Каскад с общим эмиттером

При включении биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером (ОЭ) входной сигнал подаётся на базу относительно эмиттера, а выходной сигнал снимается с коллектора относительно эмиттера. При этом выходной сигнал инвертируется относительно входного (для гармонического сигнала с не очень высокой частотой фаза выходного сигнала сдвинута относительно входного на 180°, при высоких частотах фазовый сдвиг отличается от 180° из-за инерционности транзистора).

Данное включение транзистора позволяет получить наибольшее усиление по мощности, потому что усиливается и ток, и напряжение.

Биполярные транзисторы, в отличие от полевых транзисторов, приборы управляемые током базы. Напряжение на прямо смещённом переходе база-эмиттер при этом остаётся почти постоянным и зависит от материала полупроводника, для германия около 0,2 В, для кремния около 0,65 В, но на сам каскад подаётся управляющее напряжение.

Ток базы, коллектора и эмиттера и другие токи и напряжения на электродах транзистора можно вычислить по закону Ома и правилам Кирхгофа для разветвлённой многоконтурной цепи.

Токи в транзисторе связаны нижеследующими соотношениями:

по правилу Кирхгофа для узлов алгебраическая сумма всех трёх токов (${\displaystyle I_{e},\ I_{c},\ I_{b}}$ — ток эмиттера, ток коллектора и ток базы соответственно) равна нулю:

${\displaystyle \sum _{k=1}^{3}I_{k}=0,}$

${\displaystyle I_{c}=I_{b}\cdot \beta ,}$

${\displaystyle I_{e}=I_{c}+I_{b}=I_{b}\cdot (\beta +1),}$

где ${\displaystyle \beta =\alpha /(1-\alpha )}$ — коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером, или коэффициент передачи по току база — коллектор;

${\displaystyle \alpha =I_{c}/I_{e}}$ — коэффициент передачи тока эмиттера или коэффициент передачи по току эмиттер — коллектор.

Коэффициент усиления по току ${\displaystyle K_{I}}$:

${\displaystyle K_{I}=I_{out}/I_{in}=I_{c}/I_{b}=I_{c}/(I_{e}-I_{c})=\alpha /(1-\alpha )=\beta ,\ \ \beta \gg 1.}$

Входное сопротивление ${\displaystyle R_{in}}$:

${\displaystyle R_{in}=U_{in}/I_{in}=U_{be}/I_{b}.}$

На рисунке 1 изображён простейший каскад с общим эмиттером и его подключение к источникам сигнала, питания и нагрузке.

Каскад состоит из:

• транзистора ${\displaystyle VT1}$;
• резистора базы ${\displaystyle R_{\text{б}}}$, который задаёт начальное смещение транзистора по постоянному току;
• резистора коллектора ${\displaystyle R_{\text{к}}}$, преобразующий изменение тока коллектора в синхронно изменяющееся напряжение на коллекторе, а также задаёт положение начальной рабочей точки по току.

Для устранения постоянной составляющей входного сигнала источник сигнала подключается ко входу каскада через разделительный конденсатор ${\displaystyle C_{p1}}$. С той же целью выход каскада подключается к нагрузке ${\displaystyle R_{\text{н}}}$ через конденсатор ${\displaystyle C_{p2}}$. Поскольку конденсаторы вносят во входную и выходную цепи дополнительное реактивное сопротивление, они снижают коэффициент передачи каскада на низких частотах, но при выборе достаточно больших величин их ёмкостей это снижение можно уменьшить.

Нагрузка каскада, изображённая на схеме в виде резистора ${\displaystyle R_{\text{н}}}$ может представлять собой различные устройства или схемы, например, электродинамический громкоговоритель, некоторый индикатор, вход другого усилительного каскада и т. д.

В активном усилительном режиме транзистор ${\displaystyle VT1}$ открыт, напряжение на его коллекторе, при отсутствии входного сигнала, для расширения динамического диапазона, составляет приблизительно половину напряжения питания ${\displaystyle E_{P}}$ — положение начальной рабочей точки, задаваемой током базы, протекающим через резистор ${\displaystyle R_{\text{б}}}$.

Постоянное напряжение на базе относительно эмиттера ${\displaystyle U_{\text{бЭ}}}$ от входного сигнала изменяется мало и составляет примерно 0,2 В для германиевых и 0,65 В для кремниевых транзисторов. Примерное постоянство напряжения ${\displaystyle U_{\text{бЭ}}}$ объясняется тем, что его зависимость от тока базы логарифмическая.

С учётом этого в режиме напряжение на коллекторе при постоянном ${\displaystyle R_{\text{к}}}$ полностью определяется током, втекающем в базу через резистор ${\displaystyle R_{\text{б}}}$:

${\displaystyle U_{\text{К}}=E_{\text{П}}-I_{\text{к}}R_{\text{к}}=E_{\text{П}}-\beta I_{\text{б}}R_{\text{к}}}$${\displaystyle =E_{\text{П}}-\beta R_{\text{к}}{\frac {E_{\text{п}}-U_{\text{бэ}}}{R_{\text{б}}}},}$

где ${\displaystyle \beta }$ — коэффициент усиления по току транзистора ${\displaystyle VT1}$ в схеме с общим эмиттером.

Таким образом, чтобы в режиме покоя получить на коллекторе напряжение ${\displaystyle U_{c}}$, при заданном ${\displaystyle R_{\text{к}}}$ необходимо задать сопротивление в цепи базы ${\displaystyle R_{\text{б}}}$ равным:

${\displaystyle R_{\text{б}}=\beta R_{\text{к}}{\frac {E_{\text{П}}-U_{\text{бэ}}}{E_{\text{П}}-U_{\text{П}}}}.}$

Входное ${\displaystyle R_{\text{вх}}}$ и выходное ${\displaystyle R_{\text{вых}}}$ сопротивления каскада равны:

${\displaystyle R_{\text{вх}}=R_{\text{Б}}||r_{\text{б}}={\frac {R_{\text{Б}}r_{\text{б}}}{R_{\text{Б}}+r_{\text{б}}}},}$

${\displaystyle R_{\text{вых}}=R_{\text{к}}||r_{\text{к}}={\frac {R_{\text{к}}r_{\text{к}}}{R_{\text{к}}+r_{\text{к}}}},}$

где ${\displaystyle r_{\text{б}}}$ и ${\displaystyle r_{\text{к}}}$ — внутренние сопротивления базы и коллектора транзистора соответственно. Символом ${\displaystyle ||}$ сокращённо обозначается параллельное соединение сопротивлений.

Сигнал источника ${\displaystyle U_{\text{Г}}}$ поступает на вход каскада через последовательно соединённые внутреннее сопротивление источника ${\displaystyle R_{\text{Г}}}$ и входное сопротивление каскада ${\displaystyle R_{\text{вх}}}$, вызывая входной ток:

${\displaystyle I_{\text{б}}^{\sim }={\frac {U_{\text{г}}}{R_{\text{Г}}+R_{\text{вх}}}}.}$

Учитывая, что по переменному току нагрузкой в цепи коллектора является сопротивление, имеем:

${\displaystyle R_{\text{н}}^{'}=R_{\text{н}}||R_{\text{вых}}={\frac {R_{\text{Н}}R_{\text{вых}}}{R_{\text{н}}+R_{\text{вых}}}},}$

выходное напряжение каскада можно записать как:

${\displaystyle U_{\text{вых}}=I_{\text{к}}^{\sim }R_{\text{н}}^{'}=\beta I_{\text{б}}^{\sim }R_{\text{н}}^{'}={\frac {\beta U_{\text{г}}R_{\text{н}}^{'}}{R_{\text{г}}+R_{\text{вх}}}},}$

а коэффициент усиления по напряжению ${\displaystyle K_{U}}$:

${\displaystyle K_{U}={\frac {U_{\text{вых}}}{U_{\text{г}}}}={\frac {\beta R_{\text{н}}^{'}}{R_{\text{г}}+R_{\text{вх}}}}.}$

Достоинства каскада с ОЭ:

• Большой коэффициент усиления по току.
• Большой коэффициент усиления по напряжению.
• Наибольшее из всех каскадов усиление по мощности.
• Для питания достаточно одного источника питания.

Недостатки:

• Более узкий частотный диапазон по сравнению со схемой с общей базой или с общим коллектором из-за влияния ёмкости коллектор-база, вызывающей эффект Миллера.
• Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.

При смещении рабочей точки в одно из двух крайних состояний на проходной характеристике — или в режим отсечки коллекторного тока, или в режим насыщения транзистора, каскад с ОЭ приобретает ключевые свойства и имеет два состояния. Каскад при этом работает в ключевом режиме, как реле (состояния закрыт, открыт) и применяется как логический инвертор в логических элементах, управлением электромагнитными реле, лампами накаливания и др. Как и контактные группы реле, ключевые каскады могут формально считаться нормально закрытыми (разомкнутыми) и нормально открытыми (замкнутыми), это определяется положением рабочей точки — отсечки или насыщения.

• Усилительный каскад с общей базой
• Каскад с общим коллектором
• Каскады усиления
• Схема включения с общим эмиттером

• 5.Каскад с общим эмиттером.
• Динамический режим работы каскада с общим эмиттером. Рис.1.21-Каскад с общим эмиттером
• 2.5.Согласующий каскад.
• Рис.57.Обозначение токов через электроды транзистора и разности потенциалов между электродами для схемы ОЭ
• Типовые схемы и основные показатели каскадов усиления
• Circuits. Transistors. Common-Emitter Amplifier
• Типовой усилительный каскад на биполярном транзисторе по схеме с ОЭ и его анализ

В другом языковом разделе есть более полная статья Common emitter (англ.). Вы можете помочь проекту, расширив текущую статью с помощью перевода

В статье есть список источников, но не хватает сносок. Без сносок сложно определить, из какого источника взято каждое отдельное утверждение. Вы можете улучшить статью, проставив сноски на источники, подтверждающие информацию. Сведения без сносок могут быть удалены. (10 января 2012)