Усилитель на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим коллектором (эмиттерный повторитель)

Принципиальная схема усилителя приведена на Рис. 3.1.

Рис. 3.1 Принципиальная схема усилителя на биполярном транзисторе, включенного по схеме с общим коллектором.

Расчет схемы по постоянному току.

Режим работы схемы по постоянному току определяется элементами: R_Э, R_Б, E_К и параметрами транзистора. Аналогично, как и для схемы с общим эмиттером, выходную и входную цепи можно описать следующими системами уравнений:

Т. к. I_Э=I_К+I_Б, а I_Б<<I_К, то уравнение (1) можно записать в виде: .

Как и для схемы с ОЭ (см. Рис. 3.2) построим нагрузочную линию (1) соответствующую первой системе:

Рис. 3.2 а) определение режима работы по постоянному току на выходных характеристиках транзистора, б) на входных характеристиках транзистора.

По аналогии со схемой с ОЭ выбираем точку покоя "О", и определяем значения сопротивлений R_Э и R_Б (см. Рис. 3.2).

, .

Расчет по переменному току.

Представим схему замещения усилителя с ОК для расчета каскада по переменному току (см. Рис. 3.3.), при этом примем следующие допущения:

¾ зажимы "+" и "-" источника питания по переменному току считаем однопотенциальными, за счет низкого внутреннего сопротивления источника питания;

¾ при определении основных характеристик усилителя считаем, что усилитель работает в области средних звуковых частот, следовательно сопротивлениями разделительных конденсаторов С_Р1 и С_Р2 можно пренебречь, как и влиянием емкости С_НS.

Рис. 3.3 Схема замещения усилителя с ОК.

· Определение коэффициента усиления усилителя по напряжению.

Расстановка знаков U_Вх, U_Вых, источника I_Б×h_21Э/h_22Э и I_К выполнена в соответствии с методикой, приведенной в разделе 2.

Схему замещения (Рис. 3.3) можно описать уравнением:

где .

;

отсюда следует:

,

Следовательно, получим:

,

.

Из последнего выражения получим коэффициент усиления:

.

Поскольку знаменатель k_U больше числителя, то k_U<1. при правельно спроектированном каскаде k_U»0.9 ¸ 0.99.

Т.к. k_U»1 то U_Вх»U_Вых, поэтому усилитель по схеме с ОК называют эмиттерным повторителем, поскольку выходной сигнал повторяет входной по фазе и амплитуде.

· Определение входного сопротивления усилителя.

Входной ток транзистора можно описать следующим выражением:

.

Следовательно, входное сопротивление транзистора можно определить как:

.

Исходя из этого, входное сопротивление усилителя определяется выражением:

.

Т.к. k_U»(0.9¸0.99), то R_Вх.Тр=(10¸100)^.h_11Э,следовательно R_Вх.Ус»(10¸100кОм).

Следовательно, схема с ОК обладает самым высоким входным сопротивлением, и ее применение необходимо если используется источник сигнала с высоким внутренним сопротивлением.

· Определение коэффициента усиления усилителя по току.

Коэффициент усиления по току можно определить как отношение выходного тока ко входному:

,

где - ток нагрузки,

- входной ток эмиттерного повторителя.

Подставив значения I_Н и I_Вх в формулу для k_i, получим:

.

Поскольку допустимые значения R_Н порядка единиц кОм – сотен Ом, то k_i>>1 и составляет порядка десятков – сотен.

· Определение выходного сопротивления усилителя.

Для определения выходного сопротивления повторителя, воспользуемся методикой, изложенной в разделе 2. модель каскада приведена на Рис. 3.17. С учетом того, что R_Вн<<R_Вх, замыкание активного источника ЭДС произведем вместе с его внутренним сопротивлением.

Рис 3.4 – Модель эмиттерного повторителя для определения Rвых.

Для согласования модели с реальной схемой, предположим, что напряжение получило приращение как показано на Рис.3.4 ("+" – к эмиттеру, "-" – к общей шине). Под действием этого напряжения и источника ЭДС будут протекать токи и в направлениях, показанных на Рис. 3.4. Установим фактическое направление тока I_К. Ток - течет с эмиттера в базу, тем самым открывает транзистор (транзистор p-n-p), следовательно, ток коллектора получает положительное приращение. Таким образом, направление тока коллектора в модели соответствует направлению реального тока, значит знак перед величиной источника I_Б×h_21Э/h_22Э будет положительным..

Для тока коллектора можно записать следующее выражение:

.

, но т.к. получим, что , следовательно выходное сопротивление транзистора можно определить как:

:

так как , то получим . Для типовых значений этих параметров маломощных транзисторов получим R_Вых.Тр порядка десятков Ом.

Полное выходное сопротивление эмиттерного повторителя будет равно:

, т.к. R_Э обычно много больше R_Вых.Тр.

Выводы:

Схема с общим коллектором обладает самым низким выходным и самым высоким входным сопротивлениями из трех схем включения транзистора. Поэтому такая схема применяется как согласующий каскад между источниками входных сигналов с высоким R_Вн и низкоомной нагрузкой. Данная схема обладает самым высоким коэффициентом усиления по току , однако не усиливает напряжение (k_U»1), поэтому ее называют эмиттерным повторителем, т.к. выходной сигнал повторяет входной как по фазе так и по амплитуде.

Схема с общим коллектором применяется в качестве входных и выходных каскадов для обеспечения большого входного и малого выходного сопротивлений усилителя. Также применяется в качестве согласующего каскада между усилительными каскадами ОБ – ОБ или ОБ – ОЭ.