Схемы включения транзисторов: общий эмиттер, общая база, общий коллектор

Размещено на http://www.allbest.ru/

Схемы включения транзисторов: общий эмиттер, общая база, общий коллектор

В этой статье более подробно поговорим о различных схемах включения транзистора в усилительных каскадах. И начнём с шуточного равенства: 2 + 2 = 3. Как же так, спросите вы? Очень просто: обычный усилительный каскад является четырёхполюсником, у него два провода для источника сигнала и два для нагрузки. А у транзистора всего три вывода: база, эмиттер, коллектор. Следовательно, один из выводов транзистора должен быть общим и для входной и для выходной цепи. Общим может быть любой из выводов, значит, возможны схемы с общей базой, с общим эмиттером и общим коллектором.

Отметим, что то же самое можно сказать об усилительных каскадах на полевых транзисторах, у них бывают схемы с общим затвором, общим истоком, общим стоком. А применительно к радиолампам говорят об общей сетке, общем аноде и общем катоде. Но, пока что давайте остановимся на биполярных транзисторах.

Содержание

1. Схема с общим эмиттером

2. Входное и выходное сопротивление каскада

3. Согласование сопротивлений

4. Схема с общей базой

5. Эффект Миллера

6. Схема с общим коллектором

7. Сводная таблица

8. Схемы включения на практике

1. Схема с общим эмиттером

Начнём со схемы с общим эмиттером. Она является самой распространённой, и, наверное, знакома большинству читателей. При таком включении транзистора достигается наибольшее усиление сигнала по мощности.

Схема с общим эмиттером в упрощённом виде

Мы уже обсуждали подобную схему в одной из статей. А сейчас остановимся на таких важных характеристиках усилительного каскада, как входное и выходное сопротивление.

2. Входное и выходное сопротивление каскада

Дело в том, что транзистор оказывает разное сопротивление постоянному и переменному токам. Чтобы в этом убедиться, посмотрим на выходную характеристику транзистора. Она показывает связь между током базы, током коллектора и напряжением на коллекторе.

Выходная характеристика транзистора в схеме с общим эмиттером

Как определить сопротивление постоянному току? Очень просто, по закону Ома: взять напряжение и поделить на силу тока. Давайте вычислим сопротивление в рабочей точке А (см. рисунок). Получается 4.5 В / 4.5 мА = 1 кОм.

В случае переменного тока нужно смотреть на дифференциальное сопротивление. Если простыми словами: насколько сильно меняется ток при изменении напряжения. В приведённом примере, если напряжение на коллекторе меняется от 3 до 7 вольт при фиксированном токе базы, это довольно слабо влияет на ток коллектора, он меняется всего на 0.1 мА. Это соответствует сопротивлению (7-3)/0.1 = 40 кОм. Как видите, сопротивления постоянному и переменному току значительно отличаются.

Аналогичные рассуждения можно провести для входного сопротивления транзисторного каскада, только там нужно рассматривать вольт-амперную характеристику эмиттерного перехода.

Почему важны все эти сопротивления? Дело в том, что для наибольшей эффективности схемы сопротивления между каскадами должны быть согласованы.

3. Согласование сопротивлений

Посмотрим на следующий рисунок. Выходное сопротивление источника сигнала и входное сопротивление нагрузки образуют делитель напряжения.

Слева: подключение нагрузки к источнику с внутренним сопротивлением. Справа: график зависимости тока, напряжения и мощности, выделяемой на нагрузке, при фиксированном R_ист=10 Ом и разном сопротивлении нагрузки R_нагр.

На графике видно, что наибольшая мощность достигается при равенстве R_ист и R_нагр.

Это и понятно: если сопротивление нагрузки мало, то ей достаётся слишком маленькая доля напряжения сигнала. А если сопротивление нагрузки велико, то слишком малой будет сила тока в цепи.

И теперь мы подходим с самому главному: различные схемы включения транзистора имеют разное входное и выходное сопротивление. Это позволяет упростить согласование каскадов с источником сигнала или с нагрузкой.

4. Схема с общей базой

Схема с общей базой в упрощённом виде

В схеме с общей базой (ОБ) по входной цепи проходит уже не маленький базовый ток, а весь эмиттерный ток целиком. Из этого вытекают два следствия. Во-первых, коллекторный ток не может быть больше эмиттерного. А, значит, схема с общей базой не даёт усиления по току (по этой причине схему ОБ называют повторителем тока). Во-вторых, входное сопротивление такой схемы очень мало: ток протекает большой, а напряжение база-эмиттер невелико. Большой ток при маленьком напряжении и означает низкое сопротивление.

Что касается выходного сопротивления, оно, наоборот, выше, чем в схеме с ОЭ. Коллекторное напряжение практически не влияет на ток, т.к. цепь коллектора полностью изолирована от командного пункта транзистора, эмиттерного перехода. Маленькое изменение тока при большом изменении напряжения как раз и означает высокое дифференциальное сопротивление.

Отметим, что схема с общей базой не инвертирует сигнал. В схеме с общим эмиттером, когда напряжение на базе растёт, на коллекторе оно падает, т.е. сигнал поворачивается на 180 градусов. В схеме с общей базой такого не происходит, вход и выход находятся в фазе.

Важное преимущество схемы с общей базой - она лучше работает на высоких частотах, поскольку в ней практически к нулю сведён так называемый эффект Миллера. Остановимся на нём чуть подробнее.

5. Эффект Миллера

В транзисторе есть несколько паразитных ёмкостей.

Паразитные ёмкости в транзисторе

В принципе, любое скопление зарядов может являться обкладкой конденсатора, а в транзисторе, как мы знаем, три зоны разной проводимости, между которыми и возникают попарно паразитные ёмкости. Самая неприятная из них - между коллектором и базой, т.к. через этот конденсатор усиленный сигнал с коллектора попадает обратно на вход, на базу.

К примеру, если паразитная ёмкость коллектор-база составляет 4 пФ, за счёт усиления это эквивалентно ёмкости несколько сотен пФ между базой и землёй. В этом увеличении ёмкости и состоит эффект Миллера. Особенно он заметен на высоких частотах. Чем выше частота, тем ниже сопротивление паразитного конденсатора С_бк, и тем больше он искажает сигнал. Так вот, в схеме с общей базой база заземлена по переменной составляющей, так что эффект Миллера сходит на нет.

6. Схема с общим коллектором

Упрощённая схема включения с общим коллектором

Схема с общим коллектором в некотором смысле является обратным отражением схемы с общей базой.

Схема с ОБ не усиливала ток, а схема с ОК не усиливает напряжение: нагрузка здесь включена в эмиттерную цепь, проходящий по ней ток создаёт на нагрузке падение потенциала, которое действует против напряжения на базе, уменьшает смещение база-эмиттер. Так что если напряжение на нагрузке вдруг превысит напряжение на базе, транзистор просто закроется.

Поэтому схему с ОК называют также "эмиттерный повторитель" - она не усиливает напряжение сигнала, а только повторяет его.

Выходное сопротивление в этой схеме низкое: напряжение на нагрузке маленькое, а токи протекают значительные. В то же время входное сопротивление схемы с общим коллектором очень большое, всё из-за того же "мешающего" действия напряжения на нагрузке. Ведь базовое напряжение практически не влияет на входной ток: выросло напряжение на базе, тут же подросло напряжение на эмиттере, и смещение база-эмиттер осталось прежним, значит, не изменился и ток. Это равносильно тому, что входная цепь имеет высокое сопротивление.

7. Сводная таблица

Характеристики всех трёх схем сведены в табличке:

8. Схемы включения на практике

Отвлечёмся немного от характеристик схем включения транзистора, и обсудим важный момент. Часто новички, глядя на схему, не могут определить тип включения транзистора. Понятно, транзистор обвешан другими деталями - резисторами, конденсаторами. Какой вывод у него общий - сразу и не скажешь. Кажется, что общего вообще нету!

Здесь важно понимать такую вещь: пути постоянного и переменного тока в одной и той же схеме могут быть совершенно различны. Вполне может быть, скажем, что по постоянному току транзистор включён как ОЭ, а по переменному - как ОБ. Нужно уметь видеть две отдельных схемы в одной: "постоянную" и "переменную".

Возьмём типичный каскад по схеме ОЭ. Элементы нам знакомы: делитель задающий смещение на базу, коллекторная нагрузка, резистор температурной стабилизации. Всё это позволяет задать рабочую точку транзистора.

Схема транзисторного каскада с общим эмиттером

А теперь сделаем вот что: входной сигнал подадим не на базу, а на эмиттер. Разумеется, через разделительный конденсатор. А саму базу, опять же, через конденсатор, заземлим по переменной составляющей:

Транзистор с общей базой по переменному току

Вуаля! Мы получили включение по схеме с общей базой, по переменному сигналу. При этом, добавляя конденсаторы, мы не внесли практически никаких изменений в режим по постоянному току: сопротивление конденсатора постоянной составляющей очень велико.

Ну и рисовать схему можно по-разному. Вот, например, та же самая схема, скомпонованная по-другому:

Та же схема с общей базой в другой компоновке

Нужно уметь абстрагироваться от конкретного начертания схемы и подмечать особенности протекания постоянных и переменных токов. Ну и как Вы уже поняли, в схеме с ОБ могут использоваться те же приёмы, что и в схеме с ОЭ. Например, резистор стабилизации Rэ. Также может быть применена коллекторная стабилизация (подробнее см. статью про усилительный каскад).

Ещё один совет: ищите ту ногу транзистора, потенциал на которой постоянный. Она не обязательно должна быть заземлена (непосредственно, или через конденсатор) - но, вероятно, соединена с источником питания таким образом, что напряжение на ней постоянно, и не зависит от входного сигнала или нагрузки.

Примеры схем

Давайте посмотрим ещё несколько примеров, чтобы потренироваться.

Типичный стабилизатор напряжения для трансформаторного блока питания. Транзистор включён по схеме с общим коллектором.

Схема антенного усилителя. Первый каскад собран по схеме с ОЭ, два следующих - ОК транзистор эмиттер трансформаторный

Один из простейших усилителей низкой частоты. Первый транзистор включен как ОЭ и усиливает мощность. Дальше идёт двухтактный каскад, оба транзистора в котором включены с общим коллектором - что позволяет без трансформатора согласовать выход с низкоомным громкоговорителем.

Усилитель высокой частоты. Первый транзистор с общим эмиттером, второй - с общей базой.

Размещено на Allbest.ru