Усилитель с общим эмиттером

Рассмотрим источник тока, нагрузкой для которого служит резистор
Усилитель с общим эмиттером
Напряжение на коллекторе равно

Uк = UKK  – IкRк

Можно через емкость задать сигнал в цепь базы, тогда напряжение на коллекторе будет изменяться. Рассмотрим пример, представленный на рисунке
Каскад усиления переменного тока с общим эмиттером с отрицательной обратной связью в цепи эмиттера
Каскад усиления переменного тока с общим эмиттером с отрицательной обратной связью в цепи эмиттера. Обратите внимание, что выходной сигнал снимается с коллектора, а не с эмиттера.
Конденсатор С выбран так, что фильтр высоких частот, образованный этим конденсатором и последовательно соединенными с ним резисторами смещения базы, пропускает все нужные частоты. Резисторы в цепи базы обычно выбирают так, чтобы импеданс со стороны базы (т. е. входное сопротивление транзистора) был гораздо больше и им можно было пренебречь.
Иначе говоря,

С >= 1/2πf (R1 ||R2 )

Благодаря напряжению смещения, приложенному к базе, и наличию эмиттерного резистора сопротивлением 1,0 кОм ток покоя коллектора составляет 1,0 мА. Этот ток создает на коллекторе напряжение +10 В (+20 В минус падение напряжения на сопротивлении 10 кОм при протекании тока 1,0 мА). Допустим теперь, что на базу подан сигнал uБ. Напряжение на эмиттере повторяет изменение напряжения на базе uэ – uБ  и вызывает изменение эмиттерного тока:

iэ = uэ /Rэ = uБ /Rэ

и приблизительно такое же изменение коллекторного тока (транзистор имеет большой коэффициент h21Э). Итак, первоначальное изменение напряжения на базе вызывает изменение коллекторного напряжения:

uк = – iкR к = – uБ (Rк /Rэ )

Получается, что схема представляет собой усилитель напряжения, коэффициент усиления которого определяется следующим образом:

Коэффициент усиления = uвых /uвх = –Rк /Rэ

В нашем примере коэффициент усиления равен –10000/1000, или –10. Знак минус говорит о том, что положительный сигнал на входе дает на выходе отрицательный сигнал (амплитуда которого в 10 раз больше, чем на входе). Такая схема и есть усилитель с общим эмиттером с отрицательной обратной связью в цепи эмиттера.

Определение входного и выходного сопротивления усилителя

Нетрудно определить входное и выходное сопротивление усилителя. Для входного сигнала схема представляет собой параллельное соединение резисторов 110 кОм, 10 кОм и входного сопротивления со стороны базы. Последнее приблизительно равно 100 кОм (сопротивление RЭ, увеличенное в h21Э раз), а значит, входное сопротивление равно приблизительно 8 кОм (преобладающую роль играет сопротивление 10 кОм).
Если используется развязывающий конденсатор, указанный на схеме выше, то получаем фильтр высоких частот с точкой – 3 дБ на частоте 200 Гц. Для сигналов в рабочей полосе частот (выше частоты, соответствующей точке – 3 дБ) конденсатором емкостью 0,1 мкФ можно пренебречь и учитывать только сопротивление 8 кОм, соединенное с ним последовательно. Выходное сопротивление определяется как параллельное соединение сопротивления 10 кОм и выходного сопротивления транзистора со стороны коллектора.
Что же получается? Если бы не коллекторный резистор, то схема не отличалась бы от источника тока. Коллектор обладает очень большим сопротивлением (порядка мегаОм), поэтому выходное сопротивление определяется коллекторным резистором, сопротивление которого составляет 10 кОм. Напомним, что сопротивление со стороны коллектора велико, а со стороны эмиттера мало (как и в схеме эмиттерного повторителя). В выходном сопротивлении усилителя с общим эмиттером преобладает сопротивление резистора нагрузки, стоящего в цепи коллектора, а выходное сопротивление эмиттерного повторителя определяется выходным сопротивлением транзистора со стороны эмиттера, а не сопротивлением нагрузки, стоящей в цепи эмиттера.
Усилитель с общим эмиттером с учетом поправок уравнения Эберса-Молла
Выше мы определили усиление по напряжению для усилителя с общим эмиттером при условии, что сопротивление эмиттерного резистора равно нулю, но результат получили неверный. Дело в том, что транзистор обладает собственным – эмиттерным сопротивлением, равным 25/Iк (мА) (выражено в омах), которое следует добавлять к сопротивлению включенного в эмиттерную цепь резистора. Это сопротивление значительно в тех случаях, когда в цепь эмиттера включен небольшой резистор (или когда его нет вообще). Мы предполагали раньше, что входной импеданс h21ЭRЭ равен нулю при RЭ  = 0; на самом деле он приблизительно равен h21ЭrЭ .
Не следует путать усилитель с «заземленным эмиттером» и схемы «с общим эмиттером». Усилитель с «заземленным эмиттером» – это усилитель с общим эмиттером, в котором RЭ = 0. В усилительном каскаде с общим эмиттером может присутствовать эмиттерный резистор; особенность этой схемы состоит в том, что цепь эмиттера является общей для входа и выхода схемы.
Недостатки однокаскадного усилителя с заземленным эмиттером.
Дополнительное усиление, обусловленное отсутствием резистора в эмиттерной цепи RЭ  = 0, мы получаем за счет ухудшения некоторых параметров усилителя. Как ни популярен усилитель с заземленным эмиттером в учебниках, на практике его следует использовать только в схемах, охваченных общей петлей отрицательной обратной связи. Для того чтобы понять, с чем это связано, рассмотрим рисунок ниже
Усилитель с общим эмиттером без отрицательной обратной связи в цепи эмиттера
Усилитель с общим эмиттером без отрицательной обратной связи в цепи эмиттера.
  1. Нелинейность. Коэффициент усиления определяется выражением k = –gmRK  = –RK /rЭ  = –RKIK (мА)/25, т. е. для тока покоя 1 мА он равен –400. Но дело в том, что ток IK изменяется при изменении входного сигнала. В нашем примере коэффициент усиления может изменяться от – 800 (Uвых  = 0, IK  = 2 мА) до нуля (Uвых  = UКК, IK
      = 0). Если на входе действует треугольный сигнал, то сигнал на выходе будет таким, как показано на рисунке
Усилитель с общим эмиттером
Нелинейный выходной сигнал, снимаемый с усилителя с заземленным эмиттером
Усилитель вносит большие искажения, т. е. обладает плохой линейностью. Усилитель с заземленным эмиттером без обратной связи можно использовать лишь для небольших диапазонов изменения сигнала вблизи точки покоя. Что же касается усилителя с общим эмиттером, то его усиление почти не зависит от коллекторного тока, при условии что RЭ  >> rЭ; он обеспечивает усиление без искажений в большом диапазоне изменения сигнала.
  1. Входное сопротивление. Входное сопротивление приблизительно равно Zвх = h21эrЭ  = (25/h21э /IK (мА)) Ом. Здесь мы опять сталкиваемся с тем, что ток IK  изменяется при изменении выходного сигнала, а значит, меняется и входное сопротивление. Если источник, питающий базу, обладает небольшим выходным сопротивлением, то вы получите нелинейный переменный делитель напряжения, образованный источником сигнала и входным сопротивлением усилителя. Что касается усилителя с общим эмиттером, то он обладает постоянным и высоким входным сопротивлением.
  1. Смещение. В усилителе с заземленным эмиттером смещение выполнить трудно. Возникает соблазн просто подать напряжение (с делителя), которое обеспечит нужный ток покоя в соответствии с уравнением Эберса‑Молла. Однако так сделать нельзя, потому что напряжение UБЭ зависит от температуры (при фиксированном значении IК ) и изменяется на 2,1 мВ/°С (фактически напряжение уменьшается при повышении температуры Т  из‑за того, что изменяется ток Iнас ; в результате оказывается, что напряжение UБЭ  приблизительно пропорционально 1/Т, где T  – абсолютная температура). Это ведет к тому, что коллекторный ток (при фиксированном значении UБЭ) будет увеличиваться в 10 раз при повышении температуры на 30 °C. Такая нестабильность делает смещение неработоспособным, так как даже небольшие колебания температуры будут приводить усилитель в режим насыщения.
Например, если напряжение смещения сделать равным половине напряжения питания коллектора, то усилитель с заземленным эмиттером будет переходить в режим насыщения при повышении температуры на 8 °C.
Что касается усилителя с общим эмиттером, то здесь стабильное смещение создается с помощью напряжения, приложенного к базе; большая часть этого напряжения приходится на резистор в цепи эмиттера, тем самым обеспечивается постоянный ток покоя.
Если к собственному сопротивлению эмиттера добавить сопротивление внешнего эмиттерного резистора, то многие параметры усилителя с общим эмиттером улучшатся, правда, за счет снижения коэффициента усиления.
К началу ↑