Биполярный транзистор — это управляемый током полупроводниковый прибор, который может работать как усилитель или ключ. В аналоговой электронике основой проектирования служат три классические схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), с общей базой (ОБ) и с общим коллектором (ОК). Термин «общий» указывает на электрод, который одновременно служит опорной точкой для сигнала на входе и на выходе. Каждая схема по‑разному влияет на коэффициент усиления, входное и выходное сопротивления, фазовые соотношения и частотные свойства. Ниже мы разберём ключевые отличия, правила расчёта и типичные области применения, а также дадим практические рекомендации по выбору и настройке рабочей точки.

Схема с общим эмиттером (ОЭ) — самая популярная конфигурация для усиления напряжения. Она обеспечивает высокое усиление по напряжению, заметное усиление по току и, как следствие, значительное усиление по мощности. Главное свойство: между входом (база) и выходом (коллектор) возникает фазовый сдвиг 180°. Входной импеданс у ОЭ средний, выходной — относительно высокий. Базовый вариант: делитель смещения на базе, резистор в эмиттере для термостабилизации, коллекторный резистор как нагрузка. Для расширения усиления на низких частотах эмиттерный резистор часто частично или полностью «шунтируют» конденсатором. В результате схема ОЭ получается универсальной: её применяют в предварительных каскадах аудио, в датчиках, в аналоговых обработчиках сигналов и как элемент в многокаскадных усилителях.

Схема с общей базой (ОБ) характеризуется очень низким входным сопротивлением (единицы—десятки Ом) и отсутствием фазового инвертирования. Она даёт высокое усиление по напряжению, но усиление по току близко к единице. Такой каскад отлично согласует источники с низким внутренним сопротивлением с последующими высокоомными нагрузками и особенно полезен на высоких частотах благодаря ослабленному Миллеровскому эффекту. В ВЧ-трактах приёмников и измерительной аппаратуры ОБ помогает добиться стабильной амплитудно-частотной характеристики и высокой помехоустойчивости. Дополнительный плюс — хорошая развязка входа и выхода, что снижает склонность к самовозбуждению.

Схема с общим коллектором (ОК), её ещё называют эмиттерным повторителем, обеспечивает высокое входное сопротивление, низкое выходное сопротивление и коэффициент усиления по напряжению близкий к единице (чуть меньше 1). Зато усиление по току высокое: каскад легко нагружает тяжёлые низкоомные цепи. Благодаря этим качествам ОК широко используют как буфер, «повторитель напряжения», для согласования сопротивлений каскадов и для гальванического разделения по постоянной составляющей. Часто эмиттерный повторитель ставят последним каскадом перед нагрузкой динамика, датчика или длинной линии.

Чтобы уверенно проектировать любой из этих каскадов, важно разобраться в понятиях рабочей точки (Q-point), смещения и линейного режима. Рабочая точка задаётся постоянными напряжениями и токами при отсутствии входного сигнала: она определяет, какой диапазон переменных колебаний транзистор сможет пропустить без искажений, не уходя в насыщение или отсечку. В практических схемах смещение формируют резистивным делителем на базе (для ОЭ и ОК) или источником тока/резистором в эмиттере (для ОБ). Эмиттерный резистор вводят для отрицательной обратной связи по току, которая повышает термостабильность и уменьшает разброс параметров из‑за изменения β (hFE). С ростом температуры VBE снижается примерно на 2 мВ/°C, ток коллектора растёт; наличие резистора в эмиттере «подхватывает» этот рост и стабилизирует режим.

Алгоритм расчёта каскада ОЭ с резистивным делителем смещения можно представить пошагово, как в учебной задаче:

1. Задайте питание и назначение каскада. Например: VCC = 12 В, требуется усиление по напряжению средней величины для аудиодиапазона, нагрузка по переменному току RL = 10 кОм.
2. Выберите рабочую точку. Для линейности удобно взять примерно VC ≈ 0,5·VCC. Пусть ток коллектора для первого приближения IC ≈ 2 мА.
3. Рассчитайте коллекторный резистор: RC ≈ (VCC − VC) / IC = (12 − 6) / 0,002 ≈ 3 кОм (ближайший стандарт — 3,3 кОм, пересчёт по месту допустим).
4. Выберите эмиттерный резистор RE для стабилизации: удобно задать падение на нём 5–15% от VCC. Пусть VE ≈ 1,2 В; тогда RE ≈ VE / IE ≈ 1,2 В / 2 мА = 600 Ом (стандарт 560–620 Ом).
5. Определите требуемое напряжение базы: VB ≈ VE + 0,7 В ≈ 1,9 В. Делитель R1–R2 подберите так, чтобы ток через делитель был в 5–10 раз больше базового тока: IB ≈ IC/β. Если β ≈ 100, то IB ≈ 20 мкА, ток через делитель ~ 200 мкА. Тогда R2 ≈ VB / 0,0002 ≈ 9,5 кОм (стандарт 9,1–10 кОм), а R1 ≈ (VCC − VB)/0,0002 ≈ (12 − 1,9)/0,0002 ≈ 50,5 кОм (стандарт 47–51 кОм).
6. Учтите частотные конденсаторы. Входной и выходной разделительные конденсаторы выбирают так, чтобы их реактивное сопротивление было в 5–10 раз меньше соответствующего сопротивления на минимальной частоте. Эмиттерный шунтирующий конденсатор CE задаёт усиление на НЧ: возьмите CE таким, чтобы на нижней рабочей частоте XE ≪ RE. Для 50 Гц и RE ≈ 600 Ом: CE ≥ 1/(2π·50·600) ≈ 5,3 мкФ, на практике ставят 47–220 мкФ для уверенного НЧ‑ответа.
7. Оцените усиление и импедансы. Малосигнально gm ≈ IC/26 мВ ≈ 0,002/0,026 ≈ 0,077 С. Тогда KU по напряжению примерно −gm·(RC || RL). Если RC || RL ≈ 3 кОм, получаем Av ≈ −0,077·3000 ≈ −231 при полном шунтировании RE по переменному току. Если часть RE остаётся в цепи по переменному току, усиление уменьшается, но линейность растёт.

С точки зрения параметров, каскад ОЭ демонстрирует баланс свойств:

• Усиление по напряжению (Av): большое, с инверсией фазы.
• Усиление по току (Ai): значительное, порядка β.
• Входное сопротивление: среднее; приблизительно Rвх ≈ R1 || R2 || rπ, где rπ ≈ β/gm.
• Выходное сопротивление: близко к RC (без учёта нагрузки), уменьшается при подключении RL.
• Частотные свойства: верхняя граница ограничивается Миллеровским эффектом — паразитная ёмкость коллектор–база «умножается» на (1 − Av), увеличивая эффективную входную ёмкость и снижая полосу сверху.

Каскад ОБ выгодно отличается на высоких частотах. Поскольку напряжение на коллектор–база не усиливается с обратной связью, Миллеровский эффект практически отсутствует, и верхняя граничная частота смещается выше. Характерные параметры:

• Усиление по напряжению: высокое, без инверсии фазы.
• Усиление по току: близко к единице, поэтому по мощности усиление ограничено.
• Входное сопротивление: очень низкое, около 1/gm (десятки Ом при миллиамперных токах).
• Выходное сопротивление: высокое, порядка RC.
• Применение: ВЧ‑усилители, согласование с низкоомными источниками (например, с пьезоэлектретными микрофонами это не подходит, а с ВЧ‑смесителями и фильтрами — подходит).

Эмиттерный повторитель (ОК) часто нужен там, где важно минимизировать нагрузку на предыдущий каскад и обеспечить уверенное управление тяжёлой нагрузкой. Его особенности:

• Усиление по напряжению: около 0,9–0,99; фаза сохраняется.
• Усиление по току: высокое — примерно β + 1.
• Входное сопротивление: высокое — порядка (β + 1)·(RE || RL) плюс сопротивления смещения.
• Выходное сопротивление: низкое, примерно (RE || RL)/(β + 1).
• Применение: буферизация, согласование, повторитель уровня с сдвигом примерно на VBE относительно входа.

Независимо от схемы включения, проектирование усилителя включает анализ по постоянному току, по малому сигналу и по частоте. Важно понимать роль динамического сопротивления эмиттера re ≈ 26 мВ/IE. В ОЭ при полном шунтировании эмиттера по переменному току усиление по напряжению приближённо равно −(RC || RL) / re. Если часть эмиттерного резистора оставлена в переменной цепи, реальная формула включает сумму re + Re(перем.), что уменьшает усиление, но резко снижает искажения. В ОК, наоборот, близость усиления к единице связана с тем, что выход «следит» за базой с отставанием на VBE, а точное значение Av определяется соотношением сопротивлений и β через малосигнальные модели.

Существенный практический аспект — температурная стабильность и защита от теплового пробоя. В простых схемах ОЭ термостойкость обеспечивают подбором RE и разумным током покоя. Полезно закладывать запас по мощности транзистора и выбирать радиатор при токах в десятки миллиампер и выше. Дополнительно применяют термокомпенсацию: например, крепят диод или транзистор‑датчик к корпусу активного транзистора для согласования температурных коэффициентов. Для источников питания важен расчёт рассеиваемой мощности P = VCE · IC в наихудшем режиме: как правило, самый тяжёлый случай — средняя по напряжению точка при заметном токе.

Частотный анализ начинается с нижней границы: её задают входной, выходной и эмиттерный шунтирующий конденсаторы. Каждая ёмкость с соответствующим сопротивлением образует высокочастотное звено первого порядка для НЧ. Верхняя граница определяется паразитными ёмкостями переходов Cbe, Cbc, транзитной частотой транзистора fT и схемой включения. В ОЭ влияние Cbc усиливается за счёт Миллеровского эффекта, что заметно снижает полосу сверху; в ОБ и ОК этот эффект ослаблен. Если нужна широкая полоса, применяют каскодные решения: каскад ОЭ, «поднятый» каскадом ОБ, уменьшающим размах напряжения коллектор‑база и, соответственно, уменьшение Миллеровской ёмкости.

При выборе типа транзистора учитывают, что NPN в кремнии обычно быстрее и имеет лучшие частотные параметры, чем PNP той же серии. Но все сказанное о топологиях верно для обеих полярностей, если последовательно поменять полярности питания и направления токов. В смешанных схемах (например, комплементарные повторители) объединяют NPN и PNP для симметричного качания сигнала относительно нуля, что важно в выходных каскадах аудио.

Рассмотрим типичные ошибки и способы их избежать:

• Слишком высокая нагрузка на вход ОЭ из‑за малого R1 || R2: приведёт к ослаблению сигнала и росту искажений. Решение: увеличить ток делителя не чрезмерно, а базовую утечку компенсировать повышением RE и использованием каскадного смещения (источник тока).
• Непродуманный выбор CE: слишком малая ёмкость создаст завал НЧ и фазовый перекос, слишком большая может вызвать пусковые токи и механические резонансы. Решение: рассчитывать по минимальной частоте и проверять на макете.
• Самовозбуждение на ВЧ из‑за паразитных связей. Решение: укороченные выводы, экранирование, резисторы‑демпферы в цепях базы/коллектора, отказ от чрезмерно высокого Av в одном каскаде.
• Тепловой разгон при высокой мощности. Решение: увеличить RE, применить радиатор, ввести локальную ООС и ограничить токи.

Чтобы системно подобрать схему включения под задачу, удобно использовать простой чек‑лист:

1. Если важно усиление по напряжению и допустим средний входной импеданс — берите ОЭ с продуманной стабилизацией и компенсацией Миллера (или каскод).
2. Если нужен буфер с высоким входным и низким выходным сопротивлением — выбирайте ОК (эмиттерный повторитель).
3. Если требуется работа на высоких частотах с низкоомным источником — применяйте ОБ.
4. Если требуется очень широкая полоса и большой Av — рассмотрите каскад ОЭ + ОБ (каскод).
5. Проверьте рабочую точку, рассеиваемую мощность и температурный режим.
6. Отладьте частотные границы подбором разделительных и шунтирующих конденсаторов.
7. Проверьте устойчивость и отсутствие возбуждения при реальной разводке.

Иногда полезно оценить параметры через малосигнальную модель: гибрид‑π даёт доступ к rπ, gm, ro и паразитным ёмкостям. Тогда легко увидеть, что в ОЭ входная ёмкость становится равной Cbe + (1 − Av)·Cbc, что объясняет снижение верхней частоты при росте |Av|. В ОК входная ёмкость меньше «раздувается», поэтому повторитель часто лучше сохраняет ВЧ‑детали, хоть и не усиливает по напряжению. В ОБ связь входа с коллектором слабее, что делает его выбором для ВЧ‑каскадов и согласующих ступеней.

Подведём итог. Три схемы включения биполярных транзисторов образуют фундамент проектирования аналоговых каскадов:

• ОЭ — основной «рабочий конь» для усиления напряжения и мощности, но требовательный к стабилизации и учёту Миллера.
• ОБ — специалист по высоким частотам и низкоомному входу, без фазового инвертирования.
• ОК — незаменимый буфер, обеспечивающий согласование и разгрузку источника сигнала.

Грамотно выбирая рабочую точку, схемы смещения, элементы ООС и учитывая частотные ограничения, вы получите предсказуемый, стабильный и эффективный усилитель. В учебной и практической работе стоит закреплять навыки моделированием в SPICE, экспериментами на макетной плате и проверкой расчётов реальными измерениями — так интуиция по выбору схемы включения формируется быстрее, а результаты становятся надёжнее.