Усилительный каскад с общим эмиттером

Схема усилительного каскада на биполярном транзисторе, включенном с общим эмиттером, приведена на рис.6.1.

Основными элементами являются источник питания Eк, транзистор VT и резистор Rк, являющийся коллекторной нагрузкой транзистора. Транзистор, управляемый током базы, и резистор Rк обеспечивают формирование переменного выходного напряжения каскада при подаче на него переменного сигнала.

Разделительный конденсатор Cp1 предотвращает протекание постоянного тока, созданного источником Eк, через источник входного сигнала и позволяет обеспечить независимость режима покоя транзистора VT от внутреннего сопротивления источника входного сигнала.

Разделительный конденсатор Cp2 не пропускает в цепь нагрузки постоянную составляющую напряжения, падающего на выходе с транзистора. В результате выходное напряжение Uвых каскада является знакопеременным.

Резисторы R1 и R2 задают режим покоя транзистора, а резистор Rэ осуществляет его температурную стабилизацию. Конденсатор Cэ шунтирует резистор Rэ по переменному току, предотвращая снижение коэффициентов усиления каскада.

Принцип работы усилительного каскада заключается в следующем. При Uвх=0 транзистор находится в состоянии покоя: в цепи его базы течет постоянный ток Iбп, в цепи коллектора – постоянный ток Iкп, напряжение на выходе транзистора Uкэп также постоянно, ток нагрузки и выходное напряжение каскада равны нулю. Переменное входное напряжение (Uвх ≠ 0), прикладываемое к транзистору, вызывает появление переменной составляющей тока базы i_Б~, что приводит к появлению переменной составляющей тока коллектора i_к~. За счет последней на резисторе Rк создается переменное падения напряжения U_Rк~ = Rк*i_к~, которое через конденсатор Cp2 передается на выход каскада. В цепи нагрузки появляется переменный ток.

Усилительные свойства каскада зависят от амплитуды и частоты входного сигнала. Влияние амплитуды входного сигнала на амплитуду выходного отражает амплитудная характеристика усилителя. Она снимается при постоянной частоте, соответствующей диапазону средних частот, и синусоидальной форме входного сигнала. Примерный вид амплитудной характеристики показан на рис.6.2.

На амплитуде выделен рабочий участок б-в, в пределах которого выходной сигнал также имеет синусоидальную форму, а его амплитуда пропорциональна амплитуде входного сигнала. На участке а-б выходной сигнал плохо различим на фоне собственных шумов усилителя. На участке в-г выходной сигнал усилителя несинусоидален, т.к. режим работы транзистора становится нелинейным при этом полуволна выходного сигнала ограничиваются по уровню. Такое искажение формы выходного сигнала усилителем называют нелинейным. Причинами нелинейных искажений являются отсечка и насыщение транзистора.

Влияние частоты входного сигнала на амплитуду выходного сигнала отражает амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителя. Под АЧХ понимается зависимость модуля коэффициента усиления по напряжению от частоты синусоидального входного сигнала неизменной амплитуды. Примерный вид АЧХ показан на рис.6.3. На амплитуде можно выделить полосу средних частот (участок а-б), в котором коэффициент усиления примерно постоянен и равен К_Uo, полосу низких частот (участок 0-а) и полосу высоких частот (участок б-в).

Снижение коэффициента усиления в полосе низких частот обусловлено влиянием конденсаторов Cp1, Cp2 и Cэ, а снижение коэффициента усиления в полосе высоких часто обусловлено частотными свойствами транзистора (снижением его коэффициента передачи тока с ростом частоты) и шунтирующим влиянием емкости коллекторного перехода транзистора по отношению к выходной цепи.

Если входной сигнал содержит гармонические составляющие, частоты которых лежат в различных полосах АЧХ усилителя, то они усиливаются по-разному, из-за чего форма выходного сигнала отличается от формы входного. Такие искажения формы выходного сигнала усилителя называют частотными. Количественной характеристикой частотных искажений является коэффициент частотных искажений М, определяемый по формуле

, (6.1)

где K_U(f) и M(f) – коэффициенты усиления и частотных искажений на произвольной частоте f.

Частотные свойства усилителя характеризует также его полоса пропускания ∆f, лежащая между нижней f_Н и верхней f_В граничными частотами (рис.6.3). В качестве последних принимают частоты, на которых коэффициент частотных искажений равен . Значения граничных частот и ширина полосы пропускания зависят от емкостей конденсаторов усилителя и параметров его транзистора.