Усилитель с общим эмиттером: Усилитель с общим эмиттером. Входное,выходное сопротивление.

Усилитель с общим эмиттером — Студопедия

Усилители переменного тока на биполярных транзисторах

Схема усилителя с общим эмиттером (ОЭ) показана на рис. 15.1. В схеме с ОЭ входной сигнал подается на базу, а выходной снимается с коллектора. В исходном состоянии коллекторный переход закрыт, а эмиттерный – открыт, поэтому транзистор находится в активном режиме. Чтобы открыть эмиттерный переход в базу n-p-n-транзистора подается положительное напряжение от источника питания через резистивный делитель , . В результате через транзистор от источника через резистор

, от коллектора к эмиттеру, через сопротивление протекает постоянный ток .

Рис. 15.1 Усилитель с ОЭ

Если на входе под действием положительного сигнала от источника переменной ЭДС E входное напряжение начинает нарастать, то потенциал базы повышается, поэтому эмиттерный переход открывается сильнее, ток базы увеличивается, следовательно, ток коллектора возрастает. В результате выходное напряжение

, (15.1)

уменьшается.

При увеличении тока коллектора напряжение на коллекторе, равное выходному, уменьшается. Следовательно, при дальнейшем увеличении напряжения на входе напряжение на базе может превысить напряжение на коллекторе, коллекторный переход откроется и транзистор перейдет в

режим насыщения.

Если входное напряжение уменьшается, то потенциал базы также уменьшается. В результате эмиттерный переход закрывается сильнее, поэтому ток коллектора уменьшается и выходное напряжение возрастает.


Указанные изменения напряжений усилителя характерны для переменного входного напряжения. Переменный ток коллектора, вызванный этим напряжением, протекает через блокирующую емкость . Если же возникает постоянное смещение тока коллектора, например из-за нагрева транзистора, то эти смещения компенсируются за счет обратной связи, образованной сопротивлением

.

Связь постоянного тока базы и тока коллектора определяется двумя уравнениями

, (15.2)

. (15.3)

Пусть ток коллектора увеличился. Из выражения (15.2) видно, что ток базы уменьшиться, а из выражения (15.3) видно, что это приведет к уменьшению тока коллектора. Аналогично, если постоянный ток коллектора уменьшиться, то ток базы возрастет, и ток коллектора увеличится. Таким образом, усилитель сохраняет стабильной рабочую точку по постоянному току. Из (15.2) видно, что чем больше сопротивление , тем чувствительнее усилитель к изменениям постоянного тока.


Разделительная емкость

не пропускает постоянный ток. Сопротивление коллектора определяет значение выходного напряжения в рабочей точке и чувствительность усилителя к изменениям переменного входного тока. Таким образом, сопротивление коллектора задает коэффициент усиления, равный

, (15.4)

где – коэффициент передачи эмиттерного тока в коллектор; .

Усилитель с общим эмиттером

Прежде чем использовать транзистор в качестве усилителя, на него нуж­но подать правильные напряжения смещения (задать режим работы по постоянному току), как показано на рис. 22.1(а) для прп-транзистора. Два напряжения смещения —

VBE(обеспечивающее прямое смеще­ние эмиттерного перехода) и VCB(обеспечивающее обратное смещение коллекторного перехода) — подаются от последовательно соединенных источников. Эти источники можно заменить делителем напряжения R1R2, как показано на рис. 22.l(б). Теперь можно обойтись одним источником питания постоянного тока с напряжением VCC. Отношение сопротивлений резисторов R1 и R2 выбирается таким, чтобы на базе тран­зистора устанавливалось требуемое значение напряжения смещения.

Протекание тока покоя Is = VCC / (R1R2) через цепь смещения R1R2 связано с потреблением дополнительной мощности от источни­ка питания. Для уменьшения тока покоя применяются высокоомные резисторы R1R

2. Однако, как будет показано далее, очень большое сопротивление R1 приводит к снижению стабильности транзистора по постоянному току.

Потенциал базы транзистора отсчитывается относительно провода с нулевым потенциалом или шасси (поэтому допустимо говорить «напряжение на базе») и, следовательно, равен падению напряжения на резисторе R2.

 Базовое смещение npn транзистора

Рис. 22.1. Базовое смещение npn-транзистора.

Базовое смещение рnр транзистора 

Рис. 22.2. Базовое смещение pnp-транзистора.

Потенциал базы

 Например, при VСС = 10 В, R1 = 15 кОм, R2, = 1 кОм получаем

Изменяя номиналы резисторов R1 и R2, можно изменять напряжение на базе.

Тот же самый способ смещения применяется и для рпр-транзистора (рис. 22.2). В этом случае используется источник питания с напряжением отрицательной полярности (VСС). Делитель напряжения R1R2 выполняет ту же функцию, что и в случае прп-транзистора. Тот факт, что питающее напряжение отрицательно, нужно обязательно принимать во внимание, но в расчетах можно не учитывать. Таким образом,

Напряжение на базе равно -0,625 В.

Для получения прямого смещения эмиттерного перехода потенции базы должен быть «выше» потенциала эмиттера, т. е. быть более положительным, чем эмиттер в                          прп-транзисторе, и более отрицательным в рпр

-транзисторе. Вообще, независимо от типа используемого транзистор потенциал базы всегда выше потенциала эмиттера, но ниже потенциал коллектора.

Как объяснялось в предыдущем разделе, величина тока, протекающего через транзистор, определяется напряжением прямого смещения эмиттерного перехода, т. е. разностью потенциалов базы и эмиттера VBE= VbVe. Изменение потенциалов базы или эмиттера приводит к изменению тока транзистора. В рассматриваемой транзисторной схемеэмиттер имеет потенциал шасси, следовательно, изменяться может толь­ко потенциал базы. 

Например, если потенциал базы Vb возрастает относительно потенциала эмиттера (становится более положительным для npn-транзистора или бо­лее отрицательным для pnp-транзистора), то разность потенциалов VBE увеличивается, что приводит к увеличению тока транзистора. Уменьше­ние потенциала базы Vbотносительно потенциала эмиттера сопровожда­ется уменьшением величины

VBEи, следовательно, уменьшением тока транзистора.

Коллекторный (нагрузочный) резистор

Чтобы снять выходное напряжение с коллектора, в цепь коллектора включается нагрузочный резистор R3, называемый также коллекторным резистором (рис. 22.3). Коллекторный ток Ic, протекая через коллектор­ный резистор R3, создает на нем падение напряжения. Следовательно,

Так как все напряжения измеряются относительно шасси или потенци­ала земли, то коллекторное напряжение VCEесть разность потенциалов между коллектором и шасси. Как видно из схемы,

где VCC — напряжение источника питания, следовательно, VCE= VCCVR3. Для типичных величин, указанных на схеме, получаем

  (приблизительно),

VCE

= VCC – VR3,= 10 – 4 = 6 В. 

Тепловой пробой

Как уже отмечалось, неосновные носители образуют так называемый ток утечки обратносмещенного перехода. Ток утечки ICB0 (часто называе­мыйобратным коллекторным током) протекает через обратносмещенный коллекторный переход транзистора так, как показано на рис. 22.4. Этот ток усиливается точно так же, как входной (базовый) ток, с коэффици­ентомусиления β. При увеличении температуры транзистора ток утечки возрастает. Он усиливается транзистором и увеличивает коллекторный ток, что приводит к дальнейшему повышению температуры транзистора и, следовательно, тока утечки и т. д. Описанный процесс, называемый тепловым пробоем, носит лавинообразный характер, и если его оставив без контроля, может привести к разрушению транзистора.

r22.3

                                                                      

Рис. 22.3. Нагрузочный резистор R3.

Рис. 22.4. Ток утечки ICB0.

Стабилизация рабочего режима по постоянному току

В усилителе с ОЭ наличие тока утечки коллекторного перехода приводит к нестабильности режима работы транзистора по постоянному току (статического режима). Эту нестабильность можно преодолеть, включи резистор R4 в эмиттерную цепь транзистора, как показано на рис. 22.5. Потенциал эмиттера в этом случае становится равным падению напряжения на резисторе R4, которое создается при протекании эмиттерного тока Ie через этот резистор. Таким образом, Ve = Ie·R4. Стабилизации режима по постоянному току осуществляется следующим образом.

Предположим, что из-за возрастания тока утечки увеличились токи Ic и Ie. Тогда вместе с ними увеличивается и потенциал эмиттера Ve. Поскольку VBE= VbVe, то увеличение Ve приводит к уменьшению VBE. В результате уменьшается базовый ток, и величины токов Ic и Ie возвращаются к своим первоначальным значениям. С помощью эмиттерного резистора R4 вводится отрицательная обратная связь, обеспечивающая стабилизацию статического режима усилителя. Используя типичные номиналы резисторов, указанные на рис. 22.5, и принимая ток эмиттера Ie = 1,2 мА, получаем

r22.3     

Рис. 22.5.  Стабилизация усили­теля с                                                                      Рис. 22.6

общим эмиттером на прп-транзисторе с

помощью резистора R4 в цепи эмиттера.

В этом видео рассказывается о схеме включения транзистора с общим эмиттером:

Добавить комментарий

Усилитель с общим эмиттером |

В этой статье речь пойдёт об одном из трёх вариантов включения транзистора, при построении схемы усилителя. А именно схема с общим эмиттером (или стоком, если использовать полевой транзистор). Также описаны некоторые полезные закономерности,  о которых должен знать каждый образованный  радиолюбитель.  

Типичная схема усилителя с общим эмиттером:

Наиболее распространённая конфигурация усилителя на транзисторе – это схема с общим эмиттером (рисунок №1,2). «С общим эмиттером (ОЭ)» — это означает, что в данной схеме усилителя, заземлён эмиттер транзистора (рисунок №1 А,Б). Однако, это весьма расплывчатой утверждение. Вот на пример на схеме рисунок №2, между эмиттером и землёй, включено сопротивление R4, которое ещё и зашунтировано конденсатором С3 (если его активное сопротивление для сигнала очень мало, считают что  сигнал эмиттера практически заземлён).

Рисунок №1 – Схемы включения транзистора с общим эмиттером

 

Схема с общим эмиттером применяемая на практике:

Схема усилителя с ОЭ применяемая на практике изображена на рисунке №2.  В этом случае конденсатор С1 нужен для того что бы не пропускать постоянную составляющую входного сигнала. При этом С1 имеет малое реактивное сопротивление для переменной составляющей.

Рисунок №2 – Схема включения транзистора с общим эмиттером

Реактивная составляющая входного сигнала поступает на резистор R2, (это называется RС-связь).

Напряжение прямого смещения базы транзистора берётся с делителя (R1 – R2) подключённого к источнику питания схемы. Выходной сигнал образуется на резисторе R3 (резистор нагрузки) подключённом к коллектору. После через разделительный конденсатор С2 выходной сигнал поступает на следующий каскад. Причём входная и выходная цепь должна быть заземлена одним заземлением.

Коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ можно рассчитать соотношением:

β= ∂IК/∂IБ ≈∆ IК/∆ IБ    при    UКЭ=const

Где β – коэффициент усиления тока базы

∆ IБ – приращение тока базы

∆ IК – соответствующее приращения тока коллектора при UКЭ=const

Резистор R4 необходим что бы стабилизировать ток транзистора при изменении его температуры. R4 является частичным компенсатором температурного дрейфа тока.

P.S.: Я постарался наглядно показать и описать не хитрые советы. Надеюсь, что хоть что-то вам пригодятся. Но это далеко не всё что возможно выдумать, так что дерзайте, и штудируйте сайт https://bip-mip.com/  

Усилительный каскад с общим эмиттером

Добавлено 5 октября 2017 в 00:20

Сохранить или поделиться

В начале этой главы мы увидели, как транзисторы, работая в режиме либо «насыщения», либо «отсечки», могут использоваться в качестве ключей. В последнем разделе мы увидели, как транзисторы ведут себя в своих «активных» режимах, между экстремальными режимами насыщения и отсечки. Поскольку транзисторы способны управлять током аналоговым (плавно изменяющимся) способом, они находят применение и в качестве усилителей для аналоговых сигналов.

Одна из наиболее простых для изучения схем транзисторного усилителя ранее показала коммутирующие способности транзистора (рисунок ниже).

NPN транзистор как простой ключNPN транзистор как простой ключ (на рисунке показаны направления движения потоков электронов)

Она называется схемой с общим эмиттером, потому что (игнорируя батарею источника питания) и у источника сигнала, и у нагрузки есть общая точка подключения к транзистору – эмиттера (как показано на рисунке ниже). И, как мы увидим в последующих разделах этой главы, это не единственный способ использования транзистора в качестве усилителя.

Каскад усилителя с общим эмиттером: у входного и выходного сигналов при подключении к транзистору есть общая точка – эмиттер

Ранее небольшой ток от солнечного элемента насыщал транзистор, зажигавший лампу. Теперь зная, что транзисторы способны «задавливать» ток коллектора в соответствии с величиной тока базы, подаваемого от источника входного сигнала, мы можем увидеть, что в этой схеме яркость лампы может контролироваться яркостью света, падающего на солнечный элемент. Когда на солнечный элемент попадает мало света, лампа будет светиться тускло. По мере того, как на солнечный элемент попадает больше света, яркость лампы будет возрастать.

Предположим, что нас заинтересовало использование солнечного элемента в качестве измерителя яркости света. Мы хотим измерить яркость падающего света с помощью солнечного элемента, используя его выходной ток для управления стрелкой индикатора. Для этого можно подключить индикатор к солнечному элементу напрямую (рисунок ниже). На самом деле простейшие измерители яркости в фотографии работают подобным же образом.

Свет большой яркости напрямую управляет индикаторомСвет большой яркости напрямую управляет индикатором

Хотя этот способ может работать и при измерении умеренной яркости света, при низкой яркости он работать уже не будет. Поскольку солнечный элемент должен обеспечивать потребности в энергии индикатора для движения стрелки, то эта система неизбежно будет ограничена по своей чувствительности. Предполагая, что нам необходимо измерять очень низкие яркости света, нужно найти другое решение.

Возможно, самым прямым решением этой проблемы является использование транзистора (рисунок ниже) для усиления тока солнечного элемента, чтобы можно было получить большее отклонение стрелки индикатора для более тусклого света.

Ток солнечного элемента при низкой яркости света должен быть усиленТок солнечного элемента при низкой яркости света должен быть усилен (на рисунке показаны направления движения потоков электронов)

Ток через индикатор в этой схеме будет в β раз больше тока через солнечный элемент. Для транзистора с β, равным 100, это дает существенное увеличение чувствительности измерений. Разумно отметить, что дополнительная мощность для перемещения стрелки индикатора исходит от батареи в правой части схемы, а не от самого солнечного элемента. Всё, что делает ток солнечного элемента, это управляет током батареи, чтобы обеспечить более высокие показания индикатора, чем мог бы обеспечить солнечный элемент без посторонней помощи.

Поскольку транзистор является устройством, регулирующим ток, и поскольку движение стрелки индикатора определяется током через катушку индикатора, показания измерителя должны зависеть только от тока солнечного элемента, а не от величины напряжения, обеспечиваемого аккумулятором. Это означает, что точность схемы не зависит от состояния аккумулятора, что является важной особенностью! Всё, что требуется от батареи, – это определенные минимальные выходные напряжения и ток, способные отклонить стрелку индикатора на всю шкалу.

Другим способом использования схемы с общим эмиттером является получение определяемого входным сигналом выходного напряжения, а не определенного значения выходного тока. Давайте заменим стрелочный индикатор на простой резистор и измерим напряжение между коллектором и эмиттером (рисунок ниже).

Благодаря току через резистор нагрузки усилитель с общем эмиттером выдает на выход напряжение

Когда солнечный элемент затемнен (нет тока), транзистор будет находиться в режиме отсечки, и будет вести себя как разомкнутый ключ между коллектором и эмиттером. Это приведет к максимальному падению напряжения между коллектором и эмиттером, что даст максимальное Vвых, равное полному напряжению батареи.

При полной мощности (максимальной освещенности) солнечный элемент будет приводить транзистор в режим насыщения, заставляя его вести себя как замкнутый ключ между коллектором и эмиттером. Результатом будет минимальное падение напряжение между коллектором и эмиттером, или почти нулевое выходное напряжение. На самом деле открытый транзистор никогда не сможет достичь нулевого падения напряжения между коллектором и эмиттером из-за двух PN-переходов, через которые должен проходить ток коллектора. Однако это «напряжение насыщения коллектор-эмиттер» будет довольно низким, примерно несколько десятых долей вольта, в зависимости от конкретного используемого транзистора.

При выходных сигналах солнечного элемента для уровней освещенности где-то между нулем и максимумом транзистор будет находиться в активном режиме, а выходное напряжение будет где-то между нулем и полным напряжением батареи. Важно отметить, что в схеме с общим эмиттером выходное напряжение инвертируется относительно входного сигнала. То есть по мере увеличения входного сигнала выходное напряжение уменьшается. По этой причине схема усилителя с общим эмиттером называется инвертирующим усилителем.

Быстрое моделирование схемы в SPICE (рисунок и список соединений ниже) проверит наши выводы об этой усилительной схеме.

Схема усилителя с общим эмиттером с номерами узлов в SPICE (список соединений приведен ниже)
*common-emitter amplifier 
i1 0 1 dc
q1 2 1 0 mod1
r 3 2 5000
v1 3 0 dc 15
.model mod1 npn
.dc i1 0 50u 2u
.plot dc v(2,0)
.end
Схема с общим эмиттером: зависимость выходного напряжения коллектора от входного тока базыСхема с общим эмиттером: зависимость выходного напряжения коллектора от входного тока базы

В начале моделирования (на рисунке выше), когда источник ток (солнечного элемента) выдает нулевой ток, транзистор находится в режиме отсечки, и выходное напряжение усилителя (между узлами 2 и 0) равно всем 15 вольтам напряжения батареи. По мере того, как ток солнечного элемента начинает увеличиваться, выходное напряжение пропорционально уменьшается, пока транзистор не достигнет насыщения при токе базы 30 мкА (ток коллектора 3 мА). Обратите внимание, как график выходного напряжения идеально линеен (шаги по 1 вольту от 15 вольт до 1 вольта) до точки насыщения, где он никогда не достигнет нуля. Этот эффект упоминался ранее, полностью открытый транзистор не может достичь точно нулевого падения напряжения между коллектором и эмиттером из-за наличия внутренних переходов. То, что мы видим, это резкое снижение выходного напряжения от 1 вольта до 0.2261 вольта при возрастании входного тока с 28 мкА до 30 мкА, а затем дальнейшее снижение выходного напряжения (хотя и со значительно меньшим шагом). Наименьшее выходное напряжение, полученное при этом моделировании, составляет 0.1299 вольта, почти равно нулю.

До сих пор мы видели, как транзистор, как усилитель сигналов постоянных напряжения и тока. В примере измерения освещенности с помощью солнечного элемента нам было интересно усилить выходной сигнал постоянного тока от солнечного элемента для управления стрелочным индикатором постоянного тока или получить на выходе постоянное напряжение. Однако это не единственный способ использования транзистора в качестве усилителя. Часто бывает, необходим усилитель переменного тока для усиления сигналов переменных тока и напряжения. Один из наиболее распространенных случаев – аудио электроника (радио, телевидение). Ранее мы видели пример аудио сигнала от камертона, активирующего транзисторный ключ (рисунок ниже). Посмотрим, можем ли мы изменить эту схему для передачи мощности не на лампу, а на динамик.

Транзисторный ключ, активируемый звуком (на рисунке показны направления движения потоков электронов)Транзисторный ключ, активируемый звуком (на рисунке показаны направления движения потоков электронов)

В исходной схеме двухполупериодный мостовой выпрямитель использовался для преобразования сигнала переменного напряжения от микрофона в постоянное напряжение для управления входом транзистора. Всё, что нам было нужно, это включить лампу с помощью звукового сигнала от микрофона, для этих целей такой схемы было достаточно. Но теперь мы хотим усилить сигнал переменного напряжения и подать его на динамик. Это означает, что мы больше не можем выпрямлять сигнал с выхода микрофона, поскольку для подачи на транзистор нам нужен неискаженный сигнал! Удалим из схемы мостовой выпрямитель и заменим лампу на динамик.

Усилитель с общим эмиттером подает на динамик сигнал звуковой частоты

Так как микрофон может генерировать напряжения, превышающие прямое падение напряжения на PN-переходе база-эмиттер, последовательно с микрофоном я поместил резистор. Давайте промоделируем схему на рисунке ниже с помощью SPICE. Список соединений приведен ниже.

SPICE модель аудио усилителя с общим эмиттером
common-emitter amplifier 
vinput 1 0 sin (0 1.5 2000 0 0)
r1 1 2 1k
q1 3 2 0 mod1
rspkr 3 4 8 
v1 4 0 dc 15
.model mod1 npn
.tran 0.02m 0.74m
.plot tran v(1,0) i(v1)
.end
На коллекторе сигнал обрезается из-за отсутствия на базе смещения постоянным напряжениемНа коллекторе сигнал обрезается из-за отсутствия на базе смещения постоянным напряжением

На графиках моделирования (рисунок выше) показаны как входное напряжение (сигнал переменного напряжения с амплитудой 1,5 вольта и частотой 2000 Гц), так и ток через батарею 15 вольт, который совпадает с током через динамик. Здесь мы видим полную синусоиду входного переменного напряжения (и с положительной, и с отрицательной полуволнами) и полуволны выходного тока только одной полярности. Если бы мы на самом деле подали этот сигнал на динамик, звук из него был бы сильно искажен.

Что не так с этой схемой? Почему она не будет точно воспроизводить полную форму переменного напряжения от микрофона? Ответ на этот вопрос можно найти путем тщательной проверки модели транзистора на основе диода и источника тока (рисунок ниже).

Модель показывает, что ток базы протекает только в одном направлении

Ток коллектора контролируется, или регулируется, в режиме стабилизации тока на постоянном значении в соответствии с величиной тока, протекающего через переход база-эмиттер. Обратите внимание, что оба пути протекания тока через транзистор являются однонаправленными: только одно направление! Несмотря на наше намерение использовать транзистор для усиления сигнала переменного тока, он, по сути, является устройством постоянного тока, которое способно работать с токами только одного направления. Мы можем подать входной сигнал переменного напряжения между базой и эмиттером, но электроны в этой схеме не смогут протекать во время того полупериода, когда переход база-эмиттер будет смещен в обратном направлении. Следовательно, транзистор будет оставаться в режиме отсечки на протяжении всей этой части периода. Он будет «включаться» в активный режим только в том случае, если входное напряжение имеет правильную полярность, чтобы смещать переход база-эмиттер в прямом направлении, и только тогда, когда это напряжение достаточно велико, чтобы превысить прямое падение напряжения перехода. Помните, что биполярные транзисторы являются устройствами, которые управляются током: они регулируют ток коллектора, основываясь на протекании тока от базы к эмиттеру, а не на наличии напряжения между базой и эмиттером.

Единственный способ, с помощью которого мы можем заставить транзистор выдавать в динамик сигнала без искажения его формы, заключается в том, чтобы удерживать транзистор в активном режиме всё время. Это значит, что мы должны поддерживать ток через базу в течение всего периода входного сигнала. Следовательно, PN-переход база-эмиттер должен постоянно быть смещен в прямом направлении. К счастью, это может быть достигнуто с помощью постоянного напряжения смещения, добавленного к входному сигналу. При подключении источника постоянного напряжения с достаточно большим уровнем последовательно с источником сигнала переменного напряжения прямое смещение может поддерживаться во всех точках синусоиды сигнала (рисунок ниже).

Vсмещ удерживает транзистор в активном режиме
common-emitter amplifier 
vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0)
vbias 5 0 dc 2.3
r1 1 2 1k
q1 3 2 0 mod1
rspkr 3 4 8
v1 4 0 dc 15
.model mod1 npn
.tran 0.02m 0.78m
.plot tran v(1,0) i(v1)
.end
Благодаря Vсмещ выходной ток I(v(1)) не искажаетсяБлагодаря Vсмещ выходной ток I(v(1)) не искажается

При наличии источника напряжения смещения 2,3 вольта транзистор остается в активном режиме на протяжении всего периода синусоиды, верно воспроизводя форму сигнала на динамике (рисунок выше). Обратите внимание, что входное напряжение (измеренное между узлами 1 и 0) колеблется между примерно 0,8 вольта и 3,8 вольта, как и ожидалось, размах составляет 3 вольта (амплитуда напряжения источника равна 1,5 вольта). Выходной ток (протекает через динамик) изменяется от нуля до почти 300 мА и на 180° отличается по фазе от входного сигнала (с микрофона).

На рисунке ниже показан другой вид этой же схемы, на этот раз с несколькими осциллографами, подключенными к интересующим нас точкам для отображения соответствующих сигналов.

Вход базы смещен вверх. Выход проинвертирован.Вход базы смещен вверх. Выход инвертирован.

Важной частью является необходимость смещения в схеме транзисторного усилителя для получения полного воспроизведения формы сигнала. Отдельный раздел этой главы будет полностью посвящен объектам и способам смещения. На данный момент достаточно понять, что смещение может потребоваться для получения на выходе усилителя напряжения и тока правильной формы.

Теперь, когда у нас есть работающая схема усилителя, мы можем исследовать ее напряжение, ток и усиление. Типовой транзистор, используемый в этих исследованиях, имеет значение β = 100, о чем свидетельствует короткая распечатка параметров транзистора, приведенная ниже (этот список параметров для краткости был сокращен).

SPICE параметры биполярного транзистора:

type        npn   
is        1.00E-16
bf         100.000
nf           1.000
br           1.000
nr           1.000

β указан под аббревиатурой «bf«, что фактически означает «бета, прямое» ( “beta, forward”). Если бы мы захотели вставить для исследования наш собственный коэффициент β, мы могли бы сделать это в строке .model в списке соединений SPICE.

Так как β – это отношение тока коллектора к току базы, и у нас нагрузка соединена последовательно с коллектором транзистора, а наш источник соединен последовательно с базой, отношение выходного тока к входному току будет равно бета. Таким образом, усиление по току в этом примере усилителя составляет 100.

Усиление по напряжению посчитать немного сложнее, чем усиление по току. Как всегда, коэффициент усиления по напряжению определяется как отношение выходного напряжения к входному напряжению. Чтобы экспериментально определить его, мы изменим наш последний анализ SPICE для построения графика не выходного тока, а выходного напряжения, чтобы сравнить два графика напряжения (рисунок ниже).

common-emitter amplifier
vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0)
vbias 5 0 dc 2.3
r1 1 2 1k
q1 3 2 0 mod1
rspkr 3 4 8
v1 4 0 dc 15
.model mod1 npn
.tran 0.02m 0.78m
.plot tran v(1,0) v(3)
.end
Выходное напряжение V(1) на сопротивлении rдинамик для сравнения со входным сигналом

При построении в одном масштабе (от 0 до 4 вольт) мы видим, что выходной сигнал на рисунке выше имеет меньшую амплитуду, чем входной сигнал, и к тому же он находится на более высоком уровне смещения по сравнению с входным сигналом. Поскольку коэффициент усиления по напряжению для усилителя переменного тока определяется отношением амплитуд, мы можем игнорировать любую разницу в смещениях по постоянному напряжению между этими двумя сигналами. Несмотря на это, входной сигнал всё равно больше выходного, что говорит о том, что коэффициент усиления по напряжению меньше 1 (отрицательное значение в дБ).

Честно говоря, этот низкий коэффициент усиления по напряжению не характерен для всех усилителей с общим эмиттером. Это является следствием большого несоответствия между входным сопротивлением и сопротивлением нагрузки. Наше входное сопротивление (R1) здесь составляет 1000 Ом, а нагрузка (динамик) составляет только 8 Ом. Поскольку коэффициент усиления по току определяется исключительно β, и поскольку этот параметр β фиксирован, коэффициент усиления по току для этого усилителя не изменится с изменением любого из этих сопротивлений. Однако коэффициент усиления по напряжению зависит от этих сопротивлений. Если мы изменим сопротивление нагрузки, сделав его более большим, падение напряжения на нем пропорционально увеличится при тех же значениях токов, и мы увидим на графике сигнал с большей амплитудой. Давайте попробуем промоделировать схему снова, но на этот раз с нагрузкой 30 Ом (рисунок ниже).

common-emitter amplifier
vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0)
vbias 5 0 dc 2.3
r1 1 2 1k
q1 3 2 0 mod1
rspkr 3 4 30
v1 4 0 dc 15
.model mod1 npn
.tran 0.02m 0.78m
.plot tran v(1,0) v(3)
.end
Увеличение rдинамик до 30 Ом увеличивает выходное напряжение

На этот раз размах выходного напряжения значительно больше, чем у входного напряжения (рисунок выше). При внимательном рассмотрении мы видим, что размах выходного сигнала составляет примерно 9 вольт, примерно в 3 раза больше размаха входного сигнала.

Мы можем выполнить еще одни компьютерный анализ этой схемы, на этот раз поручая SPICE с точки зрения переменного напряжения, давая нам значения амплитуд входных и выходных напряжений, вместо осциллограмм (таблица ниже).

Список соединений SPICE для печати входных и выходных значений переменных напряжений.

common-emitter amplifier
vinput 1 5 ac 1.5
vbias 5 0 dc 2.3
r1 1 2 1k
q1 3 2 0 mod1   
rspkr 3 4 30    
v1 4 0 dc 15    
.model mod1 npn 
.ac lin 1 2000 2000     
.print ac v(1,0) v(4,3) 
.end    

freq          v(1)        v(4,3)      
2.000E+03     1.500E+00   4.418E+00

Измерения амплитуд сигналов на входе и на выходе показали 1,5 вольта на входе и 4,418 вольта на выходе. Это дает нам коэффициент усиления по напряжению 2,9453 (4,418 В / 1,5 В), или 9,3827 дБ.

\[A_V = { V_{вых} \over V_{вх}}\]

\[A_V = { 4,418 В \over 1,5 В}\]

\[A_V = 2,9453\]

\[A_{V(дБ)} = 20 \log A_{V(единицы)}\]

\[A_{V(дБ)} = 20 \log 2,9453\]

\[A_{V(дБ)} = 9,3827 дБ\]

Поскольку коэффициент усиления по току для усилительного каскада с общим эмиттером фиксирован и равен β, а входное и выходное напряжения будут равных входному и выходному токам, умноженным на соответствующие сопротивления, мы можем получить формулу для приближенного определения коэффициента усиления по напряжению:

\[A_V = \beta { R_{вых} \over R_{вх} }\]

\[A_V = (100) { 30 Ом \over 1000 Ом }\]

\[A_V = 3\]

\[A_{V(дБ)} = 20 \log A_{V(единицы)}\]

\[A_{V(дБ)} = 20 \log 3\]

\[A_{V(дБ)} = 9,5424 дБ\]

Как вы можете видеть, расчетный коэффициент усиления по напряжению довольно близок к результатам моделирования. При идеально линейном поведении транзисторов эти два набора значений будут точно равны. SPICE делает умную работу по учету многих «причуд» работы биполярного транзистора при их анализе, следовательно, присутствует и небольшое несоответствие между расчетными значениями и результатами моделирования.

Эти коэффициенты усиления по напряжению остаются неизменными независимо от того, где в схеме мы измеряем выходное напряжение: между коллектором и эмиттером или на резисторе нагрузки, как это было сделано при последнем анализе. Изменение значения выходного напряжения для любого заданного значения входного напряжения будет оставаться неизменным. В качестве доказательства этого утверждения рассмотрите два следующих анализа SPICE. Первое моделирование на рисунке ниже проведено во временной области, чтобы получить графики входного и выходного напряжений. Вы заметите, что эти два сигнала отличаются по фазе на 180°. Второе моделирование в таблице ниже представляет собой анализ по переменному напряжению, предоставляющий просто показания пиковых напряжений для входа и для выхода.

Список соединений SPICE для первого анализа:

common-emitter amplifier
vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0)
vbias 5 0 dc 2.3
r1 1 2 1k
q1 3 2 0 mod1
rspkr 3 4 30
v1 4 0 dc 15
.model mod1 npn
.tran 0.02m 0.74m
.plot tran v(1,0) v(3,0)
.end
Усилительный каскад с общим эмиттером с Rдинамик усиливает сигнал по напряжению

Список соединений SPICE для анализа по переменному току:

common-emitter amplifier
vinput 1 5 ac 1.5       
vbias 5 0 dc 2.3
r1 1 2 1k       
q1 3 2 0 mod1   
rspkr 3 4 30    
v1 4 0 dc 15    
.model mod1 npn 
.ac lin 1 2000 2000     
.print ac v(1,0) v(3,0) 
.end    

freq          v(1)        v(3)
2.000E+03     1.500E+00   4.418E+00

У нас всё еще пиковое напряжение на выходе равно 4,418 вольт при пиковом напряжении на входе 1,5 вольта. Единственное отличие от данных последнего моделирования – это то, что в первом моделировании нам видна фаза выходного напряжения.

До сих пор в примерах схем, показанных в этом разделе, мы использовали только NPN транзисторы. PNP транзисторы также можно использовать в любом типе схемы усилительного каскада, если соблюдается правильность полярностей и направлений токов, и схема с общим эмиттером не является исключением. Инверсия и усиление выходного сигнала у усилителя на PNP транзисторе, аналогичны усилителю на NPN транзисторе, только полярности батарей будут противоположными (рисунок ниже).

PNP версия усилительного каскада с общим эмиттеромPNP версия усилительного каскада с общим эмиттером

Подведем итоги:

  • Усилительные транзисторные каскады с общим эмиттером носят такое название, потому что у входного и выходного напряжений есть общая точка подключения к транзистору — эмиттер (не учитывая каких-либо источников питания).
  • Транзисторы – это, по сути, устройства постоянного тока: они не могут напрямую обрабатывать напряжения или токи, которые меняют своё направление. Чтобы заставить их работать для усиления сигналов переменного напряжения, входной сигнал должен быть смещен постоянным напряжением, чтобы удерживать транзистор в активном режиме на протяжении всего периода синусоиды сигнала. Это называется смещением.
  • Если выходное напряжение в схеме усилителя с общим эмиттером измеряется между эмиттером и коллектором, оно будет на 180° отличаться по фазе от входного напряжения. Таким образом, усилитель с общим эмиттером называется схемой инвертирующего усилителя.
  • Коэффициент усиления по току транзисторного усилителя с общим эмиттером с нагрузкой, подключенной последовательно с коллектором, равен β. Коэффициент усиления по напряжению транзисторного усилителя с общим эмиттером может быть приблизительно рассчитан по формуле:
    \[A_V = \beta { R_{вых} \over R_{вх} }\]
    где Rвых – это резистор, соединенный последовательно с коллектором; а Rвх – это резистор, соединенный последовательно с базой.

Оригинал статьи:

Теги

LTspiceSPICEБиполярный транзисторКаскад с общим эмиттеромКоэффициент усиления по напряжениюКоэффициент усиления по токуМоделированиеОбучениеСмещение транзистораЭлектроника

Сохранить или поделиться

Усилитель на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, принцип действия, назначение всех элементов схемы, режимы её работы.

Биполярные транзисторы – активные приборы, позволяющие усиливать, генерировать и преобразовывать электрические колебания в широком диапазоне частот и мощностей.

Усилительный каскадэто минимальный функциональный блок, обеспечивающий усиление сигнала.

 

Важнейшей величиной, характеризующей усилительный каскад, является коэффициент усиления, равный отношению уровня выходного сигнала к уровню входного. Различают три коэффициента усиления–– коэффициент усиления по напряжению, току и мощности:

 

 

Наибольшее распространение получила схема включения с общим эмиттером. В схеме включения транзистора с общим эмиттером усилитель обеспечивает усиление по напряжению, по току, по мощности. Такой усилитель имеет средние значения входного и выходного сопротивления по сравнению со схемами включения с общей базой и общим коллектором.

 

Назначение элементов:

Сопротивление R1, R2 – образуют делитель напряжения, определяющий положение рабочей точки.

Rэ, Сэ – служит для температурной стабилизации. При увеличении температуры увеличивается ток эмитера, при этом возрастает падение напряжения на Rэ, что приводит к падению напряжения между базой и эмиттером: при U б,э= U б — U э = Ek ( R 1/[ R 1+ R 2]) – I э R э

Сэ – шунтируя Rэ, исключает отрицательную обратную связь по переменному току.

Сэ = Xcэ = 1/ωcэ<< Rэ

С1, С2 – разделительные емкости, позволяющие отделить постоянный ток от генератора

(постоянную составляющую от переменной). Служат, чтобы не было связи с генератором

и с нагрузкой.

Rк – преобразует изменение тока коллектора в выходное напряжение. На выходе цепи включен резистор нагрузки Rн , с которого снимается усиленный сигнал.

Усилительный каскад с общим эмиттером работает следующим

образом:

1. При увеличении входного напряжения (UВХ ↑) ширина p n перехода между коллектором и базой уменьшается, в результате возрастает ток в цепи эмиттера (IЭ↑), а выходное сопротивление транзистора (между коллектором и эмиттером) уменьшается (RВыхТр ↓), а следовательно уменьшается и падение напряжения на выходе транзистора (IЭRВыхТр = UВых ↓).

 

2.  При уменьшении входного напряжения (UВХ ↓) ширина pn перехода между коллектором и базой увеличивается, в результате чего ток в цепи эмиттера уменьшается (IЭ ↓), а выходное сопротивление транзистора (между коллектором и эмиттером) увеличивается (RВыхТр ↑), следовательно, увеличивается и падение напряжения на выходе транзистора (IЭRВыхТр = UВых ↑).

 

Таким образом, усилительный каскад с общим эмиттером сдвигает фазу выходного сигнала, относительно входного, на 180.

Зависимость между входными и выходными токами и напряжениями в транзисторах определяется семействами входных и выходных статических вольт-амперных характеристик (ВАХ) (рис. 6.4). Входные характеристики Iб = f(Uбэ)|Uкэ (рис. 6.4, а) снимаются при постоянных выходных напряжениях коллектор-эмиттер Uкэ = const. При Uкэ = 0 характеристика идет из начала координат, так как при отсутствии напряжения отсутствует и ток. При Uкэ > 0 характеристика сдвигается вправо на величину так называемого порогового напряжения Uбэ.пор, различающегося у германиевых и кремниевых транзисторов.

 

Семейство выходных ВАХ Iк = f(Uкэ)|Iб (рис. 6.4, б) снимается при

различных токах базы Iб = const.

 

В соответствии со схемой рис. 6.4 могут быть построены и измерены динамические входные и выходные характеристики каскада Iк = f(Uкэ)|Ек = const, Iб = f(Uбэ)|Ек = const. Выходная динамическая характеристика описывается уравнением Iк = (Ек – Uкэ)/Rк и называется также нагрузочной прямой или нагрузочной характеристикой

Статический режим работы транзистора – режим работы при отсутствии нагрузки в выходной цепи.

Статические характеристики связывают постоянные токи электродов с постоянными напряжениями на них — это графически выраженные зависимости напряжения и тока входной цепи и выходной цепи (вольтамперные характеристики ВАХ).

Режим работы транзистора с нагрузкой называется динамическим. В этом режиме токи и напряжения на электродах транзистора не остаются постоянными, а непрерывно изменяются. Рас­смотрим работу транзистора, включенного по наиболее распространенной схеме с общим эмиттером, в динамическом режиме (рис. а). В этой схеме напряжение источника питания Еп распределяется между участком коллектор — эмиттер (выходом схемы) и нагрузочным сопротивлением Rн так, что напряжение

Это выражение представляет собой уравнение динамического режима для выходной цепи. Изменения напряжения на входе транзистора вызывают соответствующие изменения тока эмиттера, базы, а следовательно, и тока коллектора IК. Это приводит к изменению напряжения на Rн, в результате чего изменяется и напряжение UКЭ.

Режим отсечки — к обоим переходам подведены обратные напряжения. Так как выходной ток транзистора в режиме отсечки практически равен нулю, этот режим используется для размыкания цепей передачи сигналов.

 

Напряжение отсечки – напряжение, при котором оба p-n перехода закрыты.

 

2.07. Усилитель с общим эмиттером

ГЛАВА 2. ТРАНЗИСТОРЫ

НЕКОТОРЫЕ ОСНОВНЫЕ ТРАНЗИСТОРНЫЕ СХЕМЫ



Рассмотрим источник тока, нагрузкой для которого служит резистор (рис. 2.26). Напряжение на коллекторе равно

Uк=Uкк — IкRк.

эмиттерный повторитель

Рис. 2.26.

Можно через емкость задать сигнал в цепь базы, тогда напряжение на коллекторе будет изменяться. Рассмотрим пример, представленный на рис. 2.27. 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).

эмиттерный повторитель

Рис. 2.27. 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.

Иначе говоря,

C ≥ l/2πƒ(R1 || R2). Uк=Uкк — IкRк.

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 = — iкRк = — uб(Rк/Rэ)

Стоп! 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 называется усилителем с общим эмиттером с отрицательной обратной связью в цепи эмиттера.

Входное и выходное сопротивление для усилителя с общим эмиттером. Нетрудно определить входное и выходное сопротивление усилителя. Для входного сигнала схема представляет собой параллельное соединение резисторов 110кОм, 10кОм 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, 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.


Модель Эберса-Молла для основных транзисторных схем


2.12. Еще раз об усилителе с общим эмиттером

ГЛАВА 2. ТРАНЗИСТОРЫ

Модель Эберса-Молла для основных транзисторных схем



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). Например, для усилителя, который мы рассмотрели выше, коэффициент усиления по напряжению равен -10 кОм/rэ, или -400, при условии, что сопротивление эмиттерного резистора равно нулю. Мы предполагали раньше, что входной импеданс h21эRэ равен нулю при Rэ = 0; на самом деле он приблизительно равен h21эrэ и в данном случае составляет около 2,5 кОм (ток покоя равен 1 мА).

Мы уже упоминали усилитель с «заземленным эмиттером» и схемы «с общим эмиттером». Эти схемы не следует путать. 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 разистора 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 рис. 2.35.

Схема усилителя с общим эмиттером без отрицательной обратной связи в цепи эмиттера

Рис. 2.35. Усилитель с общим эмиттером без отрицательной обратной связи в цепи эмиттера.

1. Нелинейность. Коэффициент усиления определяется выражением k = -gmRк = -Rк/rэ = -RкIк(мА)/25, т. е. для тока покоя 1 мА он равен -400. Но дело в том, что ток 1К изменяется при изменении входного сигнала. В нашем примере коэффициент усиления может изменяться от -800(Uвых = 0, Iк = 2 мА) до нуля (Uвых = Uкк, Iк = 0). Если на входе действует треугольный сигнал, то сигнал на выходе будет таким, как показано на рис. 2.36. 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.

График нелинейного выходного сигнала усилителя с заземленным эмиттером

Рис. 2.36. Нелинейный выходной сигнал, снимаемый с усилителя с заземленным эмиттером.

2. Входное сопротивление. Входное сопротивление приблизительно равно Zвх = h21ээ = (25h21э/Iк(мА)) Ом. Здесь мы опять сталкиваемся с тем, что ток Iк 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.

3. Смещение. В усилителе с заземленным эмиттером смешение 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 Т — абсолютная температура). Это ведет к тому, что коллекторный ток (при фиксированном значении Uбэ) будет увеличиваться в 10 раз при повышении температуры на 30°С. Такая нестабильность делает смещение неработоспособным, так как даже небольшие колебания температуры будут приводить усилитель в режим насыщения. Например, если напряжение смешения сделать равным половине напряжения питания коллектора, то усилитель с заземленным эмиттером будет переходить в режим насыщения при повышении температуры на 8°С.

Упражнение 2.9. Убедитесь в том, что при повышении температуры окружающей среды на 8°С усилитель с заземленным эмиттером и поданным на базу напряжением смешения переходит в режим насыщения. В исходном состоянии транзистор смещен так, что Uк = 0,51Uкк.

О том, как решается задача смещения, вы узнаете из следующих разделов. 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.

Эмиттерный резистор в качестве элемента обратной связи. Если к собственному сопротивлению эмиттера добавить сопротивление внешнего эмиттерного резистора, то многие параметры усилителя с общим эмиттером улучшатся, правда за счет снижения коэффициента усиления. Аналогичное явление рассматривается в следующих двух главах, посвященных использованию отрицательной обратной связи, позволяющей улучшить характеристики усилителя за счет частичной передачи выходного сигнала на вход. Это не простое совпадение, дело в том, что в усилителе с общим эмиттером используется одна из форм отрицательной обратной связи. Представим себе, что транзистор — это элемент с передаточной крутизной, в котором коллекторный ток (а следовательно, и выходное напряжение) зависит от напряжения, действующего между базой и эмиттером; на вход усилителя подается напряжение, действующее между базой и землей. Входное напряжение представляет собой напряжение между эмиттером и базой минус напряжение (IэRэ). Следовательно, в схеме с общим эмиттером действует отрицательная обратная связь, и благодаря этому улучшаются характеристики усилителя (высокая линейность и стабильность, большой входной импеданс; выходной импеданс можно уменьшить, если ввести обратную связь непосредственно с коллектора). Это лишь первое знакомство с обратной связью, но и оно позволяет оценить значение материала, изложенного в гл. 4 — 5.


Некоторые типы усилительных каскадов


Схема усилителя с общим эмиттером

Работа и характеристики

Существует различных типов транзисторных усилителей , работающих от входа переменного тока. Он меняется между положительным и отрицательным значениями, следовательно, это один из способов представить схему усилителя с общим эмиттером для работы между двумя пиковыми значениями. Этот процесс известен как усилитель смещения, и это важная конструкция усилителя, позволяющая установить точную рабочую точку транзисторного усилителя, который готов принимать сигналы, следовательно, он может уменьшить любые искажения выходного сигнала.

Что такое усилитель с общим эмиттером?

Усилитель с общим эмиттером представляет собой трехкаскадный однокаскадный биполярный переходной транзистор, который используется в качестве усилителя напряжения. Вход этого усилителя берется с клеммы базы, выходной сигнал — с клеммы коллектора, а клемма эмиттера является общей для обоих клемм. Базовое обозначение усилителя с общим эмиттером показано ниже.


Common Emitter Amplifier Common Emitter Amplifier Усилитель с общим эмиттером

Работа усилителя с общим эмиттером

На приведенной ниже принципиальной схеме показана работа схемы усилителя с общим эмиттером и состоит из смещения делителя напряжения, используемого для подачи напряжения смещения базы в соответствии с необходимостью.Делитель напряжения смещения имеет делитель потенциала с двумя резисторами, подключенными таким образом, что средняя точка используется для подачи напряжения смещения базы.

Common Emitter Amplifier Circuit Common Emitter Amplifier Circuit Схема усилителя с общим эмиттером

В усилителе с общим эмиттером используются различные типы электронных компонентов: резистор R1 используется для прямого смещения, резистор R2 используется для развития смещения, резистор RL используется на выходе это называется сопротивлением нагрузки. Резистор RE используется для обеспечения термостойкости.Конденсатор C1 используется для отделения сигналов переменного тока от напряжения смещения постоянного тока, а конденсатор известен как конденсатор связи.

На рисунке показано, что характеристики транзистора усилителя с общим эмиттером смещения в зависимости от коэффициента усиления: если резистор R2 увеличивается, то увеличивается прямое смещение, а R1 и смещение обратно пропорциональны друг другу. Переменный ток подается на базу транзистора схемы усилителя с общим эмиттером, после чего возникает небольшой ток базы.Следовательно, через коллектор через сопротивление RC проходит большой ток. Напряжение рядом с сопротивлением RC изменится, потому что значение очень велико и составляет от 4 до 10 кОм. Следовательно, в цепи коллектора присутствует огромное количество тока, который усиливается из слабого сигнала, поэтому транзистор с общим эмиттером работает как схема усилителя.

Коэффициент усиления по напряжению усилителя с общим эмиттером

Коэффициент усиления по току усилителя с общим эмиттером определяется как отношение изменения тока коллектора к изменению тока базы.Коэффициент усиления по напряжению определяется как произведение коэффициента усиления по току и отношения выходного сопротивления коллектора к входному сопротивлению базовых цепей. Следующие уравнения показывают математическое выражение усиления по напряжению и по току.

PCBWay PCBWay
Voltage & Current Gain of Common Emitter Amplifier Voltage & Current Gain of Common Emitter Amplifier Коэффициент усиления по напряжению и току усилителя с общим эмиттером

Транзисторный усилитель с общим эмиттером

На следующей принципиальной схеме показан усилитель на транзисторах с общим эмиттером. Этот транзисторный усилитель имеет общую конфигурацию и представляет собой стандартный формат транзисторной схемы, в которой требуется усиление напряжения.Усилитель с общим эмиттером также преобразован в инвертирующий усилитель. Различные типы конфигураций в транзисторных усилителях представляют собой транзисторы с общей базой и общим коллектором, и рисунок показан на следующих схемах.

Common Emitter Transistor Amplifier Common Emitter Transistor Amplifier Транзисторный усилитель с общим эмиттером
Характеристики усилителя с общим эмиттером
  • Усиление по напряжению усилителя с общим эмиттером среднее
  • Усиление по мощности высокое в усилителе с общим эмиттером
  • На входе имеется фазовое соотношение 180 градусов и выход
  • В усилителе с общим эмиттером входные и выходные резисторы являются средними.

График характеристик между смещением и усилением показан ниже.

Characteristics Graph Characteristics Graph График характеристик
Применения усилителя с общим эмиттером
  • Усилители с общим эмиттером используются в усилителях напряжения низкой частоты.
  • Эти усилители обычно используются в радиочастотных цепях.
  • Как правило, усилители используются в усилителях с низким уровнем шума.
Преимущества усилителя с общим эмиттером
  • Усилитель с общим эмиттером имеет низкий входной импеданс и является инвертирующим усилителем.
  • Выходное сопротивление этого усилителя высокое.
  • Этот усилитель имеет наибольшее усиление мощности в сочетании со средним напряжением и усилением по току.
  • Усиление по току усилителя с общим эмиттером высокое
Недостатки усилителя с общим эмиттером
  • На высоких частотах усилитель с общим эмиттером имеет высокое значение. не реагирует
  • Коэффициент усиления по напряжению этого усилителя нестабилен
  • Выходное сопротивление в этих усилителях очень высокое
  • В этих усилителях наблюдается высокая тепловая нестабильность
  • Высокое выходное сопротивление

В этой статье обсуждается работа усилителя схема усилителя с общим эмиттером.Прочитав приведенную выше информацию, вы получите представление об этой концепции. Кроме того, любые вопросы относительно этого или если вы хотите реализовать электрические проекты, пожалуйста, не стесняйтесь комментировать в разделе ниже. Вот вам вопрос, какова функция усилителя с общим эмиттером?

.Принцип работы усилителя с общим эмиттером

и его применение

Усилитель — это электронная схема, которая используется для увеличения силы слабого входного сигнала с точки зрения напряжения, тока или мощности. Процесс увеличения силы слабого сигнала известен как усиление. Одним из наиболее важных ограничений во время усиления является то, что должна увеличиваться только величина сигнала, и не должно быть никаких изменений в исходной форме сигнала. Транзистор (BJT, FET) является основным компонентом системы усилителя.Когда транзистор используется в качестве усилителя, первым делом необходимо выбрать подходящую конфигурацию, в которой будет использоваться устройство. Затем транзистор должен быть смещен, чтобы получить желаемую точку добротности. Сигнал подается на вход усилителя, и достигается выходное усиление. В этой статье мы обсудим анализ обычного эмиттерного усилителя.

Конфигурация усилителя с общим эмиттером

В конфигурации усилителя с общим эмиттером эмиттер BJT является общим как для входного, так и для выходного сигнала, как показано ниже.Расположение аналогично PNP-транзистору, но смещение будет противоположным по сравнению с NPN-транзистором.


NPN and PNP CE Configuration Amplifier NPN and PNP CE Configuration Amplifier Конфигурационный усилитель NPN и PNP CE

Работа усилителя с общим эмиттером

Когда сигнал подается на переход эмиттер-база, прямое смещение на этом переходе увеличивается в течение верхнего полупериода. Это приводит к увеличению потока электронов от эмиттера к коллектору через базу, следовательно, увеличивает ток коллектора. Увеличивающийся ток коллектора вызывает большее падение напряжения на резисторе RC нагрузки коллектора.

Отрицательный полупериод уменьшает напряжение прямого смещения на переходе эмиттер-база. Уменьшение напряжения коллектор-база уменьшает ток коллектора во всем резисторе коллектора Rc. Таким образом, резистор усиленной нагрузки появляется на резисторе коллектора. Схема усилителя с общим эмиттером показана на рисунке (а).

CE Amplifier CE Amplifier CE-усилитель

Из осциллограмм напряжения для схемы CE, показанной на рис. (B), видно, что существует фазовый сдвиг на 180 градусов между сигналами входа и выхода.

Элементы схемы усилителя с общим эмиттером и их функции

Цепь смещения / делитель напряжения

PCBWay PCBWay

Сопротивления R1, R2 и RE, используемые для формирования цепи смещения и стабилизации напряжения. Схема смещения должна установить правильную рабочую точку Q, иначе часть отрицательного полупериода сигнала может быть отключена на выходе.

Входной конденсатор (C1)

Конденсатор C1 используется для передачи сигнала на базовый вывод BJT.Если его нет, сопротивление источника сигнала Rs будет проходить через R2 и, следовательно, изменит смещение. C1 пропускает только сигнал переменного тока, но изолирует источник сигнала от R2

Конденсатор обхода эмиттера (CE)

Конденсатор обхода эмиттера CE используется параллельно с RE, чтобы обеспечить путь с низким реактивным сопротивлением для усиленного сигнала переменного тока. Если он не используется, тогда усиленный сигнал переменного тока, следующий через RE, вызовет падение напряжения на нем, тем самым снизив выходное напряжение.

Конденсатор связи (C2)

Конденсатор связи C2 соединяет один каскад усиления со следующим. Этот метод используется для изоляции настроек смещения постоянного тока двух связанных цепей.

Токи в цепи усилителя CE

Базовый ток iB = IB + ib, где
IB = постоянный базовый ток при отсутствии сигнала.

ib = база переменного тока при подаче сигнала переменного тока и iB = общий базовый ток.

Ток коллектора iC = IC + ic, где

iC = общий ток коллектора.

IC = ток коллектора нулевого сигнала.

ic = ток коллектора переменного тока при подаче сигнала переменного тока.

Ток эмиттера iE = IE + т.е. где,

IE = Ток эмиттера нулевого сигнала.

Ie = переменный ток эмиттера при подаче переменного сигнала.

iE = полный ток эмиттера.

Частотная характеристика усилителя CE

Коэффициент усиления по напряжению усилителя CE зависит от частоты сигнала. Это связано с тем, что реактивные сопротивления конденсаторов в цепи изменяются в зависимости от частоты сигнала и, следовательно, влияют на выходное напряжение.Кривая между коэффициентом усиления напряжения и частотой сигнала усилителя называется частотной характеристикой. На рисунке ниже показана частотная характеристика типичного усилителя CE.

Frequency Response of Common Emitter Amplifier Frequency Response of Common Emitter Amplifier Частотная характеристика усилителя с общим эмиттером

Из приведенного выше графика мы видим, что коэффициент усиления по напряжению падает на низких ( FH) частотах, тогда как он остается постоянным в диапазоне средних частот (FL до FH).

На низких частотах ( Реактивное сопротивление разделительного конденсатора C2 относительно велико, и, следовательно, очень небольшая часть сигнала проходит от каскада усилителя к нагрузке.

Более того, CE не может эффективно шунтировать RE из-за его большого реактивного сопротивления на низких частотах. Эти два фактора вызывают падение усиления напряжения на низких частотах.

На высоких частотах (> FH) Реактивное сопротивление разделительного конденсатора C2 очень мало, и он ведет себя как короткое замыкание. Это увеличивает нагрузку на каскад усилителя и снижает коэффициент усиления по напряжению.

Более того, на высоких частотах емкостное сопротивление перехода база-эмиттер низкое, что увеличивает ток базы.Эта частота снижает коэффициент усиления тока β. По этим двум причинам усиление напряжения падает на высокой частоте.

На средних частотах (от FL до FH) Коэффициент усиления по напряжению усилителя постоянный. Влияние конденсатора связи C2 в этом диапазоне частот таково, что он поддерживает постоянное усиление напряжения. Таким образом, по мере увеличения частоты в этом диапазоне реактивное сопротивление CC уменьшается, что приводит к увеличению усиления.

Однако, в то же время, более низкое реактивное сопротивление означает, что более высокие почти компенсируют друг друга, что приводит к однородному хорошему среднему уровню.

Анализ усилителя с общим эмиттером

Первым шагом в анализе переменного тока схемы усилителя с общим эмиттером является построение эквивалентной схемы переменного тока путем уменьшения всех источников постоянного тока до нуля и замыкания всех конденсаторов. На рисунке ниже показана эквивалентная схема переменного тока.

AC Equivalent Circuit for CE Amplifier AC Equivalent Circuit for CE Amplifier Эквивалентная схема переменного тока для усилителя CE

Следующим шагом в анализе переменного тока является построение схемы h-параметра путем замены транзистора в эквивалентной схеме переменного тока его моделью h-параметра. На рисунке ниже показана эквивалентная схема h-параметра для схемы CE.

h-Parameter Equivalent Circuit for Common Emitter Amplifier h-Parameter Equivalent Circuit for Common Emitter Amplifier Схема эквивалента h-параметра для усилителя с общим эмиттером

Типичные рабочие характеристики схемы CE приведены ниже:

  • Входное сопротивление устройства, Zb = hie
  • Входное сопротивление цепи, Zi = R1 || R2 || Zb
  • Выходное сопротивление устройства, Zc = 1 / hoe
  • Выходное сопротивление цепи, Zo = RC || ZC ≈ RC
  • Коэффициент усиления цепи, Av = -hfe / hie * (Rc || RL)
  • Коэффициент усиления цепи, AI = hfe. RC. Rb / (Rc + RL) (Rc + hie)
  • Коэффициент усиления схемы, Ap = Av * Ai
Применение усилителя CE
  • Схема с общим эмиттером популярна, потому что она хорошо подходит для усиления напряжения, особенно при низкие частоты.
  • Усилители с общим эмиттером также используются в схемах радиочастотных приемопередатчиков.
  • Конфигурация с общим эмиттером, обычно используемая в малошумящих усилителях.

В этой статье обсуждается работа схемы усилителя с общим эмиттером и ее применения. Прочитав приведенную выше информацию, вы получите представление об этой концепции. Кроме того, любые вопросы относительно этого или если вы хотите реализовать проекты в области электроники и электротехники, пожалуйста, оставьте комментарий в разделе ниже.Вот вам вопрос, какова функция усилителя с общим эмиттером?

.Конструкция усилителя с общим эмиттером на транзисторе

»Lectronics Notes

Простые в использовании пошаговые инструкции по проектированию электронной схемы каскада усилителя на транзисторах с общим эмиттером, показывающие расчеты значений электронных компонентов.


Учебное пособие по проектированию схем транзисторов Включает:
Проектирование схем транзисторов Конфигурации схемы Общий эмиттер Общая схема эмиттера Эмиттерный повторитель Общая база

См. Также: Типы транзисторных схем


Усилитель с общим эмиттером широко используется, и его электронная схема относительно проста.,

Есть несколько простых расчетов, которые можно комбинировать с простой схемой проектирования, чтобы получить надежный результат. Довольно легко принять предпочтительные значения компонентов в конструкции усилителя с общим эмиттером.

Есть несколько вариантов усилителя с общим эмиттером, и они могут быть легко включены в конструкцию. Самая основная форма конструкции усилителя с обычным эмиттером — это простой логический буфер / выход, состоящий из транзистора и пары резисторов.В него можно добавить несколько дополнительных компонентов, которые позволят ему превратиться в усилитель со связью по переменному току со смещением постоянного тока и резистором обхода эмиттера.

Простая логическая конструкция усилителя с общим эмиттером

Эта очень простая конструкция логического буфера или усилителя с общим эмиттером настолько проста, насколько это возможно.

На схеме показан транзистор с входным резистором и коллекторным резистором. Входной резистор используется для ограничения тока, протекающего в базу, а коллекторный резистор используется для создания этого напряжения на выходе.

Когда на входе появляется высокий логический уровень, это вызывает прохождение тока через R1 в базу. Это приводит к включению транзистора. В свою очередь, напряжение на коллекторе падает почти до нуля, и все напряжение вырабатывается на резисторе R1.

Видно, что есть инверсия фазы. При высоком входном напряжении выходной сигнал низкий, т.е. A basic common emitter transistor amplifier as used with logic circuits - determination of the values for the electronic components Схема базового транзисторного усилителя с общим эмиттером — этот вариант часто используется с логическими схемами в качестве простого переключателя.

Усилитель с общим эмиттером, действующий как буфер для логической ИС, очень легко спроектировать.

Хотя это не единственный способ спроектировать сцену, можно использовать следующее пошаговое руководство.

  1. Выберите транзистор: Выбор транзистора, обозначенного на схеме как TR1, будет зависеть от ряда факторов:
    • Ожидаемое рассеяние мощности.
    • Требуемая скорость переключения — для коммутационных приложений следует выбирать переключающий транзистор, а не другую форму транзистора с высокой пропускной способностью, фут.
    • Требуется текущее усиление.
    • Требуемый ток.
    • Коллектор-эмиттер напряжение.
    Все это можно предвидеть с достаточной точностью до начала проектирования. После завершения проектирования следует проверить все цифры, чтобы убедиться, что транзистор соответствует выбранным значениям.
  2. Рассчитать резистор коллектора: Выбрав тип транзистора, необходимо определить значения других электронных компонентов.Определение резистора коллектора R2 достигается путем определения тока, необходимого для протекания через резистор. Это будет зависеть от таких элементов, как ток, который должна обеспечивать цепь. Также может потребоваться светодиодный индикатор, включенный последовательно с резистором коллектора. Сила тока должна быть определена для получения требуемой светоотдачи. Номинал резистора можно определить с помощью закона Ома, зная ток, протекающий через резистор, и напряжение на нем.
  3. Определите номинал резистора базы: Ток базы — это ток коллектора, деленный на значение β или hfe, которое практически одинаково. Убедитесь, что существует достаточный ток привода, чтобы включить транзистор для самых низких значений β даже при низких температурах, когда значения β будут ниже. Следует проявлять осторожность, чтобы не пропускать чрезмерный ток в базу, поскольку в результате переключение может занять больше времени, поскольку необходимо удалить избыточный накопленный заряд.
  4. Переоценить исходные допущения: После того, как проект был завершен, необходимо переоценить некоторые из начальных решений и оценок на случай, если окончательный проект что-то изменил.

Простая конструкция усилителя с общим эмиттером со связью по переменному току

Конструкция электронной схемы для базовой схемы усилителя с общим эмиттером со связью по переменному току приведена ниже.

Circuit of a basic common emitter transistor amplifier with a single base bias resistor - determination of the values for the electronic components Схема базового транзисторного усилителя с общим эмиттером и одним базовым резистором смещения

Эта схема не используется широко, потому что трудно определить точную рабочую точку схемы из-за встречающихся вариаций значений β.

Можно использовать пошаговый процесс, показанный ниже:

  1. Выберите транзистор: Выбор транзистора будет зависеть от факторов, включая ожидаемую рассеиваемую мощность, напряжение коллектор-эмиттер, полосу пропускания и т. Д.
  2. Выберите резистор коллектора: Значение должно быть выбрано так, чтобы коллектор находился примерно на половине питающей шины для требуемого тока. Величину сопротивления можно определить просто по закону Ома. Текущее значение следует выбирать так, чтобы сопротивление / выходное сопротивление было приемлемым для следующего этапа.
  3. Выберите базовый резистор: Используя показатель β для транзистора, определите базовый ток.Затем, используя закон Ома, зная напряжение питания и тот факт, что база будет на 0,5 В (для кремния) над землей, рассчитайте резистор.
  4. вычислить разделительные конденсаторы: Используя знание входного и выходного импеданса, определите значение конденсатора, равное импедансу при самой низкой частоте использования. (Xc = 2π f C, где C — в фарадах, а частота — в Гц).
  5. Пересмотрите расчеты: Пересмотрите все расчеты и допущения, чтобы убедиться, что все они остаются в силе в свете способа развития схемы.

Комплексная конструкция усилителя с общим эмиттером со связью по переменному току

Включая несколько дополнительных компонентов в общую схему эмиттера, можно обеспечить лучший уровень усиления, а также улучшенную температурную стабильность на постоянном токе.

Circuit of a basic common emitter transistor amplifier: determination of the values for the electronic components Схема базового транзисторного усилителя с общим эмиттером

Конструкция усилителя с общим эмиттером относительно проста. В качестве основы можно использовать следующую схему проектирования.

  1. Выберите транзистор: Как и прежде, тип транзистора следует выбирать в соответствии с ожидаемыми требованиями к рабочим характеристикам.
  2. Расчет резистора коллектора: Необходимо определить ток, необходимый для адекватного управления следующей ступенью. Зная требуемый ток в резисторе, выберите напряжение коллектора, равное примерно половине напряжения питания, чтобы обеспечить равные колебания сигнала вверх и вниз. Это определит номинал резистора по закону Ома.
  3. Рассчитайте резистор эмиттера: обычно для напряжения эмиттера выбирается напряжение около 1 вольт или 10% от значения шины.Это обеспечивает хороший уровень устойчивости схемы по постоянному току. Вычислите сопротивление, зная ток коллектора (фактически такой же, как ток эмиттера) и напряжение эмиттера.
  4. Определить базовый ток: Можно определить базовый ток, разделив ток коллектора на β (или hfe, что по сути то же самое). Если указан диапазон для β, работайте с осторожностью.
  5. Определите базовое напряжение: Это легко вычислить, потому что базовое напряжение — это просто напряжение эмиттера плюс напряжение перехода база-эмиттер.Это принято равным 0,6 В для кремниевых и 0,2 В для германиевых транзисторов.
  6. Определите номиналы резистора базы: Предположим, что ток, протекающий через цепь R1 + R2, примерно в десять раз больше необходимого тока базы. Затем выберите правильное соотношение резисторов, чтобы обеспечить необходимое напряжение на базе.
  7. Шунтирующий конденсатор эмиттера: Коэффициент усиления схемы без конденсатора на резисторе эмиттера составляет приблизительно R3 / R4.Чтобы увеличить коэффициент усиления для сигналов переменного тока, добавлен конденсатор C3 обхода резистора эмиттера. Это должно быть рассчитано таким образом, чтобы реактивное сопротивление равнялось R4 при самой низкой рабочей частоте.
  8. Определите значение входного конденсатора: Значение входного конденсатора должно равняться сопротивлению входной цепи на самой низкой частоте, чтобы обеспечить падение на -3 дБ на этой частоте. Полный импеданс цепи будет β умноженным на R3 плюс любое сопротивление, внешнее по отношению к цепи, т.е.е. сопротивление источника. Внешнее сопротивление часто игнорируется, так как оно, скорее всего, не окажет чрезмерного влияния на схему.
  9. Определите значение выходного конденсатора: Опять же, выходной конденсатор обычно выбирается равным сопротивлению цепи на самой низкой рабочей частоте. Сопротивление цепи — это выходное сопротивление эмиттерного повторителя плюс сопротивление нагрузки, т.е.
  10. Переоценка допущений: В свете того, как развивалась схема, переоценить все допущения схемы, чтобы убедиться, что они остаются действительными.Такие аспекты, как выбор транзистора, значения потребления тока и т. Д.

Можно получить более определенное усиление для каскада для сигналов более высокой частоты, поместив резистор (R5) последовательно с C3. Для низких значений усиления по напряжению это можно определить с помощью простого соотношения A v = R3 / R5.

Circuit of a basic common emitter transistor amplifier Схема базового транзисторного усилителя с общим эмиттером и дополнительным эмиттерным резистором в байпасном тракте конденсатора

После небольшой практики различные этапы в конструкции усилителя на транзисторах с общим эмиттером становятся второй натурой, и их можно очень легко осуществить.Выбор транзистора также может быть упрощен. Как упоминалось выше, очень важно использовать переключающий транзистор для коммутирующих приложений — даже транзисторы с большим ft или отсечкой не будут работать так же хорошо, как правильный переключающий транзистор.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Вернуться в меню «Конструкция схемы»., ,

.

Транзисторный усилитель с общим эмиттером »Примечания по электронике

Конфигурация усилителя с общим эмиттером обеспечивает усиление по напряжению и является одной из наиболее широко используемых конфигураций транзисторов для проектирования электронных схем.


Учебное пособие по проектированию схем транзисторов Включает:
Проектирование схем транзисторов Конфигурации схемы Общий эмиттер Общая схема эмиттера Эмиттерный повторитель Общая база

См. Также: Типы транзисторных схем


Схема усилителя на транзисторах с общим эмиттером является одной из основных схем для использования в проектировании электронных схем, предлагая множество преимуществ.

Конфигурация схемы с общим эмиттером используется во многих областях проектирования электронных схем: в качестве усилителя звука, в качестве основного переключателя для логических схем, в качестве аналогового усилителя общего назначения и во многих других приложениях.

Конфигурация схемы с общим эмиттером обеспечивает усиление по напряжению в сочетании с умеренным усилением по току, а также со средним входным и средним выходным сопротивлением. Таким образом, конфигурация с общим эмиттером является хорошей универсальной схемой для использования во многих приложениях.

Также на этом этапе стоит отметить, что усилитель на транзисторах с общим эмиттером инвертирует сигнал на входе. Следовательно, если на вход усилителя с общим эмиттером поступает растущий сигнал, это приведет к падению выходного напряжения. Другими словами, он имеет изменение фазы на 180 ° в цепи.

В зависимости от конструкции самой электронной схемы, общий эмиттер не использует слишком много электронных компонентов, иногда всего два резистора, хотя, если требуется настройка смещения для аналоговых схем, можно использовать четыре резистора и три конденсатора.

Circuit of a basic common emitter transistor amplifier showing the associated electronic components including resistors an capacitors

Основы транзисторного усилителя с общим эмиттером

Из трех типов конфигурации транзисторов, используемых в проектировании электронных схем, общий эмиттер является наиболее широко используемым из-за его ключевых свойств.

Сигнал усилителя с общим эмиттером подается на базу, а выходной сигнал снимается с коллекторной цепи. Однако, как следует из названия этой схемы, ключевым атрибутом является то, что схема эмиттера является общей как для ввода, так и для вывода.

Common emitter transistor configuration is widely used in electronic circuit design and has the key attribute that the emitter connection common to both input and output circuits Конфигурация схемы общего эмиттера транзистора

Конфигурация с общим эмиттером одинаково применима как к вариантам транзистора NPN, так и к вариантам транзистора PNP. Тем не менее, разновидность NPN чаще используется из-за более широкого использования транзисторов NPN.

Сводка характеристик усилителя на транзисторах с общим эмиттером

При выборе конфигурации транзистора для использования в конструкции электронной схемы необходимо учитывать различные атрибуты трех типов: общий эмиттер, общий коллектор и общая база, и выбрать наиболее подходящий.

В таблице ниже приведены основные характеристики конфигурации транзистора с общим эмиттером.


Характеристики усилителя на транзисторах с общим эмиттером
Параметр Характеристики
Коэффициент усиления по напряжению Средний
Текущая прибыль Средний
Прирост мощности Высокая
Соотношение фаз вход / выход 180 °
Входное сопротивление Средний
Выходное сопротивление Средний

Из этих характеристик видно, что общая конфигурация эмиттера обеспечивает хорошие всесторонние характеристики.Одним из ключевых факторов является то, что он обеспечивает хороший уровень усиления по напряжению — атрибут, который требуется при проектировании электронных схем для многих приложений.

Схема также относительно проста и требует нескольких электронных компонентов, в зависимости от того, как выполняются требования к конструкции электронной схемы.

Уровни импеданса усилителя с общим эмиттером

Одним из ключевых атрибутов, которые следует учитывать при проектировании любой электронной схемы, являются уровни импеданса.

Входное сопротивление обычно составляет около 1 кОм, хотя оно может значительно варьироваться в зависимости от значений схемы и условий. Низкое входное сопротивление возникает из-за того, что вход подается через базу и эмиттер, где есть прямое смещение,

Также может быть относительно высокий выходной импеданс. Опять же, это значительно зависит от выбранных значений электронных компонентов и допустимых уровней тока. Выходное сопротивление может достигать 10 кОм или, возможно, больше.Однако, если сток позволяет потреблять более высокие уровни тока, выходное сопротивление можно значительно уменьшить. Уровень сопротивления или импеданса определяется тем фактом, что выходной сигнал снимается с коллектора, на котором имеется обратносмещенный переход.

Коэффициент усиления транзисторного усилителя с общим эмиттером

Еще один важный фактор, который следует учитывать при проектировании электронной схемы, — это достижимый уровень усиления. Можно определить два вида усиления: усиление по току и усиление по напряжению.

Коэффициент усиления по току для схемы усилителя с общим эмиттером обозначается греческим символом β. Это отношение тока коллектора к току базы. Это можно представить как отношение выходного тока к входному. Чтобы получить точное значение коэффициента усиления сигнала, часто используется коэффициент усиления по току для небольших входных изменений тока. Используя это значение, коэффициент усиления по току β и изменения входного и выходного тока связаны следующим образом:

Где
β = усиление по току
ΔIc = изменение тока коллектора
ΔIb = изменение базового тока

Чтобы посмотреть на коэффициент усиления по напряжению схемы усилителя с общим эмиттером, необходимо посмотреть на сопротивления или импедансы для входа и выхода.

β знак равно Δ я с Δ я б знак равно Δ В с р с Δ В б р б

A v = Δ V c Δ V b

Следовательно:

v знак равно β р с р б

Где
Av = усиление по напряжению
Rc = выходное сопротивление коллекторной цепи
Rb = входное сопротивление базовой цепи

Соотношение фаз на входе и выходе с общим эмиттером

Транзисторный усилитель с общим эмиттером — единственная конфигурация, которая обеспечивает инверсию на 180 ° между входными и выходными сигналами.

Причину этого можно увидеть из того факта, что по мере увеличения входного напряжения увеличивается ток через базовую цепь. В свою очередь, это увеличивает ток в цепи коллектора, то есть имеет тенденцию включать транзистор. Это приводит к падению напряжения между выводами коллектора и эмиттера.

Таким образом, увеличение напряжения между базой и эмиттером привело к падению напряжения между выводами коллектора и эмиттера, другими словами, фаза двух сигналов была инвертирована.

Практические схемы усилителя с общим эмиттером

При проектировании электронных схем для различных приложений и для удовлетворения различных требований можно использовать один из множества вариантов схемы транзистора с общим эмиттером.

В то время как основные теоретические схемы, показанные выше, способны описать основную работу усилителя с общим эмиттером в концепции.

Однако, чтобы схема могла работать в реальной системе, необходимо добавить другие элементы, такие как смещение, развязка и тому подобное.В результате общая схема усилителя с общим эмиттером использует несколько компонентов, чтобы гарантировать, что она может работать требуемым образом.

Усилитель с простой логикой и общим эмиттером

Первый пример — это простейшая форма схемы с общим эмиттером, в которой используется очень мало электронных компонентов. Обычно он используется для управления нагрузкой с цифрового выхода предыдущего каскада.

Circuit of a basic common emitter transistor amplifier Схема базового транзисторного усилителя с общим эмиттером
R1 R1 ограничивает базовый ток и предотвращает повреждение эмиттерного перехода базы.Он должен быть рассчитан таким образом, чтобы обеспечить достаточный ток коллектора с минимальным усилением тока транзистора, и включать некоторый запас, чтобы гарантировать его правильное включение.
R2 Этот резистор обеспечивает заземление и помогает регулировать скорость переключения транзистора.
R3 Это резистор нагрузки коллектора в усилителе с общим эмиттером.

При управлении небольшим транзистором общего назначения от логического выхода 5 В типичные значения могут быть 2 кОм для R1 и 22 кОм для R2.

Простой усилитель с общим эмиттером для управления реле

Часто бывает полезно использовать простую схему с общим эмиттером для управления реле. Простая схема, показанная выше, может быть адаптирована для управления реле.

Необходимо учитывать ток, необходимый для переключения и удержания реле, и в базовой цепи должен протекать ток, достаточный для обеспечения протекания требуемого тока в цепи коллектора.

Для многих реле сопротивление резистора R1 может быть около 2 кОм, а R2 — 22 кОм, но они должны быть рассчитаны в конструкции электронной схемы, чтобы обеспечить требуемый ток.

Relay circuit for transistor common emitter operation Простая схема управления реле на транзисторах с общим эмиттером

Следует отметить, что при высоком входном напряжении реле срабатывает. Это когда коллектор включен, а напряжение на коллекторе понижено.

Диод включен для подавления обратной ЭДС, индуцированной при выключении тока, протекающего через катушку реле.Очень важно предотвратить повреждение транзистора.

Схема общего эмиттера с использованием транзистора смещения с одной базой

Common emitter transistor amplifier using single base bias resistor - circuit used in electronic circuit designs where the number of electronic components needs to be minimised Схема с общим эмиттером с использованием транзистора смещения с одной базой
R1 R1 ограничивает базовый ток и предотвращает повреждение эмиттерного перехода базы. Он должен быть рассчитан таким образом, чтобы обеспечить достаточный ток коллектора с минимальным усилением тока транзистора, и включать некоторый запас, чтобы гарантировать его правильное включение.
R1 Этот резистор обеспечивает смещение для транзистора. Его значение следует рассчитать, чтобы получить требуемый ток коллектора.
R3 Это резистор нагрузки коллектора в усилителе с общим эмиттером. Его значение рассчитывается таким образом, чтобы при токе покоя коллектора оно упало наполовину по сравнению с напряжением шины, предполагая, что конструкция электронной схемы используется в качестве линейного усилителя.

Схема с общим эмиттером этого типа очень проста, минимизирует количество электронных компонентов и использует один резистор для смещения базы. Он не обеспечивает производительность, требуемую для многих схем, так как коэффициент усиления транзистора будет варьироваться от одного устройства к другому, и это изменит работу схемы.

Схема общего эмиттера с использованием транзистора смещения с одной базой (2)

Эта версия эмиттерного повторителя смещения базы с одним резистором предлагает немного большую предсказуемость схемы.

Подключение резистора смещения между коллектором и базой обеспечивает дополнительную стабильность для условий постоянного тока.

Common emitter transistor amplifier using single base bias resistor - circuit used in electronic circuit designs where the number of electronic components needs to be minimised Схема с общим эмиттером с использованием транзистора смещения с одной базой между коллектором и базой

Транзисторный усилитель с общим эмиттером, смещением постоянного тока и связью по переменному току

Схема ниже показывает конструкцию электронной схемы усилителя с общим эмиттером с резисторами, обеспечивающими необходимое смещение для линейной работы, а также конденсаторы связи и развязки для работы на переменном токе.

Circuit of a basic common emitter transistor amplifier Схема базового транзисторного усилителя с общим эмиттером

Внутри схемы имеется ряд компонентов, которые обеспечивают различные функции, позволяющие всей схеме работать требуемым образом:


R1, R2 Эти резисторы обеспечивают напряжение смещения для базы транзистора.
R3 Это резистор нагрузки коллектора в усилителе с общим эмиттером.
R4 Этот резистор в усилителе с общим эмиттером обеспечивает обратную связь по постоянному току, чтобы гарантировать, что условия постоянного тока в цепи поддерживаются.
C1, C2 Эти конденсаторы обеспечивают связь по переменному току между ступенями. Их нужно выбирать так, чтобы они обеспечивали незначительное реактивное сопротивление на рабочих частотах.
C3 Это байпасный конденсатор. Эффект R4 заключается в уменьшении коэффициента усиления схемы. Обход резистора позволяет достичь более высоких уровней усиления переменного тока.

Схема, показанная выше, представляет собой базовый усилитель с общим эмиттером, связанный по переменному току.

Схема с общим эмиттером может использоваться в самых разных формах.- иногда в качестве транзисторного логического выхода, усилителя с прямой связью и во многих областях. Он широко используется, обеспечивая хороший компромисс между коэффициентом усиления по напряжению и току, а также входным и выходным сопротивлением.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Вернуться в меню «Конструкция схемы»., ,

.

0 comments on “Усилитель с общим эмиттером: Усилитель с общим эмиттером. Входное,выходное сопротивление.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.