Усилитель с общим эмиттером

 

Если добавить на рис. 5.6 части А и Б, то получится простейший работоспособный усилитель переменного напряжения. Конденсаторы С₁ и С₂ отделяют наш усилительный каскад по постоянному напряжению от влияния предыдущего и последующего каскадов. Эти ёмкости определяют низкочастотную часть ЧХ. В практических схемах применяют, конечно, один источник питания, а базовый ток регулируют изменением сопротивления   R₁.

Для того, чтобы анализировать работу усилительного каскада на рис. 6.1, на графике с выходными характеристиками проводят нагрузочную прямую (рис. 5.5), которая есть график закона Ома для сопротивления   R_K.

Рис. 6.1.

Схема усилительного каскада с общим эмиттером на биполярном транзисторе. Базовый ток регулируют изменением сопротивления   R₁.

Усилитель работает на ёмкостную нагрузку С_Н.

 

Для того, чтобы провести прямую линию достаточно зафиксировать две точки.

Если предположить, что транзистор VT₁ открыт, и напряжение на нём U_КЭ = 0, то ток через сопротивление R_K, будет I_K = E / R_K. Это первая точка.

Если транзистор закрыт, то напряжение на R_K = 0, и U_КЭ = Е. Это – вторая.

Между этими точками мы и провели линию на рис. 5.5.

Пересечения нагрузочной прямой с характеристиками и будут возможными рабочими точками нашего каскада. Например, для тока базы 116 мкА, напряжение на коллекторе транзистора будет +5 В. Рабочая точка характеризуется постоянным напряжением на коллекторе.

Если подать на вход усилителя переменное напряжение, то ток базового перехода будет меняться. Изменение тока коллектора будут в β раз больше. Если изменение тока умножить на сопротивление или импеданс, то мы получим напряжение на выходе схемы.

Рис. 6.2.

Так как биполярный транзистор управляется током базы, то упрощённая эквивалентная схема каскада на рис. 6.1 для переменного тока будет такой.

(β I_б) – это ток коллектора.

 

 

На схеме рис. 6.2. С_Н и R_K соединены параллельно потому, что источник питания имеет ничтожно малое сопротивление переменному току. Их импеданс обозначим Z_ЭКВ.

 

 

В учебниках для технических ВУЗов по такой схеме вычисляют коэффициент усиления каскада. Вот пример такого вычисления:

 

 

Сумма напряжений по правилу Кирхгофа:                                          тогда:

 

                                                                                                                                           (6.3)

 

Учитывая, что   и  сильно зависят от тока через транзистор (см. рис. 5.4), и их нужно определять экспериментально для каждого экземпляра транзистора, такой расчёт не плодотворен.

Можно воспользоваться экспериментальными выходными характеристиками и определить коэффициент усиления тока. На графике рис. 5.5 между точками φ и θ ток базы изменяется на ΔI_Б = 66 мкА, а ток коллектора – на 3 мА. Поделим и получим коэффициент усиления тока K_I = 45.

Коэффициент усиления по напряжению по выходным характеристикам можно вычислить, только определив входное сопротивление каскада. Между точками φ и θ напряжение на коллекторе меняется на 3 В, а напряжение на базе на R_BX ΔI_Б. Если взять, для примера, R_BX = 1 кОм, то коэффициент усиления по напряжению K_U = ΔU_K/ ΔU_Б = 45.

Для того, чтобы частотная характеристика усилителя не спадала больше заданной неравномерности частотной характеристики ни на низких, ни на высоких частотах нужно рассчитать величины  С₁, С₂ и R_К.  

Рассмотрим входную цепь. Ёмкость C₁  вместе с сопротивлением R _BX работает как делитель напряжения (вспомните дифференцирующую цепочку) и ослабляет сигналы с частотами ниже f_Н. Входной ёмкостью транзистора пренебрегаем.

В области низких частот модуль нормированного коэффициента усиления будет:

 

 

Если ввести понятие неравномерности частотной характеристики    , то можно выразить, например, нижнюю граничную частоту через неравномерность. Фактически неравномерность – это значение нормированного коэффициента усиления на некоторой частоте.

 

                                                                   Если , то

Для других значений неравномерности значение ёмкости С₁ нужно вычислять по формуле:

                                                                                                                                            (6.4)

 

 

На Матлабе С₁ можно считать так:

clc; % MATLAB ВЫЧИСЛЕНИЕ ЁМКОСТИ С1

 M=input('Введи неравномерность  M_Н=');

 f=input('Частоту в герцах f_Н=');

 R=input('Входное сопротивление в омах R_ВХ=');

disp ('Ёмкость '); C1=M/(2*pi*f*R*sqrt(1-M*M))

Таким образом, меняя C₁, можно изменять нижнюю частоту пропускания f_H. Манипулируя же частотными зависимостями импедансов в выходной цепи, можно дополнительно управлять частотной зависимостью коэффициента усиления на высоких частотах. Более подробный расчёт транзисторных схем сильно ограничен значительным разбросом параметров транзисторов.

Рассмотрим выходную цепь. Ёмкостная нагрузка нашего усилителя C_Н  шунтирует

сопротивление R_K на частотах выше  . В результате наличие этой ёмкости

ограничивает сверху полосу работы усилителя. Импеданс R_K и C_Н, включённых параллельно, легко найти:

 

 

   

Так как коэффициент усиления пропорционален Z_ЭКВ (см. (6.3)), то и неравномерность M_B пропорциональна Z_ЭКВ.

 

 

Отсюда                                                                                                                             (6.5)

 

Теперь по заданной ёмкости нагрузки, по верхней частоте и неравномерности можно вычислить сопротивление резистора R_K.

На Матлабе R_K можно сосчитать так:

clc; % MATLAB

% ВЫЧИСЛЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ R_К

 M=input('Введи неравномерность M_В=');

 f=input('Частоту в кГц f_В=');

 C=input('Ёмкость нагрузки в пФ С_В=');

disp ('Сопротивление в омах');

Rk=sqrt(1-M*M)/(2*pi*f*C*M*1E-9)

 

 

Рис. 6.3.

Экспериментальная частотная характеристика усилителя (ЧХ) в логарифмических координатах. По оси ординат обычно откладывают нормированный на единицу коэффициент усиления