Включение транзистора с общей базой повышает частотный диапазон и снижает влияние паразитных емкостей при проектировании усилителей

Частота для радиоинженера - словно кислород для альпиниста. Чем выше рабочий диапазон, тем больше информации можно передать, тем быстрее откликается система на управляющие команды. Но обычные транзисторные каскады словно упираются в невидимую стену при попытке покорить десятки и сотни мегагерц. Схема с общим эмиттером, такая удобная для низких частот, начинает задыхаться уже на подступах к УКВ-диапазону.

Проблема кроется в паразитных емкостях самого транзистора. Между коллектором и базой существует p-n переход, обладающий емкостью величиной несколько пикофарад. На первый взгляд - мелочь, которой можно пренебречь. Однако на высоких частотах эта крошечная емкость превращается в настоящего монстра, пожирающего полосу пропускания.

Эффект Миллера и его коварство

В схеме с общим эмиттером напряжение на коллекторе изменяется в противофазе относительно базового сигнала. Когда потенциал базы растет, коллекторное напряжение падает. Через емкость между электродами начинает течь переменный ток, причем его величина оказывается пропорциональной не просто емкости, а произведению этой емкости на коэффициент усиления всего каскада.

Эффективная входная емкость каскада вычисляется по формуле:

Cвх = Cбэ + Cкб × (1 + Ku)

Здесь Cбэ - емкость база-эмиттер, Cкб - емкость коллектор-база, Ku - коэффициент усиления по напряжению.

При типичном усилении 50-100 раз емкость Cкб величиной 3-5 пФ превращается в эквивалентные 150-500 пФ на входе. Эта огромная емкость совместно с сопротивлением источника сигнала образует RC-фильтр нижних частот, безжалостно срезающий все, что выше определенной граничной частоты. Полоса пропускания сужается до неприемлемых значений.

Представьте себе ситуацию: разработчик пытается построить усилитель для диапазона 100 МГц, а реальная граница оказывается на уровне 5-10 МГц. Разочарование неизбежно. Нужен другой подход.

Включение с общей базой меняет правила игры

Решение лежит через изменение самой топологии каскада. Вместо подачи сигнала на базу, его направляют на эмиттер. База по переменному току соединяется с общим проводом через развязывающий конденсатор большой емкости. Такая конфигурация получила название "каскад с общей базой".

Что это дает? Входное сопротивление каскада резко падает и определяется дифференциальным сопротивлением эмиттерного перехода:

rэ = φт / Iэ ≈ 25 мВ / Iэ

где φт - тепловой потенциал (около 25 мВ при комнатной температуре), Iэ - ток эмиттера.

При токе 5 мА входное сопротивление составит всего 5 Ом. Для обычного усилителя звуковых частот это катастрофа - согласовать такой вход с типовым источником сигнала крайне сложно. Но для высокочастотных схем низкое входное сопротивление становится благом. Паразитные емкости монтажа, проводников, выводов элементов уже не способны шунтировать входной сигнал.

Главное преимущество схемы с общей базой заключается в подавлении эффекта Миллера. Напряжение на коллекторе теперь изменяется синфазно с сигналом на эмиттере. Оба электрода движутся в одном направлении, разность потенциалов между ними остается почти постоянной. Емкость Cкб больше не умножается на коэффициент усиления - она просто включена между коллектором и землей, где ее влияние минимально.

Граничная частота каскада с общей базой может достигать единиц гигагерц даже на обычных биполярных транзисторах. Усиление по напряжению при этом остается таким же, как в схеме с общим эмиттером, а вот полоса пропускания расширяется в десятки раз.

Токовая дегенерация как метод линеаризации

Низкое входное сопротивление каскада с общей базой создает определенные неудобства при согласовании с предыдущими каскадами. Кроме того, дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода rэ зависит от тока - а значит, при большом входном сигнале возникают нелинейные искажения.

Выход находится через добавление резистора в эмиттерную цепь транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. Этот резистор Re создает отрицательную обратную связь по току. Входное сопротивление каскада увеличивается и становится равным:

Rвх ≈ (1 + β) × Re

где β - коэффициент передачи тока базы транзистора.

При β = 100 и Re = 100 Ом входное сопротивление вырастает до 10 кОм - вполне приемлемая величина для большинства применений. Одновременно резистор Re стабилизирует рабочую точку и уменьшает нелинейные искажения. Переменная составляющая тока эмиттера протекает через Re, создавая на нем падение напряжения, которое вычитается из входного сигнала. Этот механизм называется эмиттерной или токовой дегенерацией.

Коэффициент усиления каскада с дегенерацией определяется отношением:

Ku ≈ Rк / Re

где Rк - сопротивление коллекторной нагрузки.

Обратите внимание: усиление теперь зависит только от соотношения резисторов, а не от параметров транзистора. Температурная стабильность улучшается, разброс характеристик от экземпляра к экземпляру уменьшается. Правда, приходится жертвовать максимально возможным усилением - но для широкополосных схем это приемлемая плата за стабильность и линейность.

Влияние дегенерации на частотные свойства

Казалось бы, эмиттерный резистор должен ухудшить частотные характеристики каскада. Ведь он увеличивает входное сопротивление, а значит, постоянная времени входной RC-цепи возрастает. Парадокс в том, что на практике все происходит иначе.

Дегенерация уменьшает эффективное усиление транзистора на низких и средних частотах. Вспомним формулу эффекта Миллера - входная емкость пропорциональна коэффициенту усиления. Снижение Ku автоматически уменьшает влияние емкости Cкб. Полоса пропускания расширяется.

Существует эмпирическое правило: произведение коэффициента усиления на полосу пропускания остается примерно постоянным для данного транзистора. Эта величина называется граничной частотой усиления по току fт. Пожертвовав усилением в 2 раза, можно расширить полосу тоже вдвое. Токовая дегенерация как раз позволяет сознательно управлять этим балансом.

Для каскада с эмиттерным резистором верхняя граничная частота приблизительно равна:

fв ≈ fт / (Rк / Re)

Чем ближе отношение Rк к Re, тем шире полоса. Предельный случай - когда Rк = Re, усиление по напряжению становится единичным, а полоса приближается к fт транзистора.

Каскодное включение объединяет преимущества

Можно ли получить и широкую полосу, и приличное усиление одновременно? Можно, если объединить два транзистора в каскодной конфигурации. Нижний транзистор работает в схеме с общим эмиттером, обеспечивая высокое входное сопротивление и первичное усиление. Верхний транзистор включен по схеме с общей базой и служит буфером, изолирующим коллектор нижнего транзистора от нагрузки.

Напряжение на коллекторе нижнего транзистора остается практически постоянным - оно зафиксировано потенциалом на базе верхнего транзистора. Эффект Миллера для нижнего каскада минимален. Верхний транзистор работает с общей базой, для него проблема Миллера тоже неактуальна. В результате каскод обладает полосой пропускания, близкой к fт, при коэффициенте усиления, как у обычного каскада с общим эмиттером.

Общее усиление каскода определяется формулой:

Ku = (β × Rн) / rэ

где Rн - сопротивление нагрузки в коллекторе верхнего транзистора.

Добавление эмиттерного резистора к нижнему транзистору дополнительно улучшает линейность и стабильность всей схемы. Получается универсальный строительный блок для широкополосных усилителей - от звуковых частот до сотен мегагерц.

Практические тонкости и ограничения

Теория хороша, но практика вносит свои коррективы. Реальные транзисторы обладают не только емкостями переходов, но и сопротивлением базы, индуктивностью выводов, конечной скоростью перемещения носителей в базе. На частотах выше 100 МГц эти факторы становятся критичными.

Сопротивление базы rб создает дополнительную RC-цепочку совместно с входной емкостью. Для уменьшения его влияния применяют транзисторы с гребенчатой структурой эмиттера или составные транзисторы Дарлингтона. Индуктивность выводов компенсируют укорочением проводников и применением безвыводных корпусов для поверхностного монтажа.

Время пролета носителей через базу ограничивает максимальную частоту работы транзистора. Для его уменьшения базу делают максимально тонкой - доли микрометра в современных высокочастотных приборах. Но тонкая база увеличивает сопротивление rб. Приходится искать компромисс.

Токовая дегенерация эффективна до определенного предела. Слишком большое сопротивление Re ограничивает размах выходного сигнала - ведь на резисторе падает постоянное напряжение, уменьшающее допустимый динамический диапазон. Типичные значения Re составляют от единиц до сотен Ом в зависимости от рабочего тока.

При токах эмиттера больше 10-20 мА начинает проявляться эффект Кирка - модуляция толщины базы коллекторным током. Граничная частота fт снижается, высокочастотные свойства ухудшаются. Для мощных широкополосных каскадов приходится применять специальные транзисторы с оптимизированной структурой.

Области применения и перспективы

Каскады с общей базой и токовой дегенерацией нашли применение в самых разных областях радиоэлектроники. Широкополосные усилители для измерительной техники, входные цепи осциллографов, усилители промежуточной частоты приемников, видеоусилители - везде, где нужна полоса в десятки и сотни мегагерц, эти схемы незаменимы.

В современной микроэлектронике биполярные транзисторы постепенно вытесняются полевыми приборами, особенно в цифровых схемах. Но для аналоговых широкополосных усилителей биполярники сохраняют свои позиции. Их крутизна характеристики, низкие шумы на высоких частотах, технологическая совместимость с кремниевыми интегральными схемами делают их привлекательными для разработчиков.

Появление гетеропереходных транзисторов на основе арсенида галлия и соединений кремния с германием открыло новые горизонты. Граничные частоты fт современных SiGe-транзисторов превышают 300 ГГц. Это позволяет строить усилители миллиметрового диапазона волн на сравнительно недорогой кремниевой технологии.

Дальнейшее развитие идет по пути интеграции пассивных элементов - резисторов, конденсаторов, индуктивностей - прямо на кристалле совместно с транзисторами. Получаются законченные функциональные блоки размером в доли миллиметра, работающие на частотах в единицы гигагерц. Такие микросхемы применяются в системах радиолокации, спутниковой связи, беспроводной передачи данных.

Схемы с общей базой и токовая дегенерация остаются фундаментальными приемами проектирования. Понимание физики их работы, умение правильно рассчитать параметры элементов, грамотная трассировка печатной платы - все это отделяет работающее устройство от макета, который отказывается функционировать. Электроника высоких частот требует внимания к деталям, которые на низких частотах кажутся несущественными. Каждый лишний миллиметр проводника, каждый пикофарад паразитной емкости может похоронить проект. Зато успешное решение приносит несравнимое удовлетворение - когда схема заработала на пределе возможностей, выжав из компонентов максимум.