4.2. СХЕМА С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ

Имеются три основные схемы включения транзистора в усилительные цепи. В зависимости от того, присоединен ли эмиттер, коллектор или база к общей точке, различают соответственно схемы с общим эмиттером, коллектором или базой. Рассмотрим эти разновидности схем, так как они образуют основу устройств на транзисторах. Для наглядности рассмотрения будем исходить из n-p-n-транзисторов и используем p-n-p-транзисторы только там, где это необходимо. Во всех схемах можно заменить n-p-n-транзисторы на р-n-р-транзисторы, поменяв одновременно полярность питающих напряжений (и электролитических конденсаторов). Параметром, который можно положить в основу рассмотрения, является напряжение база-эмиттер в рабочей точке составляющее для кремниевых транзисторов а для германиевых примерно 0,2 В. Кроме того, необходимо

учесть, что обратный ток германиевых транзисторов намного больше, чем у кремниевых.

4.2.1. ПРИНЦИП РАБОТЫ

Для анализа схемы с общим эмиттером (рис. 4.9) приложим такое входное напряжение , чтобы мог протекать коллекторный ток порядка миллиампер.

Рис. 4.9. Полная схема.

Если входное напряжение повысить на небольшую величину то коллекторный ток увеличится (рис. 4.5 и 4.6). Поскольку выходные характеристики проходят почти горизонтально, можно сделать допущение о том, что ток зависит только от но не зависит от Тогда увеличение составит

Так как коллекторный ток источника напряжения протекает через сопротивление то падение напряжения на тоже повышается и выходное напряжение возрастает на величину

Таким образом, схема обеспечивает коэффициент усиления по напряжению

Для анализа схемы установим взаимосвязь между входными и выходными величинами транзистора:

Полные дифференциалы равны

Полученные частные производные упоминались в предыдущих разделах.

Рис. 4.10. Упрощенное изображение.

Учитывая введенные выше обозначения и пренебрегая обратной передачей , получим основные уравнения

Эту систему уравнений можно записать в матричной форме:

Согласно теории четырехполюсников, приведенная выше матрица коэффициентов называется -матрицей. Наряду с ней используется также -матрица:

Между элементами этих матриц существуют следующие взаимосвязи:

В дальнейшем будут использованы только основные уравнения (4.6) и (4.7). Для точного расчета коэффициента усиления по напряжению воспользуемся выражением (4.7) и перепишем соотношения, вытекающие из рис. 4.10, для случая

При этом получим

Разрешив это уравнение относительно определим коэффициент усиления по напряжению

Для граничного случая, когда находим что совпадает с (4.5). С учетом формулы (4.2) получаем

Таким образом, коэффициент усиления по напряжению пропорционален падению напряжения на коллекторном сопротивлении

Поясним полученное соотношение с помощью числового примера. Нужно рассчитать коэффициент усиления по напряжению при Из формулы (4.2) при токе, равном находим крутизну При токе типовое значение равно По формуле (4.8) определяем коэффициент усиления по напряжению

Принимая приближенно, что равенства (4.9) находим

Рассмотрим другой граничный случай: Это неравенство трудновыполнимо при использовании омического коллекторного сопротивления, так как падение напряжения на согласно формуле (4.3), должно быть велико по сравнению с Указанный выше случай можно реализовать, применив источник стабильного тока в качестве коллекторного сопротивления. Как будет показано в разд. 4.5, это достигается при высоком дифференциальном сопротивлении и малом абсолютном падении напряжения. Из формулы (4.8) при находим коэффициент максимального усиления

Этот коэффициент не зависит от коллекторного тока, потому что величина прямо пропорциональна, а обратно пропорциональна . С учетом формул (4.2) и (4.3) окончательно получаем

Типовые значения коэффициента усиления для n-p-n- транзисторов находятся в пределах а для p-n-р-транзисторов они составляют

Входное и выходное сопротивления

Выше было показано, как рассчитать обеспечиваемое транзистором усиление приращений входного напряжения. Подключение источника напряжения к входному сопротивлению приводит к падению напряжения на внутреннем сопротивлении источника. В связи с тем что образуют делитель напряжения, на входе схемы появляется сигнал

Из основного уравнения (4.6) с учетом получаем Из формулы (4.4) находим

Следовательно, это сопротивление тем больше, чем меньше коллекторный ток и чем больше коэффициент усиления по току Поскольку коэффициент усиления по напряжению не зависит от можцо

Рис. 4.11. Представление схемы с общим эмиттером на базе эквивалентной схемы транзистора для малых сигналов.

выбрать значение коллекторного тока таким, чтобы входное сопротивление было значительно больше

Зная можно рассчитать выходное напряжение при малом сигнале для ненагруженного случая, т.е. при При расчете коэффициента усиления по напряжению для реальной нагрузки необходимо учесть выходное сопротивление схемы которое показывает, как снизится выходное напряжение, если на выходе протекает ток а напряжение сигнала постоянно. Внутреннее сопротивление источника нанряжения определяется следующим образом:

При нагрузке на выходе образуется делитель напряжения из сопротивлений т.е. коэффициент усиления по напряжению уменьшается в раз. Эта величина, меньшая, чем называется коэффициентом усиления при нагрузке . С целью расчета согласно правилу узлов для выхода схемы рис. 4.10, запишем равенство

Подставив в основное уравнение (4.7), получим

Вследствие незначительной обратной передачи из следует, что и

С учетом формул (4.8) и (4.12) получим коэффициент усиления

Таким образом, в случае малых сигналов сопротивления и соединены параллельно. На этом результате основано построение эквивалентной схемы для малых сигналов (рис. 4.11). Легко убедиться, что для обведенной рамкой части схемы в окрестности рабочей точки справедливы основные уравнения (4.6) и (4.7). Поскольку процесс анализируется при малых сигналах, то представим источник напряжения в виде последовательно включенных источника постоянного напряжения и источника переменного напряжения и. Амплитуда последнего выбрана настолько малой, что приближенно она может рассматриваться как дифференциал поэтому

Аналогично ток может быть записан в виде суммы постоянной и переменной составляющих. В малосигнальной эквивалентной схеме изображены только переменные составляющие напряжений и токов. Представляя дифференциальные сопротивления как омические, используем правила расчета линейных цепей. При этом источник питающего напряжения рассматривается как коротко замкнутая перемычка, поскольку переменная составляющая его напряжения равна нулю.

Сравнение со схемой, представленной на рис. 4.9, показывает, что коллекторное сопротивление включено между коллектором транзистора и общей точкой. Оно подключено параллельно Как показано на рис. 4.11, через параллельное соединение протекает ток Эквивалентная схема наглядно иллюстрирует соотношения между