На рисунке 6-4 показан усилитель с общим эмиттером. Он так называется, потому что эмиттер транзистора является общим для входной и выходной цепей. Входной сигнал подается между землей и базовой цепью транзистора. Выходной сигнал появляется между землей и коллектором транзистора. Поскольку эмиттер подключен к земле, он является общим для обоих сигналов — входного и выходного.
Конфигурация усилителя определяется тем, какой вывод транзистора используется для подачи входного сигнала, а какой — для снятия выходного сигнала. Конфигурация с общим эмиттером — это одна из трех возможных конфигураций. Последний раздел этой главы рассматривает две другие конфигурации. В схеме на рис. 6-4 есть два резистора. Один — это резистор базового смещения RB (base bias resistor), а другой — резистор нагрузки коллектора RL (collector load resistor). Резистор базового смещения выбирается так, чтобы ограничить ток базы до некоторого низкого значения. Резистор нагрузки коллектора позволяет создать переменное напряжение на транзисторе (между коллектором и эмиттером). Это переменное напряжение становится выходным сигналом.
Cс на рис. 6-4 называется связывающим конденсатором (coupling capacitor). Связывающие конденсаторы часто используются в усилителях, где важны только переменные сигналы. Конденсатор блокирует постоянный ток. Связывающие конденсаторы также могут называться блокирующими конденсаторами для постоянного тока (dc blocking capacitors). Реактивное сопротивление конденсатора бесконечно на частоте 0 Гц:
При f=0 Гц, Xc стремится к бесконечности, что означает полную блокировку постоянного тока.
Связывающий конденсатор может потребоваться, если источник сигнала обеспечивает постоянную составляющую тока (путь для постоянного тока). Например, источником сигнала может быть катушка в микрофоне. Эта катушка может иметь низкое сопротивление. Ток всегда течет по пути наименьшего сопротивления, и без блокирующего конденсатора постоянный ток будет протекать через катушку вместо базовой цепи транзистора. Это показано на рисунке 6-5. Постоянный ток был отведен от базы транзистора источником сигнала.
Постоянный ток через Rb должен поступать от базы транзистора, как показано на рисунке 6-6. Для того чтобы транзистор был включен, должен протекать ток базы.
На рисунке 6-6 достаточно информации, чтобы показать, как работает усилитель. Мы начнем с определения тока базы. На ток базы могут влиять два элемента: Rb и переход база-эмиттер. Резистор Rb имеет высокое сопротивление. Переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, поэтому его сопротивление низкое. Таким образом, Rb и напряжение питания являются основными факторами, определяющими ток базы. По закону Ома:
Можно получить более точное значение тока базы, если учесть падение напряжения на переходе база-эмиттер транзистора. Это падение составляет около 0,6 В для кремниевого транзистора. Оно вычитается из напряжения питания:
Применяя это к схеме на рисунке 6-6:
Это показывает, что игнорирование падения напряжения на переходе база-эмиттер не приводит к большой ошибке.
Ток базы на рисунке 6-6 мал. Поскольку β задан, теперь можно найти ток коллектора. Мы будем использовать первое приближение тока базы (120 мкА) и β, чтобы найти Ic:
Ток коллектора составит 6 мА. Этот ток протекает через резистор нагрузки RL. Падение напряжения на RL будет равно:
При падении напряжения 6 В на RL, падение напряжения на транзисторе составит:
Расчеты показывают состояние усилителя в его статическом или покоящем режиме. Входной сигнал вызовет изменение этих статических условий. Почему это происходит, показано на рисунке 6-7. Когда источник сигнала становится положительным относительно земли, ток базы увеличивается.
Положительный сигнал вызывает дополнительный ток базы, который течет на обкладку связывающего конденсатора. Это показано на рисунке 6-7(a). На рисунке 6-7(b) показан входной сигнал, становящийся отрицательным. Ток течет с обкладки конденсатора и поднимается через RB. Это уменьшает ток базы.
Когда ток базы увеличивается и уменьшается, то же самое происходит с током коллектора. Это связано с тем, что ток базы управляет током коллектора. По мере того как ток коллектора увеличивается и уменьшается, падение напряжения на резисторе нагрузки также увеличивается и уменьшается. Это означает, что падение напряжения на транзисторе также должно изменяться. Оно не остается постоянным на уровне 6 В.
На рисунке 6-8 показано, как формируется выходной сигнал. Транзистор можно представить как резистор между его выводами коллектора и эмиттера. Чем лучше транзистор проводит, тем ниже значение сопротивления этого резистора. Чем хуже он проводит, тем выше значение сопротивления этого резистора.
Чем хуже транзистор проводит, тем выше сопротивление этого резистора. Проводимость транзистора действительно меняется при изменении тока базы. Поэтому можно предположить, что входной сигнал будет изменять сопротивление коллектор-эмиттер (Rce) транзистора.
На рисунке 6-8(a) усилитель находится в своем статическом состоянии. Напряжение питания равномерно делится между RL и RCE. Резистор RL представляет собой нагрузку, а RCE — сопротивление транзистора. График во временной области показывает, что выходное напряжение VCE постоянно на уровне 6 В.
На рисунке 6-8(b) показано, что входной сигнал становится отрицательным. Это уменьшает ток базы, что, в свою очередь, уменьшает ток коллектора. Теперь транзистор оказывает большее сопротивление протеканию тока. Сопротивление Rce увеличилось до 2 кОм. Напряжения теперь делятся неравномерно:
Таким образом, выходной сигнал увеличивается до 8 В. График во временной области на рисунке 6-8(b) демонстрирует это изменение. Другой способ рассчитать падение напряжения на транзисторе — это сначала найти ток:
На рисунке 6-8(c) показано, что происходит в усилительной цепи, когда входной сигнал становится положительным. Ток базы увеличивается, что приводит к увеличению тока коллектора. Транзистор начинает проводить лучше, поэтому его сопротивление уменьшается. Выходное напряжение VCE теперь снижается.
Если сопротивление транзистора RCE уменьшается (например, до 0.5 кОм), новое значение VCE можно рассчитать следующим образом:
График во временной области показывает это изменение выходного напряжения.
Обратите внимание, что на рисунке 6-8 выходной сигнал сдвинут по фазе на 180 градусов относительно входного сигнала. Когда входной сигнал становится отрицательным [рис. 6-8(b)], выходной сигнал движется в положительном направлении. Когда входной сигнал становится положительным [рис. 6-8(c)], выходной сигнал движется в отрицательном направлении (становится менее положительным). Это называется фазовым инвертированием . Это важная характеристика усилителя с общим эмиттером.
Выходной сигнал должен быть хорошей копией входного сигнала. Если входной сигнал представляет собой синусоиду, то выходной сигнал также должен быть синусоидой. Когда это достигается, усилитель считается линейным.
Одна из причин, которая может сделать усилитель нелинейным, — это слишком большой входной сигнал. Когда это происходит, усилитель перегружается (overdriven). Это вызывает искажение (distortion) выходного сигнала, как показано на рисунке 6-9.
Форма сигнала ограничена (клиппирована). VCE не может превышать 12 В. Это означает, что выходной сигнал приближается к этому пределу, а затем внезапно перестает увеличиваться. Обратите внимание, что положительная часть синусоиды обрезана на уровне 12 В. VCE также не может быть ниже 0 В. Отрицательная часть сигнала ограничивается на уровне 0 В. Для данного усилителя пределы составляют 12 В и 0 В. Расчет коэффициента усиления неприменим, когда выходной сигнал ограничен. Уравнение на рисунке 6-9 зачеркнуто, поскольку оно недействительно для нелинейного режима работы.
Ограничение (клиппирование) — это форма искажения. Такое искажение в аудиоусилителе приведет к тому, что речь или музыка будут звучать некачественно. Именно это происходит, когда регулятор громкости на радио или стереосистеме выкручен слишком высоко. Один или несколько каскадов усилителя перегружаются, и возникает искажение.
Клиппирование можно избежать, контролируя амплитуду входного сигнала и правильно выбирая рабочую точку усилителя. Это лучше всего демонстрируется с помощью построения линии нагрузки. На рисунке 6-10 показана линия нагрузки, нанесенная на семейство выходных характеристик коллектора.
Чтобы построить линию нагрузки, необходимо знать напряжение питания (Vсс) и значение резистора нагрузки (RL). Vсс определяет нижний конец линии нагрузки. Если Vсс=12В, один конец линии нагрузки находится на горизонтальной оси при 12 В. Другой конец линии нагрузки определяется током насыщения (saturation current). Это ток, который будет протекать, если транзистор полностью открыт (находится в режиме насыщения). Ток насыщения можно рассчитать по формуле:
Это значение тока находится на вертикальной оси. Оно представляет собой другой конец линии нагрузки. Как показано на рисунке 6-10, линия нагрузки для усилителя проходит между 12 мА и 12 В. Эти два значения являются пределами схемы. Один предел называется насыщением (12 мА в примере), а другой — отсечкой (12 В в примере). Независимо от того, что делает входной сигнал, ток коллектора не может превысить 12 мА, а выходное напряжение не может превысить 12 В. Если входной сигнал слишком большой, выходной сигнал будет ограничен (клиппирован) в этих точках. Таким образом, линия нагрузки проводится между двумя точками: Vce=12В на горизонтальной оси и Ic=12мА на вертикальной оси.
Усилитель может работать в любой точке вдоль линии нагрузки. Наиболее подходящая рабочая точка обычно находится в центре линии нагрузки. Эта точка обведена на рисунке 6-10. Обратите внимание, что рабочая точка — это пересечение линии нагрузки и кривой для тока базы 120 мкА. Это то же самое значение тока базы, которое мы рассчитывали ранее. Проведите вертикальную линию вниз от рабочей точки и убедитесь, что VCE равно 6 В. Это также согласуется с предыдущими расчетами. Проведите горизонтальную линию влево от рабочей точки, чтобы убедиться, что IC равно 6 мА. И снова есть соответствие с предыдущими вычислениями.
Линия нагрузки не предоставляет как таковой новой информации. Она полезна тем, что дает визуальное или графическое представление о работе схемы. Например, рассмотрите рисунок 6-11(a).
Рабочая точка находится в центре линии нагрузки. Обратите внимание, что при изменении входного сигнала в положительную и отрицательную сторону выходной сигнал следует за ним без ограничения (клиппирования). Теперь посмотрите на рисунок 6-11(b). Рабочая точка находится ближе к области насыщения линии нагрузки. В результате выходной сигнал теперь ограничен на отрицательной части.
На рисунке 6-11(c) показана рабочая точка, расположенная ближе к области отсечки линии нагрузки. Сигнал ограничен на положительной части. Теперь должно быть очевидно, почему наилучшая рабочая точка находится около центра линии нагрузки. Это позволяет получить максимальный выходной сигнал до того, как произойдет ограничение.
Насыщение и отсечка должны быть исключены в линейных усилителях, так как они вызывают искажение сигнала. На рисунке 6-12 показаны три возможных состояния усилителя. Рисунок 6-12(a) указывает, что усилитель в состоянии насыщения подобен замкнутому переключателю.
Насыщение вызвано высоким током базы. Ток коллектора максимален, поскольку транзистор находится в состоянии минимального сопротивления. На замкнутом переключателе падение напряжения отсутствует, поэтому VCE=0. На рисунке 6-12(b) показан усилитель в режиме отсечки.
Отсечка вызвана отсутствием тока базы. Транзистор выключен, и ток не течет. Все напряжение падает на разомкнутом переключателе, поэтому VCE равно напряжению питания. Активный усилитель на транзисторе находится между этими двумя крайностями. У активного транзистора есть некоторое умеренное значение тока базы. Транзистор частично включен и может быть представлен как резистор. Ток составляет примерно половину значения тока насыщения, а VCE — около половины напряжения питания.
Условия на рисунке 6-12 следует запомнить. Они очень полезны при поиске неисправностей. Также постарайтесь запомнить, что именно ток базы определяет, будет ли транзистор находиться в режиме насыщения, отсечки или активном режиме:
- Насыщение : высокий ток базы.
- Отсечка : отсутствие тока базы.
- Активный режим : умеренный ток базы.
Это легко проверить, обратившись к рисунку 6-10. Рабочая точка может находиться в любом месте линии нагрузки в зависимости от тока базы. Когда ток базы умеренный (120 мкА), рабочая точка активна и находится в центре линии нагрузки. Когда ток базы высокий (240 мкА или более), рабочая точка находится в режиме насыщения. Когда ток базы равен 0, рабочая точка находится в режиме отсечки. Транзисторные усилители, находящиеся в состоянии насыщения или отсечки, не могут обеспечить линейное усиление.
Пример 6-15. Используйте рисунок 6-10 для выбора резистора базы в линейном усилителе, который использует источник питания 12 В и резистор нагрузки коллектора 2 кОм. Первый шаг — построить новую линию нагрузки. Ток насыщения равен:
Новая линия нагрузки проходит от 12 В на горизонтальной оси до 6 мА на вертикальной оси. Центр этой линии нагрузки находится между кривыми для 40 и 80 мкА на рисунке 6-10. Для линейной работы ток базы около 60 мкА будет примерно правильным. Используйте закон Ома, чтобы найти сопротивление резистора базы: