскада с ОЭ K» 1. В реальных схемах эмиттерных повторителей наибольшее значение коэффициента усиления может быть в пределах K = 0,9... 0,98. Поскольку напряжение на выходе каскада совпадает по фазе со входным напряжением, а по уровню эти напряжения также близки, за каскадом с ОК закрепилось еще одно название – повторитель напряжения.

Коэффициент усиления тока имеет значительную величину и определяется зависимостью

С учетом ранее введенных допущений окончательно получим

За счет большого усиления по току в данном каскаде обеспечивается усиление мощности.

Частотные свойства эмиттерного повторителя полностью определяются частотными свой­ствами применяемого транзистора и емкостью разделительных конденсаторов. Благодаря наличию 100 %-ой ООС каскад с ОК является более высокочастотным по сравнению с каскадом ОЭ.

Таким образом, усилительный каскад с ОК характеризуется:

- высоким входным и низким выходным сопротивлением;

- коэффициент усиления напряжения меньше единицы;

- коэффициентом усиления тока почти таким же, как и в схеме с ОЭ;

- полосой пропускания большей, чем в каскаде с ОЭ.

Основным достоинством ПН является то, что амплитуда входного сигнала для режима А может достигать до 0,5Е_п, не приводя к искажению выходного сигнала. Данное свойство и низкое выходное сопротивление и определили их применение в качестве согласующих каскадов.

Доцент кафедры ОТЗИ И. Щудро

Дата добавления: 2014-01-07