Схемотехника аналоговых устройств (стр. 12 )

5.1.7. Предельный коэффициент усиления схемы усилителя с ОЭ

Увеличения коэффициента усиления можно достичь за счет уменьшения эмиттерного сопротивления. В пределе при мы имеем усилитель с заземленным эмиттером, для которого ожидается . Но реально коэффициент усиления в данной схеме не удается получить больше 400. При этом возникают нелинейные искажения в выходном сигнале, схема сильно зависит от температуры и имеет склонность к насыщению. Эти явления не объясняются простейшей моделью транзистора, которая удовлетворительно работает лишь при небольших коэффициентах усиления и небольших входных сигналах.

Рис. 5.10. Достижение максимального коэффициента усиления в схеме с ОЭ
путем заземления эмиттера

5.2. Модель Эберса – Молла для транзисторных схем

Суть модели Эберса – Молла заключается в том, что ток коллектора представляется функцией напряжения UБЭ: . При этом зависимость имеет вид – уравнение Эберса – Молла, которое описывает физические процессы, происходящие в транзисторе. Величина UТ определяется выражением , где К – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура, q – заряд электрона, – ток насыщения, который является функцией от температуры и определяет температурные зависимости транзистора, причем . Зависимость тока коллектора от напряжения UБЭ наблюдается в широком диапазоне токов и напряжений. Ток базы связан с током коллектора выражением , причем .

Из уравнения Эберса – Молла следуют практические правила:

1.  Ток коллектора возрастает в 10 раз при увеличении напряжения UБЭ примерно на 60 мВ.

2.  Необходимо учитывать собственное сопротивление эмиттера. Определяя из уравнения Эберса – Молла UБЭ, , и учитывая, что при ,, найдем собственное сопротивление эмиттера: . Если IК определяется в мА, то выражением собственное сопротивление эмиттера оценивается в Ом.

3.  Необходимо учитывать температурную зависимость UБЭ. Действительно, так как , то . Из уравнения Эберса – Молла следует, что UБЭ уменьшается примерно на 2,1 мВ/С°. В грубом приближении можно считать, что .

4.  Необходимо учитывать зависимость . Данная зависимость носит название эффекта Эрли. При этом наблюдается . Поскольку то IК в меньшей степени, но все-таки зависит от изменения UКЭ.

5.2.1. Усилитель с заземленным эмиттером

В данном усилителе потенциал эмиттера UЭ = 0. Регулируя сопротивление R2, изменяем UБЭ и добиваемся значения тока покоя IOK = 1 мА с целью получения UК = 0,5UКК = 10 В при RК = 10 к.

При данном токе покоя сопротивление эмиттерного перехода , и его надо учитывать при определении коэффициента усиления . Поэтому коэффициент усиления будет равен: , поскольку RЭ = 0.

Сопротивление со стороны базы транзистора: Таким образом, схема имеет высокий , однако низкое входное сопротивление.

Рис. 5.11. Усилитель с заземленным эмиттером

5.2.2. Нелинейные искажения в схеме с заземленным эмиттером

Нелинейные искажения связаны с тем, что коллекторный ток изменяется при изменении входного сигнала. Рассмотрим два крайних случая:

1.  Транзистор открыт (режим насыщения), следовательно, UК = 0 и для рассматриваемой схемы коллекторный ток увеличивается до IК = 2 мА. При этом сопротивление эмиттерного перехода rЭ = 12,5 Ом, а коэффициент усиления КU = 800.

2.  Транзистор закрыт (режим отсечки), следовательно, ток коллектора IК = 0 мА, сопротивление эмиттерного перехода rЭ→∞, коэффициент усиления КU = 0.

Таким образом, диапазон изменения тока IК = [0…2], а диапазон изменения коэффициента усиления КU = [0…800]. В результате для больших значений входного сигнала коэффициент усиления значительно больше, чем для малых.

Это можно проиллюстрировать следующей логической цепочкой: UВХ↓→UБЭ↓→IK↓→↑→↓

и, наоборот,

UВХ↑→UБЭ↑→IK↑→↓→↑.

На рис. 5.12 показан линейно изменяющийся входной сигнал UВХ с нелинейными искажениями.

Рис. 5.12. Нелинейные искажения в усилителе с заземленным эмиттером

5.2.3. Эмиттерный резистор
в качестве элемента отрицательной обратной связи (ООС)

Часто схему усилителя с общим эмиттером называют схемой с отрицательной обратной связью (ООС) в цепи эмиттера. ООС – это процесс передачи части выходного сигнала обратно на вход и вычитание ее из входного сигнала. Она уменьшает усиление, но ведет к более стабильной работе схемы.

Покажем наличие ООС в цепи эмиттера. Действительно, и . Таким образом, увеличение величины эмиттерного резистора приводит к уменьшению UБЭ и а также к уменьшению коэффициента усиления схемы.

Рис. 5.13. Обратная связь в цепи эмиттера

5.3. Способы задания стабильного смещения усилителя с ОЭ

Существуют три способа решения проблемы стабилизации режима и задания смещения:

1)  с помощью шунтируемого резистора;

2)  с помощью согласованного транзистора;

3)  с помощью ООС по постоянному току.

5.3.1. Использование шунтируемого резистора

Рассмотрим рис. 5.14. Сохранить стабильное постоянное напряжение на эмиттере UЭ, относительно которого любые изменения UБЭ будут несущественными, и одновременно получить достаточно большой коэффициент усиления удается путем шунтирования эмиттерного резистора RЭ конденсатором СЭ, импеданс которого в полосе рабочих частот весьма мал. В результате в полосе рабочих частот коэффициент усиления .

Рис. 5.14. Схема усилителя с шунтируемым резистором в цепи эмиттера

Стабильное смещение обеспечивается выбором RЭ при соблюдении условия UЭ ≈ 0,1UК. Для получения большого величина СЭ выбирается из условия при ω = ωН, где ωН – нижняя граничная частота диапазона усилителя. Так, например, часто рекомендуется выбирать , тогда , так как и .