2.12. Еще раз об усилителе с общим эмиттером

Выше мы определили усиление по напряжению для усилителя с общим эмиттером при условии, что сопротивление эмиттерного резистора равно нулю, но результат получили неверный. Дело в том, что транзистор обладает собственным эмиттерным сопротивлением, равным 25/I_к(мА) (выражено в омах), которое следует добавлять к сопротивлению включенного в эмиттерную цепь резистора. Это сопротивление значительно в тех случаях, когда в цепь эмиттера включен небольшой резистор (или когда его нет вообще). Например, для усилителя, который мы рассмотрели выше, коэффициент усиления по напряжению равен -10 кОм/r_э, или -400, при условии, что сопротивление эмиттерного резистора равно нулю. Мы предполагали раньше, что входной импеданс h_21эR_э равен нулю при R_э = 0; на самом деле он приблизительно равен h_21эr_э и в данном случае составляет около 2, 5 кОм (ток покоя равен 1 мА).

Мы уже упоминали усилитель с «заземленным эмиттером» и схемы «с общим эмиттером». Эти схемы не следует путать. Усилитель с «заземленным эмиттером» - это усилитель с общим эмиттером, в котором R_э = 0. В усилительном каскаде с общим эмиттером может присутствовать эмиттерный резистор; особенность этой схемы состоит в том, что цепь эмиттера является общей для входа и выхода схемы.

Недостатки однокаскадного усилителя с заземленным эмиттером. Дополнительное усиление, обусловленное отсутствием разистора в эмиттерной цепи R_э = 0, мы получаем за счет ухудшения некоторых параметров усилителя. Как ни популярен усилитель с заземленным эмиттером в учебниках, на практике его следует использовать только в схемах, охваченных общей петлей отрицательной обратной связи. Для того чтобы понять, с чем это связано, рассмотрим рис. 2. 35.

Рис. 2. 35. Усилитель с общим эмиттером без отрицательной обратной связи в цепи эмиттера.

1. Нелинейность. Коэффициент усиления определяется выражением k = -g_mR_к = -R_к/r_э = -R_кI_к(мА)/25, т. е. для тока покоя 1 мА он равен -400. Но дело в том, что ток I_к изменяется при изменении входного сигнала. В нашем примере коэффициент усиления может изменяться от -800(U_вых= 0, I_к = 2 мА) до нуля (U_вых = U_кк, I_к = 0). Если на входе действует треугольный сигнал, то сигнал на выходе будет таким, как показано на рис. 2. 36. Усилитель вносит большие искажения, т. е. обладает плохой линейностью. Усилитель с заземленным эмиттером без обратной связи можно использовать лишь для небольших диапазонов изменения сигнала вблизи точки покоя. Что же касается усилителя с общим эмиттером, то его усиление почти не зависит от коллекторного тока, при условии что R_э » r_э; он обеспечивает усиление без искажений в большом диапазоне изменения сигнала.

Рис. 2. 36. Нелинейный выходной сигнал, снимаемый с усилителя с заземленным эмиттером.

2. Входное сопротивление. Входное сопротивление приблизительно равно Z_вх = h_21ээ= (25h_21э/I_к(мА)) Ом. Здесь мы опять сталкиваемся с тем, что ток I_к изменяется при изменении выходного сигнала, а значит меняется и входное сопротивление. Если источник, питающий базу, обладает небольшим выходным сопротивлением, то вы получите нелинейный переменный делитель напряжения, образованный источником сигнала и входным сопротивлением усилителя. Что касается усилителя с общим эмиттером, то он обладает постоянным и высоким входным сопротивлением.

3. Смещение. В усилителе с заземленным эмиттером смешение выполнить трудно. Возникает соблазн просто подать напряжение (с делителя), которое обеспечит нужный ток покоя в соответствии с уравнением Эберса-Молла. Однако так сделать нельзя, потому что напряжение U_бэ зависит от температуры (при фиксированном значении I_к) и изменяется на 2, 1 мВ/°С (фактически напряжение уменьшается при повышении температуры Т из-за того, что изменяется ток I_нас; в результате оказывается, что напряжение U_бэ приблизительно пропорционально 1/Т. где Т - абсолютная температура). Это ведет к тому, что коллекторный ток (при фиксированном значении U_бэ) будет увеличиваться в 10 раз при повышении температуры на 30°С. Такая нестабильность делает смещение неработоспособным, так как даже небольшие колебания температуры будут приводить усилитель в режим насыщения. Например, если напряжение смешения сделать равным половине напряжения питания коллектора, то усилитель с заземленным эмиттером будет переходить в режим насыщения при повышении температуры на 8°С.

О том, как решается задача смещения, вы узнаете из следующих разделов. Что касается усилителя с общим эмиттером, то здесь стабильное смещение создается с помощью напряжения, приложенного к базе; большая часть этого напряжения приходится на резистор в цепи эмиттера, тем самым обеспечивается постоянный ток покоя.