не инвертирует сигнал, в отличие от схемы ОЭ.
Но главной особенностью схемы с общим коллектором является то, что ее характеристики исключительно стабильны и не зависят от конкретного транзистора, до тех пор, пока вы, разумеется, не выйдете за пределы возможного. Так, сопротивление нагрузки в эмиттере и входное напряжение схемы практически однозначно задают ток коллектора, — характеристики транзистора В этом деле никак не участвуют. Для объяснения данного факта заметим, что токи коллектора и эмиттера, т. е. ток через нагрузку, связаны между собой Соотношением Iн = Iк + Iб, но ток базы мал по сравнению с током коллектора, Потому мы им пренебрегаем и с достаточной степенью точности полагаем, что Iн = Iк. Но напряжение на нагрузке будет всегда равно входному напряжению минус Uбэ, которое, как мы уже выучили, всегда 0,6 В. Таким образом, ток в нагрузке есть (Uвх — Uбэ)/Rн, и тогда окончательно получаем, что
Iк = (Uвх — Uбэ)/Rн
Разумеется, мы по ходу дела приняли два допущения (что Iб<<Iк и что Uбэ есть точно 0,6 В — и то, и другое не всегда именно так), но мы же давно договорились, что не будем высчитывать характеристики схем с точностью до процентов! Ограничение, которое накладывается транзистором, будет проявляться тут только, если мы попробуем делать Rн все меньше и меньше, в конце концов либо ток коллектора, либо мощность, выделяемая на коллекторе (она равна (Uпит — Uвых)∙Iк), превысят предельно допустимые значения и тогда сгорит коллекторный переход или (если Iк чем-то лимитирован) то же произойдет с переходом «база-эмиттер». Зато в допустимых пределах мы можем со схемой эмиттерного повторителя творить что угодно, и соотношение Iк = (Uвх — Uбэ)/Rн всегда будет выполняться.
Про такую схему говорят, что она охвачена стопроцентной отрицательной обратной связью по напряжению. Об обратной связи мы подробнее поговорим в главе 6, посвященной операционным усилителям, а сейчас нам важно, что такая обратная связь ведет к стабилизации параметров схемы и независимости их как от конкретного экземпляра транзистора, так и от температуры. Но ведь это именно то, чего нам так не хватало в классической схеме с общим эмиттером! Нельзя ли их как-то скомбинировать?
Стандартный усилительный каскад на транзисторе
Действительно, «правильный» усилительный каскад на транзисторе есть комбинация той и другой схемы, этот вариант показан на рис. 3.7.
Рис. 3.7. Стандартный усилительный каскад на биполярном транзисторе
Для конкретности предположим, что Uпит = 10 В, Uвх = 5 В. Как правильно рассчитать сопротивления R3 и RK? Заметим, что схема обладает двумя выходами, из которых нас больше интересует выход 1 (выход усилителя напряжения, соответствующий выходу в схеме с общим эмиттером по рис. 3.5).
При нормальной работе каскада (для обеспечения максимально возможного размаха напряжения на выходе) разумно принять, чтобы в состоянии покоя, т. е. когда Uвх = 5 В, на выходе (на коллекторе транзистора) была половина напряжения питания (в нашем случае тоже примерно 5 В). Это напряжение зависит от коллекторного тока и от сопротивления нагрузки по этому выходу, которое равно в данном случае Rк. Как правило, сопротивление нагрузки Rк нам задано, примем для определенности, что Rк = 5,1 кОм. Это означает, что в «хорошем» режиме, чтобы обеспечить Uвых1 = 5 В, ток коллектора должен составлять 1 мА — посчитайте по закону Ома!
Замечание
На самом деле средний ток коллектора в маломощном биполярном транзисторном каскаде и должен составлять величину порядка 1 мА. Если он много меньше, то в дело вступают шумы и прочие неидеальности транзистора, а когда много больше, то это неэкономно с точки зрения расходования энергии источника, и транзисторы нужно тогда выбирать более мощные, а у них намного больше шумы, утечки, они дороже, крупнее…
Но ток коллектора мы уже умеем рассчитывать, исходя из закономерностей для каскада ОК, он ведь равен (Uвх — Uбэ)/Rэ. Из этих условий получается, что резистор Rэ должен быть равен 4,3 кОм (мы всегда выбираем ближайшее значение из стандартного ряда сопротивлений, и больше не будем об этом упоминать). Мы не сильно нарушим законы природы, если просто положим в этой схеме Rэ = Rк = 5,1 кОм (с точностью до десятых вольта выходные напряжения по обоим выходам будут равны — проверьте!).
Такая (очень хорошая и стабильная) схема нам не обеспечит никакого усиления по напряжению, это легко проверить, если при рассчитанных параметрах увеличить Uвх, скажем, на 1 В. Напряжение на эмиттере увеличится также на 1 В, общий ток коллектора-эмиттера возрастет на 0,2 мА (1 В/5 кОм), что Изменит дополнительное падение напряжения на коллекторном резисторе (т. е. на нагрузке) также на 1 В в меньшую сторону (помните, что выходы инвертированы?). И никакого усиления не получится.
Зато! Мы в данном случае имеем схему, которая обладает двумя совершенно симметричными выходами: одним инвертирующим и другим, сигнал на котором точно совпадает по фазе с входным. Это дорогого стоит! Единственное, что портит картинку, — факт, что выходные сопротивления такой схемы сильно разнятся. Нагрузив нижний выход (Uвых2) какой-то еще нагрузкой (что равносильно присоединению параллельного резистора к Rэ), мы изменим общий ток коллектора, и напряжение верхнего выхода (Uвых1) также изменится. А обратного не получается, если мы уменьшим Rк, нагрузив его, то Uвых1 изменится, но это практически никоим образом не скажется на Uвых2. (А куда денется разница? Ну, разумеется, «сядет» на транзисторе!)
Как нам обеспечить полную (или близкую к таковой) симметричность схемы усилителя — чуть далее. А пока нас занимает вопрос — как же добиться усиления по напряжению? У меня есть микрофон или гитарный звукосниматель с выходом 1 мВ. Хочу получить на выходе хотя бы 100 мВ, чтобы хватило для линейного входа усилителя — ну и? Оказывается, все просто, нужно только «поступиться принципами», как говаривала незабвенная Нина Андреева еще в советские времена.
Принципы заключаются в следующем: в рассчитанной схеме мы старались все сбалансировать и обеспечить оптимальный режим работы транзистора. Но оптимального ничего не бывает, ранее мы отмечали, что коэффициент усиления по напряжению каскада с общим эмиттером зависит от соотношения сопротивлений (т. е. токов в базе и коллекторе). Нарушив его по отношению к оптимальному для транзистора, мы можем что-то улучшить для себя.
Практически это делается так: мы предполагаем, что максимально возможная амплитуда на входе каскада (относительно среднего значения) не превысит, допустим, 1 В. Тогда напряжение на базе не должно быть меньше 1,7 В, иначе при минимальном сигнале транзистор запрется, и напряжение на выходе будет ограничено снизу. Примем его равным 2 В для надежности. Номинал эмиттерного резистора Rэ (при все том же оптимальном токе коллектора 1 мА) будет тогда равен 1,3 кОм (= (2 В — 0,7)/1 мА). Нагрузка коллектора (Rк) пусть останется прежней (5,1 кОм). Обратите внимание, что на выходе Uвых1 среднее напряжение — напряжение покоя — осталось то же самое (5 В), т. к. ток не изменился.
Тогда каждый вольт изменения напряжения на входе даст уже примерно 4 вольта изменения напряжения на выходе Uвых1 т. е. коэффициент усиления по напряжению составит 4 (и будет примерно равен соотношению резисторов в коллекторе и эмиттере). Мы можем в определенных пределах увеличить этот коэффициент, уменьшая номинал Rэ вплоть до нуля (и тем самым все больше дестабилизируя схему, как показано при описании схемы с общим эмиттером), и одновременно уменьшая диапазон усиливаемых входных напряжений. Интересным свойством рассмотренной схемы является то, что абсолютное значение напряжения питания здесь не важно— рассчитанный на одно питание каскад сохранит все свои свойства, кроме максимально допустимого выходного напряжения, и при другом.
Для усилителей переменного тока хорошим — и часто используемым — приемом является шунтирование эмиттерного резистора конденсатором большой емкости. В результате режим усилителя по постоянному току (точка покоя, т. е. напряжение на коллекторе) обеспечен, а при наличии переменного входного напряжения эмиттерный резистор по номиналу уменьшается (ведь параллельно к нему подключен конденсатор, сопротивление которого тем меньше, чем выше частота, как мы узнали из главы 2), поэтому растет И коэффициент усиления напряжения всей схемы.
Дифференциальный каскад
Значительно улучшает схему комбинация двух одинаковых транзисторов в паре, соединенных эмиттерами — т. н. дифференциальный усилительный каскад. Дифференциальные каскады в силу их удобства широко применяли еще в эпоху недоступности микросхем (в том числе даже и в «ламповые» времена), но в настоящее время отдельно они практически не встречаются, а являются основой операционных усилителей. Тем не менее рассмотрим вкратце, как они работают.
Дифференциальный каскад, показанный на рис. 3.8, предполагает два раздельных одинаковых питания (плюс и минус) относительно «земли», но для самого каскада это есть не более, чем условность — питание всего каскада можно рассматривать, как однополярное (равное 10 + 10 = 20 В, согласно рис. 3.8), просто входной сигнал должен находиться где-то между этими значениями.