Искусство схемотехники. Том 1 (Изд.4-е)
Шрифт:
Мы перечислили основные соотношения, которые могут быть полезны на практике. Эти соотношения, а не сами уравнения Эберса-Молла, используются при разработке транзисторных схем.
2.11. Еще раз об эмиттерном повторителе
Прежде чем мы еще раз рассмотрим усилитель с общим эмиттером, используя преимущества новой модели транзистора, ненадолго задержим свое внимание на скромном эмиттерном повторителе. Согласно модели Эберса-Молла эмиттерный повторитель должен иметь ненулевой выходной импеданс даже в том случае, когда схемой управляет источник напряжения, так как эмиттерный повторитель обладает вполне определенным сопротивлением rЭ (см. предыдущий раздел, пункт 2). По той же причине усиление по напряжению будет немного меньше единицы, так как rЭ и резистор нагрузки образуют делитель напряжения.
Эти явления нетрудно описать математически.
Рис. 2.34.
В этом случае выходной импеданс эмиттерного повторителя — это просто rЭ в последовательном соединении с Rист/(h21Э + 1) (опять же в параллельном соединении с несущественным резистором RЭ, если он присутствует). Например, если Rист = 1 кОм и IК = 1 мА, то Rвых = 35 Ом (предположим, что h21Э = 100). Нетрудно показать, что собственное сопротивление эмиттера rЭ вносит также вклад во входной импеданс эмиттерного повторителя, как если бы оно было соединено последовательно с нагрузкой (на самом деле не с нагрузкой, а с параллельным соединением резистора, нагрузки и эмиттерного резистора). Другими словами, для схемы эмиттерного повторителя эффект Эберса-Молла состоит просто в добавлении последовательно подключенного сопротивления эмиттера rЭ к полученным ранее результатам.
Усиление по напряжению эмиттерного повторителя несколько меньше единицы из-за наличия делителя напряжения, образованного rЭ и нагрузкой. Это нетрудно вычислить, так как выход схемы находится в точке соединения rЭ и Rнагр: GU = Uвых/Uвх; Rнагр/(rЭ + Rнагр). Таким образом, если взять, например, повторитель, ток затухания которого равен 1 мА, а нагрузка составляет 1 кОм, то его усиление по напряжению будет равно 0,976.
Инженерам иногда нравится считать усиление в единицах сверхпроводимости для получения выражения, подходящего также для ОУ (см. разд. 3.07); в этом случае (используя выражение bm = 1/rЭ) получим GU = Rнагрbm/(1 + Rнагрbm).
2.13.
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/Iк (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/rЭ, или —400, при условии, что сопротивление эмиттерного резистора равно нулю. Мы предполагали раньше, что входной импеданс h21ЭRЭ равен нулю при RЭ = 0; на самом деле он приблизительно равен h21ЭrЭ 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 RЭ = 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 резистора в эмиттерной цепи RЭ = 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 = —gmRK = —RK/rЭ = —RKIK(мА)/25, т. е. для тока покоя 1 мА он равен —400. Но дело в том, что ток IK изменяется при изменении входного сигнала. В нашем примере коэффициент усиления может изменяться от — 800 (Uвых = 0, IK = 2 мА) до нуля (Uвых = UКК, IK = 0). Если на входе действует треугольный сигнал, то сигнал на выходе будет таким, как показано на рис. 2.36.
Рис. 2.36. Нелинейный выходной сигнал, снимаемый с усилителя с заземленным эмиттером.
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 RЭ >> rЭ; он обеспечивает усиление без искажений в большом диапазоне изменения сигнала.
2. Входное сопротивление. Входное сопротивление приблизительно равно Zвх = h21эrЭ = (25/h21э/IK(мА)) Ом. Здесь мы опять сталкиваемся с тем, что ток IK 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.