Схемы включения транзисторов: общий эмиттер, общая база, общий коллектор

В этой статье более подробно поговорим о различных схемах включения транзистора в усилительных каскадах. И начнём с шуточного равенства: 2 + 2 = 3. Как же так, спросите вы? Очень просто: обычный усилительный каскад является четырёхполюсником, у него два провода для источника сигнала и два для нагрузки. А у транзистора всего три вывода: база, эмиттер, коллектор. Следовательно, один из выводов транзистора должен быть общим и для входной и для выходной цепи. Общим может быть любой из выводов, значит, возможны схемы с общей базой, с общим эмиттером и общим коллектором.

Отметим, что то же самое можно сказать об усилительных каскадах на полевых транзисторах, у них бывают схемы с общим затвором, общим истоком, общим стоком.  А применительно к радиолампам говорят об общей сетке, общем аноде и общем катоде. Но, пока что давайте остановимся на биполярных транзисторах.

Содержание статьи:

• Схема с общим эмиттером
• Входное и выходное сопротивление каскада
• Согласование сопротивлений
• Схема с общей базой
• Эффект Миллера
• Схема с общим коллектором
• Сводная таблица характеристик схем с ОЭ, ОБ и ОК
• Схемы включения на практике

Схема с общим эмиттером

Начнём со схемы с общим эмиттером. Она является самой распространённой, и, наверное, знакома большинству читателей. При таком включении транзистора достигается наибольшее усиление сигнала по мощности.

Мы уже обсуждали подобную схему в одной из статей. А сейчас остановимся на таких важных характеристиках усилительного каскада, как входное и выходное сопротивление.

Входное и выходное сопротивление каскада

Дело в том, что транзистор оказывает разное сопротивление постоянному и переменному токам. Чтобы в этом убедиться, посмотрим на выходную характеристику транзистора. Она показывает связь между током базы, током коллектора и напряжением на коллекторе.

Как определить сопротивление постоянному току? Очень просто, по закону Ома: взять напряжение и поделить на силу тока. Давайте вычислим сопротивление в рабочей точке А (см. рисунок). Получается 4.5 В / 4.5 мА = 1 кОм.

В случае переменного тока нужно смотреть на дифференциальное сопротивление. Если простыми словами: насколько сильно меняется ток при изменении напряжения. В приведённом примере, если напряжение на коллекторе меняется от 3 до 7 вольт при фиксированном токе базы, это довольно слабо влияет на ток коллектора, он меняется всего на 0.1 мА. Это соответствует сопротивлению (7-3)/0.1 = 40 кОм. Как видите, сопротивления постоянному и переменному току значительно отличаются.

Аналогичные рассуждения можно провести для входного сопротивления транзисторного каскада, только там нужно рассматривать вольт-амперную характеристику эмиттерного перехода.

Почему важны все эти сопротивления? Дело в том, что для наибольшей эффективности схемы сопротивления между каскадами должны быть согласованы.

Согласование сопротивлений

Посмотрим на следующий рисунок. Выходное сопротивление источника сигнала и входное сопротивление нагрузки образуют делитель напряжения.

На графике видно, что наибольшая мощность достигается при равенстве R_ист и R_нагр.

Это и понятно: если сопротивление нагрузки мало, то ей достаётся слишком маленькая доля напряжения сигнала. А если сопротивление нагрузки велико, то слишком малой будет сила тока в цепи.

И теперь мы подходим с самому главному: различные схемы включения транзистора имеют разное входное и выходное сопротивление. Это позволяет упростить согласование каскадов с источником сигнала или с нагрузкой.

Схема с общей базой

В схеме с общей базой (ОБ) по входной цепи проходит уже не маленький базовый ток, а весь эмиттерный ток целиком. Из этого вытекают два следствия. Во-первых, коллекторный ток не может быть больше эмиттерного. А, значит, схема с общей базой не даёт усиления по току (по этой причине схему ОБ называют повторителем тока). Во-вторых, входное сопротивление такой схемы очень мало: ток протекает большой, а напряжение база-эмиттер невелико. Большой ток при маленьком напряжении и означает низкое сопротивление.

Что касается выходного сопротивления, оно, наоборот, выше, чем в схеме с ОЭ. Коллекторное напряжение практически не влияет на ток, т.к. цепь коллектора полностью изолирована от командного пункта транзистора, эмиттерного перехода. Маленькое изменение тока при большом изменении напряжения как раз и означает высокое дифференциальное сопротивление.

Отметим, что схема с общей базой не инвертирует сигнал. В схеме с общим эмиттером, когда напряжение на базе растёт, на коллекторе оно падает, т.е. сигнал поворачивается на 180 градусов. В схеме с общей базой такого не происходит, вход и выход находятся в фазе.

Важное преимущество схемы с общей базой - она лучше работает на высоких частотах, поскольку в ней практически к нулю сведён так называемый эффект Миллера. Остановимся на нём чуть подробнее.

Эффект Миллера

В транзисторе есть несколько паразитных ёмкостей.

В принципе, любое скопление зарядов может являться обкладкой конденсатора, а в транзисторе, как мы знаем, три зоны разной проводимости, между которыми и возникают попарно паразитные ёмкости. Самая неприятная из них - между коллектором и базой, т.к. через этот конденсатор усиленный сигнал с коллектора попадает обратно на вход, на базу.

К примеру, если паразитная ёмкость коллектор-база составляет 4 пФ, за счёт усиления это эквивалентно ёмкости несколько сотен пФ между базой и землёй. В этом увеличении ёмкости и состоит эффект Миллера. Особенно он заметен на высоких частотах. Чем выше частота, тем ниже сопротивление паразитного конденсатора С_бк, и тем больше он искажает сигнал. Так вот, в схеме с общей базой база заземлена по переменной составляющей, так что эффект Миллера сходит на нет.

Схема с общим коллектором

Схема с общим коллектором в некотором смысле является обратным отражением схемы с общей базой.

Схема с ОБ не усиливала ток, а схема с ОК не усиливает напряжение: нагрузка здесь включена в эмиттерную цепь, проходящий по ней ток создаёт на нагрузке падение потенциала, которое действует против напряжения на базе, уменьшает смещение база-эмиттер. Так что если напряжение на нагрузке вдруг превысит напряжение на базе, транзистор просто закроется.

Поэтому схему с ОК называют также "эмиттерный повторитель" - она не усиливает напряжение сигнала, а только повторяет его.

Выходное сопротивление в этой схеме низкое: напряжение на нагрузке маленькое, а токи протекают значительные. В то же время входное сопротивление схемы с общим коллектором очень большое, всё из-за того же "мешающего" действия напряжения на нагрузке. Ведь базовое напряжение практически не влияет на входной ток: выросло напряжение на базе, тут же подросло напряжение на эмиттере, и смещение база-эмиттер осталось прежним, значит, не изменился и ток. Это равносильно тому, что входная цепь имеет высокое сопротивление.

Сводная табличка

Характеристики всех трёх схем сведены в табличке:

Параметр \ Схема	ОЭ	ОБ	ОК
Входное сопротивление, Rвх	500..2500 Ом	10..100 Ом	20..200 кОм
Выходное сопротивление, Rвых	10..100 кОм	0,2..2 мОм	20..200 Ом
Коэф.усиления тока, KI	10..100	0,9..0,99	10..100
Коэф.усиления напряжения, KU	до 1000	до 1000	до 1
Коэф.усиления мощности, KP	до 100000	до 1000	до 100
Поворот фазы	180	0	0

Схемы включения на практике

Отвлечёмся немного от характеристик схем включения транзистора, и обсудим важный момент. Часто новички, глядя на схему, не могут определить тип включения транзистора. Понятно, транзистор обвешан другими деталями - резисторами, конденсаторами. Какой вывод у него общий - сразу и не скажешь. Кажется, что общего вообще нету!

Здесь важно понимать такую вещь: пути постоянного и переменного тока в одной и той же схеме могут быть совершенно различны. Вполне может быть, скажем, что по постоянному току транзистор включён как ОЭ, а по переменному - как ОБ. Нужно уметь видеть две отдельных схемы в одной: "постоянную" и "переменную".

Возьмём типичный каскад по схеме ОЭ. Элементы нам знакомы: делитель задающий смещение на базу, коллекторная нагрузка, резистор температурной стабилизации. Всё это позволяет задать рабочую точку транзистора.

А теперь сделаем вот что: входной сигнал подадим не на базу, а на эмиттер. Разумеется, через разделительный конденсатор. А саму базу, опять же, через конденсатор, заземлим по переменной составляющей:

Вуаля! Мы получили включение по схеме с общей базой, по переменному сигналу. При этом, добавляя конденсаторы, мы не внесли практически никаких изменений в режим по постоянному току: сопротивление конденсатора постоянной составляющей очень велико.

Ну и рисовать схему можно по-разному. Вот, например, та же самая схема, скомпонованная по-другому:

Нужно уметь абстрагироваться от конкретного начертания схемы и подмечать особенности протекания постоянных и переменных токов. Ну и как Вы уже поняли, в схеме с ОБ могут использоваться те же приёмы, что и в схеме с ОЭ. Например, резистор стабилизации Rэ. Также может быть применена коллекторная стабилизация (подробнее см. статью про усилительный каскад).

Ещё один совет: ищите ту ногу транзистора, потенциал на которой постоянный. Она не обязательно должна быть заземлена (непосредственно, или через конденсатор) - но, вероятно, соединена с источником питания таким образом, что напряжение на ней постоянно, и не зависит от входного сигнала или нагрузки.

Примеры схем

Давайте посмотрим ещё несколько примеров, чтобы потренироваться.