Каскад із загальною базою, основи електроакустики
Каскад із загальною базою
Розрізняють три основні схеми включення транзистора в підсилюючих каскадах - із загальною базою, загальним емітером і загальним колектором. Загальний електрод (в даному випадку база) по змінному струмі повинен бути заземлений Частина електронів губиться в базі, наприклад, внаслідок рекомбінації (взаємної нейтралізації протилежних за знаком зарядів) електронів і дірок. Ці втрати враховуються коефіцієнтом передачі струму емітера а. Так що при включенні транзистора із загальною базою постійний струм колектора виявляється рівним де 1К0 - некерований струм колектора (або зворотний струм колекторного переходу). Струм бази при цьому дорівнює 1Б = 1Е - 1 до, т. Е. Малий, оскільки при а близькому до 1 струм колектора не набагато менше струму еміттера.Еслі змінну напругу на вході підсилювального каскаду на біполярному транзисторі UBX не дорівнює нулю, то поряд з постійною складової струму емітера з'являється його змінна складова. В результаті з'являється і змінна складова струму колектора. Протікаючи через резистор RK, вона створює на ньому змінну складову вихідної напруги. Якщо опір RK велике, то вона може в сотні і тисячі разів перевершувати UBX. Таким чином, каскад із загальною базою, не посилюючи струм, може посилювати напругу і відповідно і мощность.Ітак, посилення по напрузі в каскаді з загальною базою обумовлено тим, що змінна складова вхідного струму переноситься з низкоомной ланцюзі емітера в набагато більш високоомних ланцюг колектора. Так що коефіцієнт посилення виявляється близьким до відношенню опорів колекторної і емітерний ланцюгів. При цьому опір емітерний ланцюга (вхідний опір) дуже мало, оскільки емітерний перехід відкритий. Приблизно воно дорівнює <рт/1э, где (рт — температурный потенциал (его значение при комнатных температурах порядка 25 мВ, так что при токе эмиттера 1э = 1 мА входное сопротивление будет равно всего 25 Ом). К сожалению, из-за конечного времени пролета носителями области базы у каскада с общим эмиттером усиление на высоких частотах начинает снижаться. Оно понижается на 3 дБ, если частота усиливаемого сигнала достигает частоты fa (эта частота называется граничной частотой транзистора в схеме с общей базой). Многие современные транзисторы имеют fa порядка сотен МГц и выше. Емкости монтажа и самого транзистора могут также ухудшить усиление на высоких частотах.
За що ми так не любимо транзисторний підсилювач із загальною базою Міфом № 1 є те, що досить складно організувати ланцюга харчування такого каскаду, аж до того,
що потрібно додаткове джерело живлення. Мало того, що така думка побутує серед радіоаматорів, так воно посилено підтримується в технічній літературі. Відкрийте підручник з описом роботи каскаду з ПРО. Перше, що ви побачите, так це горизонтальне розташування транзистора з двома джерелами живлення: один в колекторної ланцюга, інший в емітерний. Після прочитання такого матеріалу відразу пропадає будь-яке бажання мати справу з цим каскадом. Розвіємо цей міф. На верхньому малюнку ви бачите знайому вам схему із загальним емітером. Легким рухом миші повертаємо його навколо осі і перетворимо в каскад із загальною базою. По постійному струму все ланцюга залишаються колишніми. Базу по змінному струмі заземлюючих за допомогою конденсатора Сф, вхідний сигнал подаємо на емітер, вихідний залишається на колишньому місці. Каскад із загальною базою готовий, ніяких труднощів з харчуванням не виникло, тим більше з двома джерелами. З включенням транзистора ми розібралися, тепер приступимо до вивчення його роботи, де міфів також достатньо.
Як же працює підсилювач із загальною базою? Розглянемо спрощену схему включення транзистора із загальною базою. Напрямки струмів показані умовно, символізуючи, що вхід - це емітер, вихід - колектор, частина струму відгалужується в базу.
Відразу скажу спрощення і допущення. Зворотні струми переходів, через їхню малість, я не розглядаю. Для розуміння принципу роботи і інженерних розрахунків це прийнятно. Коефіцієнт передачі струму для каскаду із загальною базою менше одиниці, тому що частина емітерного струму відгалужується в базу: Iе - Іб = Ік. Співвідношення струмів має величину Ік = α * Iе. де α<1 -коэффициент передачи по току для ОБ.
В сучасних транзисторах коефіцієнт α близький до одиниці (0.98 - 0.99), тому в практичних розрахунках можна вважати Iе = Ік. Відсутність посилення по току абсолютно не заважає отримати від такого каскаду посилення по напрузі, причому, чимала. Існує ще один міф, що вхідний опір каскаду визначається резистором Rе. який обов'язково повинен мати маленький номінал. Але це не так. Вхідним струмом каскаду є струм емітера транзистора, тому вхідний опір в основному визначається опором емітерного переходу rе = 25 / Iе = 25Ом при струмі 1 мА (власне опір бази транзистора rб вносить невеликий внесок).
Струм, протікаючи від вхідного ланцюга до вихідний, практично не змінюється, тому, на резисторах rе і Rк, він створює падіння напруги пропорційні величинам цих опорів. Якщо Rк = 3 кому, то ставлення Ku = Rк / rе складе більше 100 - це і є коефіцієнт посилення по напрузі. Таким чином, недоліками каскаду є низький вхідний опір і відсутність посилення по току, але більш висока гранична частота посилення і більше вихідний опір. Також каскад має більш високу лінійність в порівнянні з ОЕ. Не вірте твердженням деяких письменників, що каскад із загальною базою має низький вихідний опір в порівнянні з іншими схемами.
Практичні міркування щодо тлумачення роботи каскаду (підсилювача) із загальною базою
Для роботи n-p-n транзистора необхідно, щоб потенціал бази був позитивним по відношенню до емітера, тому для відкриття транзистора треба емітер "тягнути" в мінус, тобто вхідна напруга має бути негативним. Проаналізуємо роботу каскаду на постійному струмі. Емітер транзистора з ПРО представляє собою точку з дуже низьким (динамічним) вхідним опором (близько 25 Ом при струмі 1 мА). Тому можна прийняти, що напруга в ній практично не змінюється при зміні вхідного струму, (такий собі віртуальний 0).
У зв'язку з цим, пропоную розглядати каскад з ПРО як перетворювач струм-напруга. Перетворення вхідного сигналу у вихідний відбувається як би в два етапи:
- Спочатку генеруємо вхідний струм в емітер Iвх = (Uвх- 0.6) / Rе,
- Потім в колекторної навантаженні отримуємо падіння напруги, обумовлене цим струмом U вих = Iвх * Rк (ми взяли, що Iвх = Iвих). Не забуваємо, що при протіканні вхідного струму напруга на емітер дорівнюватиме прямому падіння напруги на переході - 0.6 В. В початковому стані транзистор закритий, напруга на колекторі одно Uпит. При подачі на вхід негативного напруги транзистор починає відкриватися, через нього протікає струм, який створює падіння напруги на колекторному резисторі. Потенціал колектора знижується і в межі стане рівним 0. Максимальний струм транзистора при Uк = 0 становить: Iмакс = Uпит / Rк. Зробимо конкретний приклад розрахунку для постійного струму: Rе = 1кОм (Rе >> rе), Rк = 10кОм, Uвх = 1В. Вхідний струм дорівнює Iвх = Iе = (Uвх-0.6) / Rе = 1-0.6 / 1 = 0.4мА. Оскільки струм колектора дорівнює току емітера, то зміна напруги на колекторному резисторі складе: Uк = Rк * Ік = Rк * Iе = 10 * 0.4 = 4В. Коефіцієнт посилення по постійній напрузі вийшов дорівнює 4. У даному випадку вхідним опором каскаду є Rе = 1кОм. Зменшуючи це опір, ми збільшимо вхідний струм, який викличе збільшення вихідного струму і вихідної напруги на навантаженні.
Цей приклад демонструє принцип розрахунку і розуміння роботи каскаду з ПРО, який виявився не таким страшним, як нам його малюють.
Підсилювач із загальною базою для змінного сигналу Тепер нам легше зрозуміти роботу підсилювача на змінному сигналі. Для посилення змінної напруги необхідно вивести транзистор на лінійний ділянку робочої характеристики. На малюнку 2 показані ланцюга зміщення транзистора, за допомогою яких задається режим по постійному струму. Розрахунок їх нічим не відрізняється від розрахунків стандартного підсилювача з ОЕ. Струм спокою Iо через транзистор встановлюється в межах декількох міліампер. Змінний сигнал подається в емітер через конденсатор. У колекторного струму транзистора з'являється змінна складова, тобто ток в деяких межах змінюється щодо струму спокою згідно зі змінами вхідної напруги. Проведемо невеликі експерименти з підсилювачем. Розглянемо коефіцієнт передачі каскаду від точки 1 до виходу з колектора. Як джерело сигналу візьмемо генератор сигналів звукової частоти ГНЧ з низьким вихідним опором, менш 100 Ом. Вихідна напруга встановимо 1В. Як Rг поставимо зовнішній резистор 1 кОм. У навантаженні резистор Rк = 10кОм. Для джерела сигналу вхідним опором каскаду є сума Rг і rе, тому що вони включені послідовно. Вхідний струм від джерела сигналу дорівнює Iвх = Iе = Uг / (Rг + rе) =. Uг / Rг, тому що rе - мало. Вихідна напруга при цьому складе: U вих = Rк * Ік = Rк * α * Iе = Rк * α * Uг / Rг. Беручи α = 1, отримаємо U вих = Uг * Rк / Rг. Коефіцієнт посилення дорівнює Ku = U вих / Uг = Rк / Rг = 10, тоді U вих = 10 В. Заглянемо глибше і з'ясуємо роль вхідного опору транзистора rе, бо нам всі вуха прожужжали про низький вхідному опорі каскаду з ПРО. Подивимося осциллографом, що відбувається в точці 2. Ми виявимо, що там присутній вельми маленький синусоїдальний сигнал, в нашому випадку 25 мВ. Величина напруги сигналу обумовлена дільником напруги, освіченою Rг і rе: 1В * 25/1000 = 25мВ. Яким чином сигнал на виході досягає величини в кілька вольт? Це відбувається з тієї причини, що каскад має значний "власний" коефіцієнт посилення по напрузі (від точки 2 до колектора), який визначається відношенням навантажувального опору і вхідного опору транзистора: Ku = Rк / rе = 10000/25 = 400, тоді U вих = Ku * Uвх = 25 * 400 = 10000 мВ або 10 В. Ми отримали той же результат, що і вище. Робимо висновок:
Результати дослідження підсилювача з ПРО збігаються з результатами для каскаду з ОЕ. Коефіцієнт посилення по змінному напрузі визначається відношенням колекторного і емітерного (в даному випадку Rг) резисторів і не залежить від внутрішніх параметрів транзистора при Rг> rе.