Усилительный каскад с общим коллектором

Схему на рисунке 3.7, а называют каскадом с общим коллектором, потому что коллекторный вывод транзистора по переменному току является общим электродом для входной и выходной цепей каскада. Схему также называют эмиттерным повторителем так как ее выходное напряжение, снимаемое с эмиттера транзистора, близко по величине входному напряжению (uн = uвх + uбэ ≈ uвх) и совпадает с ним по фазе.

Рисунок 3.7 - Схема усилительного каскада с общим коллектором и его схема замещения в физических параметрах

Резистор Rэ в схеме выполняет ту же функцию, что и резистор Rк в схеме с общим эмиттером: создание изменяющегося напряжения в выходной цепи за счет протекания в ней тока, управляемого по цепи базы. Функция конденсатора Ср2 сводится к передаче в нагрузку переменной составляющей выходного сигнала. Резисторы Rl , R2 предназначены для задания режима покоя каскада. Для повышения входного сопротивления резистор R2 в схему часто не вводят. Расчет каскада по постоянному току проводят по аналогии со схемой ОЭ.

Рассмотрим параметры каскада ОК по переменному току. С этой целью представим каскад его схемой замещения (рисунок 3.7, б) и сделаем выкладки, подобные выполненным для схемы ОЭ.

Входное сопротивление каскада ОК определяется параллельно соединенными сопротивлениями R1, R2 и сопротивлением входной цепи транзистора rвх:

Rвых = R1║R2║rвх.

При определении rвх выразим напряжение Uвх через ток Iб:

Uвх = Iб [rб + (1 + β)(rэ + Rэ║Rн)]

и поделим напряжение Uвх на ток Iб:

rвх = rб + (1 + β) (rэ + Rэ║Rн). (3.12)

В отличие от выражения (3.5) здесь сопротивление rэ для схемы ОК входит в сумме с Rэ||Rн, в связи с чем сопротивление входной цепи транзистора rвх и входное сопротивление Uвх каскада ОК больше, чем в схеме ОЭ. Поскольку rэ обычно много меньше Rэ||Rн, a rб меньше второго слагаемого правой части выражения (3.12), для входного сопротивления эмиттерного повторителя можно записать:

Rвх ≈ R1║R2║[(1 + β) (Rэ║Rн)]. (3.13)

При выборе высокоомного входного делителя входное сопротивление каскада получается достаточно большим. Так, при β = 50 и Rэ║Rн = 1 кОм
Rвх = 51 кОм. Однако при повышенных входных сопротивлениях нельзя пренебрегать сопротивлением rк(э), шунтирующим входную цепь каскада (см. рисунок 3.7, б). В этом случае более точное выражение для входного сопротивления каскада имеет вид:

Rвх = R1║R2║[(1 + β) (Rэ║Rн)]║rк(э)

Высокое входное сопротивление является одним из важнейших преимуществ каскада ОК. Высокое входное сопротивление требуется в случае применения каскада в качестве согласующего звена при работе от источника входного сигнала, обладающего высоким внутренним сопротивлением.

Те же приемы, что и для схемы с общим эмиттером, используем при определении коэффициента усиления по току КI. Соотношение (3.6) действительно также и для схемы с общим коллектором (ОК). Поскольку ток нагрузки Iн здесь является частью тока эмиттера Iэ, выражение (3.7) приобретает вид:

и с учетом (3.6) получаем:

.

Коэффициент усиления по току в схеме ОК

, (3.14)

т. е. он также зависит от соотношений Rвх и rвх, Rэ и Rн. В предположении
Rвх = rвх имеем:

. (3.15)

Согласно выражениям (3.14) и (3.15) каскад ОК обеспечивает усиление по току. При Rэ = Rк и одинаковых значениях Rн коэффициенты усиления по току в схемах ОК и ОЭ примерно одинаковы.

Коэффициент усиления по напряжению КU рассчитывают по формуле (3.10). При подстановке в нее КI (3.15) имеем:

Для оценки коэффициента КU примем Rвх >> RГ, а величину Rвх определим приближенно по (3.13): Rвх ≈ (1 +β) [Rэ║Rк]. При этом КU ≈ 1. Точный расчет дает КU < 1 и в пределе КU стремится к единице. Это свойство каскада ОК используют, когда необходимо повысить мощность сигнала при сохранении величины его напряжения.

Поскольку КU ≈ 1 коэффициент усиления по мощности КP близок по величине к КI.

Выходное сопротивление Rвых каскада ОК, представляющее собой сопротивление схемы со стороны эмиттера (рисунок 3.7, б), определяется из соотношения

.

Выходное сопротивление каскада мало (10…50 Ом). Это свойство используют, когда необходимо согласовать выходную цепь усилителя с низкоомным сопротивлением нагрузки. При этом каскад ОК применяют в качестве выходного усилительного каскада.