Введение
Современную жизнь трудно представить без хорошо развитой электроники.
Но современная аппаратура обеспечивается совокупностью электротехнических и электронных устройств различной сложности, состоящих из элементов, к которым приложены электрические напряжения или протекают электрические токи. Сколь угодно сложные электронные устройства, в конечном счете, состоят из разнообразных электронных приборов, обладающих вполне определенными свойствами. Таким образом, чтобы разрабатывать, изготавливать или эксплуатировать различную аппаратуру, следует, прежде всего, знать процессы, происходящие в электронных приборах при различных условиях, а также законы, которым подчиняются эти процессы, т.е. освоить основы электроники.
Транзистор представляет собой управляемый прибор, его коллекторный ток зависит от тока эмиттера, который в свою очередь можно изменять напряжением эмиттер – база, U ЭБ. Поскольку напряжение в цепи коллектора, включенного в обратном направлении, значительно больше, чем в цепи эмиттера, включенного в прямом направлении, а токи в этих цепях практически равны, мощность, создаваемая переменной составляющей коллекторного тока в нагрузке, включенной в цепи коллектора, может быть значительно больше мощности, затрачиваемой на управление тока в цепи эмиттера, т. е. транзистор обладает усилительным эффектом.
Для усиления электрических сигналов применяются схемы с общим коллектором (ОК) и общим эмиттером (ОЭ). Работу биполярного транзистора по схеме с ОЭ определяют статические входные и выходные характеристики.
При схеме включения биполярного транзистора с общим эмиттером (ОЭ) входной сигнал подаётся на базу, а снимается с коллектора. При этом фаза выходного сигнала отличается от входного на 180°. Усиливает и ток, и напряжение. Данное включение транзистора позволяет получить наибольшее усиление по мощности, поэтому наиболее распространено. Однако при такой схеме нелинейные искажения сигнала значительно больше. Кроме того, при данной схеме включения на характеристики усилителя значительное влияние оказывают внешние факторы, такие как напряжение питания, или температура окружающей среды. Обычно для компенсации этих факторов применяют отрицательную обратную связь, но она снижает коэффициент усиления.
Биполярные транзисторы управляются током. В схеме с ОЭ - током базы. Напряжение на переходе база-эмиттер при этом остаётся почти постоянным и зависит от материала полупроводника, для германия около 0,2 В, для кремния около 0,7 В, но на сам каскад подаётся управляющее напряжение. Ток базы, коллектора и эмиттера и другие токи и напряжения в каскаде можно вычислить по закону Ома и правилам Кирхгофа для разветвлённой многоконтурной цепи.
Режимы работы биполярного транзистора
Транзистором называют электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, пригодный для усиления мощности электрических сигналов и имеющий три или более выводов. По принципу действия транзисторы бывают биполярные и полевые.
Биполярный транзистор содержит три полупроводниковые области с чередующимися типами проводимости n-p-n или p-n-p, которые называют соответственно эмиттером, базой и коллектором.
Нормальный активный режим
Переход эмиттер-база включен в прямом направлении (открыт), а переход коллектор-база - в обратном (закрыт) U ЭБ >0;U КБ <0;
Инверсный активный режим
Эмиттерный переход имеет обратное включение, а коллекторный переход - прямое.
Режим насыщения
Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты).
Режим отсечки
В данном режиме оба p-n перехода прибора смещены в обратном направлении (оба закрыты).
Барьерный режим
В данном режиме база транзистора по постоянному току соединена накоротко или через небольшой резистор с его коллектором, а в коллекторную или в эмиттерную цепь транзистора включается резистор, задающий ток через транзистор.
В таком включении транзистор представляет из себя диод, включенный последовательно с резистором.
Подобные схемы каскадов отличаются малым количеством комплектующих, хорошей развязкой по высокой частоте, большим рабочим диапазоном температур, неразборчивостью к параметрам транзисторов.
Эмиттерный повторитель - частный случай повторителей напряжения на основе биполярного транзистора. Характеризуется высоким усилением по току и коэффициентом передачи по напряжению, близким к единице. При этом входное сопротивление относительно велико (однако оно меньше, чем входное сопротивление истокового повторителя), а выходное - мало.
В эмиттерном повторителе используется схема включения транзистора с общим коллектором (ОК). То есть напряжение питания подаётся на коллектор, входной сигнал подаётся на базу, а выходной сигнал снимается с эмиттера. В результате чего образуется 100 % отрицательная обратная связь по напряжению, что позволяет значительно уменьшить нелинейные искажения, возникающие при работе. Следует также отметить, что фазы входного и выходного сигнала совпадают. Такая схема включения используется для построения входных усилителей, в случае если выходное сопротивление источника велико, и как буферный усилитель, а также в качестве выходных каскадов усилителей мощности.
Схемы включения
Схема включения с общим эмиттером
U вых = U кэ
· Коэффициент усиления по току:
I вых /I вх =I к /I б =I к /(I э -I к) = α/(1-α) = β [β>>1]
· Входное сопротивление:
R вх =U вх /I вх =U бэ /I б
Достоинства:
· Большой коэффициент усиления по току
· Большой коэффициент усиления по напряжению
· Наибольшее усиление мощности
· Можно обойтись одним источником питания
· Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.
Недостатки:
· Худшие температурные и частотные свойства по сравнению со схемой с общей базой
В данной статье расскажем про транзистор. Покажем схемы его подключения и расчёт транзисторного каскада с общим эмиттером.
ТРАНЗИСТОР — это полупроводниковый прибор для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний, выполненный на основе монокристаллического полупроводника (Si – кремния, или Gе — германия), содержащего не менее трёх областей с различной - электронной (n ) и дырочной (p ) - проводимостью. Изобретён в 1948 американцами У. Шокли, У. Браттейном и Дж. Бардином. По физической структуре и механизму управления током различают транзисторы биполярные (чаще называют просто транзисторами) и униполярные (чаще называют полевыми транзисторами). В первых, содержащих два, или более электронно-дырочных перехода, носителями заряда служат как электроны, так и дырки, во вторых - либо электроны, либо дырки. Термн «транзистор» нередко используют для обозначения портативных радиовещательных приёмников на полупроводниковых приборах.
Управление током в выходной цепи осуществляется за счёт изменения входного напряжения или тока. Небольшое изменение входных величин может приводить к существенно большему изменению выходного напряжения и тока. Это усилительное свойство транзисторов используется в аналоговой технике (аналоговые ТВ, радио, связь и т. п.).
Биполярный транзистор
Биполярный транзистор может быть n-p-n и p-n-p проводимости. Не заглядывая во внутренности транзистора, можно отметить разницу проводимостей лишь в полярности подключения в практических схемах источников питания, конденсаторов, диодов, которые входят в состав этих схем. На рисунке справа графически изображены n-p-n и p-n-p транзисторы.
У транзистора три вывода. Если рассматривать транзистор как четырёхполюсник, то у него должно быть два входных и два выходных вывода. Следовательно, какой то из выводов должен быть общим, как для входной, так и для выходной цепи.
Схемы включения транзистора
Схема включения транзистора с общим эмиттером – предназначена для усиления амплитуды входного сигнала по напряжению и по току. При этом входной сигнал, усиливаясь транзистором, инвертируется. Другими словами фаза выходного сигнала поворачивается на 180 градусов. Эта схема, является основной, для усиления сигналов разной амплитуды и формы. Входное сопротивление транзисторного каскада с ОЭ бывает от сотен Ом до единиц килоом, а выходное — от единиц до десятков килоом.
Схема включения транзистора с общим коллектором
– предназначена для усиления амплитуды входного сигнала по току. Усиления по напряжению в такой схеме не происходит. Правильнее сказать, коэффициент усиления по напряжению даже меньше единицы. Входной сигнал транзистором не инвертируется.
Входное сопротивление транзисторного каскада с ОК бывает от десятков до сотен килоом, а выходное в пределах сотни ом — единиц килоом. Благодаря тому, что в цепи эмиттера находится, как правило, нагрузочный резистор, схема обладает большим входным сопротивлением. Кроме того, благодаря усилению входного тока, она обладает высокой нагрузочной способностью. Эти свойства схемы с общим коллектором используются для согласования транзисторных каскадов — как «буферный каскад». Так как, входной сигнал, не усиливаясь по амплитуде «повторяется» на выходе, схему включения транзистора с общим коллектором ещё называют Эмиттерный повторитель
.
Имеется ещё Схема включения транзистора с общей базой . Эта схема включения в теории есть, но в практике она реализуется очень тяжело. Такая схема включения используется в высокочастотной технике. Особенность её в том, что у неё низкое входное сопротивление, и согласовать такой каскад по входу сложно. Опыт в электронике у меня не малый, но говоря об этой схеме включения транзистора, я извините, ничего не знаю! Пару раз использовал как «чужую» схему, но так и не разбирался. Объясню: по всем физическим законам транзистор управляется его базой, вернее током, протекающим по пути база-эмиттер. Использование входного вывода транзистора — базы на выходе — не возможно. На самом деле базу транзистора через конденсатор «сажают» по высокой частоте на корпус, а на выходе её и не используют. А гальванически, через высокоомный резистор, базу связывают с выходом каскада (подают смещение). Но подавать смещение, по сути можно откуда угодно, хоть от дополнительного источника. Всё равно, попадающий на базу сигнал любой формы гасится через тот же самый конденсатор. Чтобы такой каскад работал, входной вывод — эмиттер через низкоомный резистор «сажают» на корпус, отсюда и низкое входное сопротивление. В общем, схема включения транзистора с общей базой — тема для теоретиков и экспериментаторов. На практике она встречается крайне редко. За свою практику в конструировании схем никогда не сталкивался с необходимостью использования схемы включения транзистора с общей базой. Объясняется это свойствами этой схемы включения: входное сопротивление — от единиц до десятков Ом, а выходное сопротивление — от сотен килоом до единиц мегаом. Такие специфические параметры — редкая потребность.
Биполярный транзистор может работать в ключевом и линейном (усилительном) режимах. Ключевой режим используется в различных схемах управления, логических схемах и др. В ключевом режиме, транзистор может находиться в двух рабочих состояниях – открытом (насыщенном) и закрытом (запертом) состоянии. Линейный (усилительный) режим используется в схемах усиления гармонических сигналов и требует поддержания транзистора в «наполовину» открытом, но не насыщенном состоянии.
Для изучения работы транзистора, мы рассмотрим схему включения транзистора с общим эмиттером, как наиболее важную схему включения.
Схема изображена на рисунке. На схеме VT – собственно транзистор. Резисторы R б1 и R б2 – цепочка смещения транзистора, представляющая собой обыкновенный делитель напряжения. Именно эта цепь обеспечивает смещение транзистора в «рабочую точку» в режиме усиления гармонического сигнала без искажений. Резистор R к – нагрузочный резистор транзисторного каскада, предназначен для подвода к коллектору транзистора электрического тока источника питания и его ограничения в режиме «открытого» транзистора. Резистор R э – резистор обратной связи, по своей сути увеличивает входное сопротивление каскада, при этом, уменьшает усиление входного сигнала. Конденсаторы С выполняют функцию гальванической развязки от влияния внешних цепей.
Чтобы Вам было понятнее, как работает биполярный транзистор, мы проведём аналогию с обычным делителем напряжения (см. рис. ниже). Для начала, резистор R 2 делителя напряжения сделаем управляемым (переменным). Изменяя сопротивление этого резистора, от нуля до «бесконечно» большого значения, мы можем получить на выходе такого делителя напряжение от нуля до значения, подаваемого на его вход. А теперь, представим себе, что резистор R 1 делителя напряжения – это коллекторный резистор транзисторного каскада, а резистор R 2 делителя напряжения – это переход транзистора коллектор-эмиттер. При этом, подавая на базу транзистора управляющее воздействие в виде электрического тока, мы изменяем сопротивление перехода коллектор-эмиттер, тем самым меняем параметры делителя напряжения. Отличие от переменного резистора в том, что транзистор управляется слабым током. Именно так и работает биполярный транзистор. Вышеуказанное изображено на рисунке ниже:
Для работы транзистора в режиме усиления сигнала, без искажения последнего, необходимо обеспечить этот самый рабочий режим. Говорят о смещении базы транзистора. Грамотные специалисты тешат себя правилом: Транзистор управляется током – это аксиома. Но режим смещения транзистора устанавливается напряжением база-эмиттер, а не током – это реальность. И у того, кто не учитывает напряжение смещения, никакой усилитель работать не будет. Поэтому в расчётах его значение должно учитываться.
Итак, работа биполярного транзисторного каскада в режиме усиления происходит при определённом напряжении смещения на переходе база-эмиттер. Для кремниевого транзистора значение напряжения смещения лежит в пределах 0,6…0,7 вольт, для германиевого – 0,2…0,3 вольта. Зная об этом понятии, можно не только рассчитывать транзисторные каскады, но и проверять исправность любого транзисторного усилительного каскада. Достаточно мультиметром с высоким внутренним сопротивлением измерить напряжение смещения база-эмиттер транзистора. Если оно не соответствует 0,6…0,7 вольт для кремния, или 0,2…0,3 вольта для германия, тогда ищите неисправность именно здесь – либо неисправен транзистор, либо неисправны цепи смещения или развязки этого транзисторного каскада.
Вышеуказанное, изображено на графике – вольтамперной характеристике (ВАХ).
Большинство из «спецов», посмотрев на представленную ВАХ скажет: Что за ерунда нарисована на центральном графике? Так выходная характеристика транзистора не выглядит! Она представлена на правом графике! Отвечу, там всё правильно, а началось это с электронно-вакуумных ламп. Раньше вольтамперной характеристикой лампы считалось падение напряжения на анодном резисторе. Сейчас, продолжают измерять на коллекторном резисторе, а на графике приписывают буквы, обозначающие падение напряжения на транзисторе, в чём глубоко ошибаются. На левом графике I б – U бэ представлена входная характеристика транзистора. На центральном графике I к – U кэ представлена выходная вольтамперная характеристика транзистора. А на правом графике I R – U R представлен вольтамперный график нагрузочного резистора R к , который обычно выдают за вольтамперную характеристику самого транзистора.
На графике имеет место линейный участок, используемый для линейного усиления входного сигнала, ограниченный точками А и С . Средняя точка – В , является именно той точкой, в которой необходимо содержать транзистор, работающий в усилительном режиме. Этой точке соответствует определённое напряжение смещения, которое при расчётах обычно берут: 0,66 вольт для транзистора из кремния, или 0,26 вольт для транзистора из германия.
По вольтамперной характеристике транзистора мы видим следующее: при отсутствии, или малом напряжении смещения на переходе база-эмиттер транзистора, ток базы и ток коллектора отсутствуют. В этот момент на переходе коллектор-эмиттер падает всё напряжение источника питания. При дальнейшем повышении напряжения смещения база-эмиттер транзистора, транзистор начинает открываться, появляется ток базы и вместе с ним растёт ток коллектора. При достижении «рабочей области» в точке С , транзистор входит в линейный режим, который продолжается до точки А . При этом, падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер уменьшается, а на нагрузочном резисторе R к , наоборот увеличивается. Точка В – рабочая точка смещения транзистора, — это такая точка, при которой на переходе коллектор — эмиттер транзистора, как правило, устанавливается падение напряжения равное ровно половине напряжения источника питания. Отрезок АЧХ от точки С , до точки А называют рабочей областью смещения. После точки А , ток базы и следовательно ток коллектора резко возрастают, транзистор полностью открывается — входит в насыщение. В этот момент, на переходе коллектор-эмиттер падает напряжение обусловленное структурой n-p-n переходов, которое приблизительно равно 0,2…1 вольт, в зависимости от типа транзистора. Всё остальное напряжение источника питания падает на сопротивлении нагрузки транзистора – резисторе R к ., который кроме того, ограничивает дальнейший рост тока коллектора.
По нижним «дополнительным» рисункам, мы видим, как изменяется напряжение на выходе транзистора в зависимости от подаваемого на вход сигнала. Выходное напряжение (падение напряжения на коллекторе) транзистора противофазно (на 180 градусов) к входному сигналу.
Расчёт транзисторного каскада с общим эмиттером (ОЭ)
Прежде чем перейти непосредственно к расчёту транзисторного каскада, обратим внимание на следующие требования и условия:
Расчёт транзисторного каскада проводят, как правило, с конца (т.е. с выхода);
Для расчета транзисторного каскада нужно определить падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора в режиме покоя (когда отсутствует входной сигнал). Оно выбирается таким, чтобы получить максимально неискаженный сигнал. В однотактной схеме транзисторного каскада работающего в режиме «A» это, как правило, половина значения напряжения источника питания;
В эмиттерной цепи транзистора бежит два тока — ток коллектора (по пути коллектор-эмиттер) и ток базы (по пути база-эмиттер), но так как ток базы достаточно мал, им можно пренебречь и принять, что ток коллектора равен току эмиттера;
Транзистор – усилительный элемент, поэтому справедливо будет заметить, что способность его усиливать сигналы должна выражаться какой-то величиной. Величина усиления выражается показателем, взятым из теории четырёхполюсников — коэффициент усиления тока базы в схеме включения с общим эмиттером (ОЭ) и обозначается он — h 21 . Его значение приводится в справочниках для конкретных типов транзисторов, причём, обычно в справочниках приводится вилка (например: 50 – 200). Для расчётов обычно выбирают минимальное значение (из примера выбираем значение — 50);
Коллекторное (R к ) и эмиттерное (R э ) сопротивления влияют на входное и выходное сопротивления транзисторного каскада. Можно считать, что входное сопротивление каскада R вх =R э *h 21 , а выходное равно R вых =R к . Если Вам не важно входное сопротивление транзисторного каскада, то можно обойтись вовсе без резистора R э ;
Номиналы резисторов R к и R э ограничивают токи, протекающие через транзистор и рассеиваемую на транзисторе мощность.
Порядок и пример расчёта транзисторного каскада с ОЭ
Исходные данные:
Питающее напряжение U и.п. =12 В.
Выбираем транзистор, например: Транзистор КТ315Г, для него:
P max =150 мВт; I max =150 мА; h 21 >50.
Принимаем R к =10*R э
Напряжение б-э рабочей точки транзистора принимаем U бэ = 0,66 В
Решение:
1. Определим максимальную статическую мощность, которая будет рассеиваться на транзисторе в моменты прохождения переменного сигнала, через рабочую точку В статического режима транзистора. Она должна составлять значение, на 20 процентов меньше (коэффициент 0,8) максимальной мощности транзистора, указанной в справочнике.
Принимаем P рас.max =0,8*P max =0,8*150 мВт=120 мВт
2. Определим ток коллектора в статическом режиме (без сигнала):
I к0 =P рас.max /U кэ0 =P рас.max /(U и.п. /2) = 120мВт/(12В/2) = 20мА.
3. Учитывая, что на транзисторе в статическом режиме (без сигнала) падает половина напряжения питания, вторая половина напряжения питания будет падать на резисторах:
(R к +R э )=(U и.п. /2)/I к0 = (12В/2)/20мА=6В/20мА = 300 Ом.
Учитывая существующий ряд номиналов резисторов, а также то, что нами выбрано соотношение R к =10*R э , находим значения резисторов:
R к = 270 Ом; R э = 27 Ом.
4. Найдем напряжение на коллекторе транзистора без сигнала.
U к0 =(U кэ0 + I к0 *R э )=(U и.п. — I к0 *R к ) = (12 В — 0,02А * 270 Ом) = 6,6 В.
5. Определим ток базы управления транзистором:
I б =I к /h 21 =/h 21 = / 50 = 0,8 мА.
6. Полный базовый ток определяется напряжением смещения на базе, которое задается делителем напряжения R б1 ,R б2 . Ток резистивного базового делителя должен быть на много больше (в 5-10 раз) тока управления базы I б , чтобы последний не влиял на напряжение смещения. Выбираем ток делителя в 10 раз большим тока управления базы:
R б1 ,R б2 : I дел. =10*I б = 10 * 0,8 мА = 8,0 мА.
Тогда полное сопротивление резисторов
R б1 +R б2 =U и.п. /I дел. = 12 В / 0,008 А = 1500 Ом.
7. Найдём напряжение на эмиттере в режиме покоя (отсутствия сигнала). При расчете транзисторного каскада необходимо учитывать: напряжение база-эмиттер рабочего транзистора не может превысить 0,7 вольта! Напряжение на эмиттере в режиме без входного сигнала примерно равно:
U э =I к0 *R э = 0,02 А * 27 Ом= 0,54 В,
где I к0 — ток покоя транзистора.
8. Определяем напряжение на базе
U б =U э +U бэ =0,54 В+0,66 В=1,2 В
Отсюда, через формулу делителя напряжения находим:
R б2 = (R б1 +R б2 )*U б /U и.п. = 1500 Ом * 1,2 В / 12В = 150 Ом R б1 = (R б1 +R б2 )-R б2 = 1500 Ом — 150 Ом = 1350 Ом = 1,35 кОм.
По резисторному ряду, в связи с тем, что через резистор R б1 течёт ещё и ток базы, выбираем резистор в сторону уменьшения: R б1 =1,3 кОм.
9. Разделительные конденсаторы выбирают исходя из требуемой амплитудно-частотной характеристики (полосы пропускания) каскада. Для нормальной работы транзисторных каскадов на частотах до 1000 Гц необходимо выбирать конденсаторы номиналом не менее 5 мкФ.
На нижних частотах амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) каскада зависит от времени перезаряда разделительных конденсаторов через другие элементы каскада, в том числе и элементы соседних каскадов. Ёмкость должна быть такой, чтобы конденсаторы не успевали перезаряжаться. Входное сопротивление транзисторного каскада много больше выходного сопротивления. АЧХ каскада в области нижних частот определяется постоянной времени t н
=R вх
*C вх
, где R вх
=R э
*h 21
, C вх
— разделительная входная емкость каскада. C вых
транзисторного каскада, это C вх
следующего каскада и рассчитывается она так же. Нижняя частота среза каскада (граничная частота среза АЧХ) f н
=1/t н
. Для качественного усиления, при конструировании транзисторного каскада необходимо выбирать, чтобы соотношение 1/t н
=1/(R вх
*C вх
)<
Расчёт ключевого режима транзисторного каскада производится абсолютно так же, как и ранее проведённый расчёт усилительного каскада. Отличие заключается только в том, что ключевой режим предполагает два состояния транзистора в режиме покоя (без сигнала). Он, или закрыт (но не закорочен), или открыт (но не перенасыщен). При этом, рабочие точки «покоя», находятся за пределами точек А и С изображённых на ВАХ. Когда на схеме в состоянии без сигнала транзистор должен быть закрыт, необходимо из ранее изображённой схемы каскада удалить резистор R б1 . Если же требуется, чтобы транзистор в состоянии покоя был открыт, необходимо в схеме каскада увеличить резистор R б2 в 10 раз от расчётного значения, а в отдельных случаях, его можно удалить из схемы.
Схема с общим эмиттером
Схема включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ) изображена на рис. 5.1. Входным электродом является база (точнее, входной сигнал U в x приложен к переходу эмиттер – база, т. е. U в x = U БЭ = f Б – f Э, где f Б и f Э – соответственно, потенциалы базы и эмиттера). Выходным электродом является коллектор, т. е. выходное напряжение U вы x равно падению напряжения между коллектором и эмиттером U K Э: U вы x = U КЭ = f K – f Э, где f K – потенциал коллектора.
| Рис. 5.1 |
Таким образом, эмиттер является «общим электродом» и для U в x , и для U вы x , чем и объясняется название схемы. Допустим, что эмиттер заземлен и f Э = 0. В большинстве случаев непосредственное соединение эмиттера с землей применяют редко, но здесь рассматривается именно схема с заземленным эмиттером, так как наличие дополнительных элементов R Э и C Э не изменяет основной принцип работы схемы с ОЭ, но сильно усложняет объяснение.
Емкости C p 1 и С p 2 будем считать в диапазоне частот сигнала короткими замыканиями, а для постоянных питающих напряжений они, естественно, представляют собой разрывы. Впоследствии вклад С p 1 и С p 2 в характеристики схемы и их назначение будут оговорены.
Для объяснения работы схемы используем известное из физики полупроводников явление: p –n- переход при подаче на р -полупроводник положи-
тельного потенциала (относительно потенциала n -полупроводника) открывается и через переход течет ток; причем в определенных пределах ток прямо пропорционален разности потенциалов на переходе. К базе транзистора приложено постоянное положительное напряжение, определяемое значением напряжения источника питания Е и соотношением сопротивлений R Б 1 и R Б2 (R Б 1 и R Б2 называют базовым делителем), поэтому f Б всегда превышает f Э и переход эмиттер – база открыт.
Если теперь учесть, что на базу транзистора кроме постоянного положительного напряжения U в x = = E (R Б2 / (R Б1 + R Б2)) поступает также переменный сигнал U в x ≈ (для простоты примем, что U в x ≈ – гармонический сигнал), то в моменты, когда U в x ≈ имеет положительную полярность, p –n -переход открывается еще больше и ток через него возрастает, а в моменты, когда U в x ≈ имеет отрицательную полярность (но сохраняется U в x = + U в x ≈ >0), переход частично закрывается и ток уменьшается. Ток через p –n -переход эмиттер – база называют током эмиттера I Э. Внутри транзистора он разделяется на небольшой ток базы I Б << I Э и ток коллектора I К ≈ I Э. В свою очередь, ток коллектора I К течет через сопротивление R K и создает на нем напряжение DU R = I K R K . Отсюда очевидно, что потенциал коллектора f K = Е – DU R = Е – I K R K зависит от того, насколько открыт переход эмиттер – база, т. е. от U в x .
Для аналитического описания зависимости I К от U БЭ часто используют параметр S = DI K /DU БЭ, который называется крутизной. Единицей измерения крутизны является ампер на вольт [А/В], ее название связано с очень редко встречающимися в справочниках «сквозными» вольт-амперными характеристиками транзисторов. Итак,
U вы x = f K – f Э = Е – I K R K = Е – S U БЭ R K = Е – S R K (U в x = + U в x ≈) =
= Е – S R K U в x = – S R K U в x ≈ .
Два первых слагаемых представляют собой постоянное напряжение U вых= , а переменный выходной сигнал равен U вы x ≈ = – S R K U в x ≈ .
Таким образом, в схеме с общим эмиттером при подаче переменного сигнала на базу транзистора обеспечивается формирование на коллекторе такого же переменного сигнала, отличающегося от входного амплитудой и знаком. При прохождении сигнала через схему имеет место сдвиг фазы, равный 180°). Коэффициент передачи схемы по напряжению
K U = | U вы x ≈ /U в x ≈ | = S R K .
Отметим, что использование такого параметра, как крутизна, удобно лишь для объяснения процессов в схеме. В справочниках величина S не приводится, зато обычно имеются входные и выходные вольт-амперные характеристики (зависимости I Б от U БЭ и I К от U КЭ соответственно).
Остановимся еще на некоторых моментах.
Во-первых, следует обсудить функциональное назначение емкостей C p 1 и С p 2 . Эти емкости представляют собой элементарные фильтры высоких частот, обеспечивающие развязку последовательно соединенных схем по постоянному сигналу. Допустим, что усилитель построен по двухкаскадной схеме, т. е. состоит из двух схем с общим эмиттером (выход первой схемы соединен со входом второй). В этом случае, очевидно, надо без потерь передать переменный сигнал с коллектора транзистора первой схемы на базу транзистора второй схемы. Проще всего это можно было бы сделать, соединив электроды двух транзисторов накоротко. Но ведь как напряжение на базе, так и напряжение на коллекторе содержат не только переменные, но и постоянные составляющие, причем разные:
f Б = = U в x = = E (R Б2 / (R Б1 + R Б2));
f K = = U вы x = = Е – S R K U в x = .
Элементом, который пропускает переменный ток, но не пропускает постоянный, является емкость. Именно «разделительная» емкость С p , установленная между двумя каскадами, обеспечивает прохождение переменного сигнала и «развязку» каскадов по постоянному току.
В схеме рис. 5.1 эмиттер заземлен. Обычно это не так: схема с общим эмиттером содержит в цепи эмиттера сопротивление R Э и блокировочный конденсатор С Э. Назначение резистора – обеспечивать термостабилизацию параметров схемы. Дело в том, что при повышении температуры в полупроводниках возрастает подвижность носителей зарядов и их концентрация, в результате чего возрастает ток эмиттера, а значит и ток коллектора. Чтобы вернуть токи в исходное (до нагрева) состояние, надо частично закрыть переход эмиттер-база, а для этого увеличить f Э при неизменном f Б. Если эмиттер заземлен, то изменить f Э невозможно, а если имеется сопротивление R Э – задача решается очень легко: f Э = I Э R Э, поэтому с ростом I Э обеспечивается нужный эффект увеличения потенциала эмиттера. К сожалению, наличие R Э вызовет минимизацию изменений тока I Э не только на инфранизких частотах температурного дрейфа, но и на частотах сигнала, усиление схемы резко снизится. Поэтому необходимо зашунтировать R Э на частотах сигнала, применив для этой цели блокировочный конденсатор. На частотах температурного дрейфа С Э представляет собой большое сопротивление и не влияет на механизм термостабилизации; с возрастанием f превращается в короткое замыкание.
Теперь оговорим, какими параметрами обладает схема с ОЭ.
1. Коэффициент передачи (усиления) по напряжению K U = SR K обычно достигает единиц-десятков раз.
 |
| Рис. 5.2 |
2. Амплитудная характеристика (АХ) – зависимость U вы x ≈ от U в x ≈ (рис. 5.2). Линейный участок АХ имеет наклон α, связанный с коэффициентом передачи соотношением K U = tg α. При малых уровнях входного сигнала U вы x ≈ определяется уровнем шума U ш, при очень больших (U в x > > U лин m ax) – примерно равен уровню коллекторного питания.
3. Коэффициент передачи по току K I равен отношению выходного тока ко входному. Выходным электродом является коллектор, входным – база, поэтому К I = I K /I Б. Но I Б << I Э, а I К = I Э, отсюда K I >> 1.
4. Коэффициент передачи по мощности K P = K U K I , как следствие, весьма значителен.
5. Сдвиг фаз в схеме равен 180°.
6. Входное сопротивление R в x схемы определяется параллельным соединением сопротивлений R Б1 , R Б2 и эквивалентного сопротивления р –n -перехода эмиттер – база: r БЭ = I Б /U БЭ.Обычно значения R Б1 и R Б2 , необходимые для работы схемы, а также r БЭ составляют килоомы – десятки килоом, поэтому и входное сопротивление равно килоомам.
7. Выходное сопротивление ненагруженной схемы R вы x определяется в первую очередь значением сопротивления R K (сотни ом – единицы килоом), а также эквивалентным сопротивлением транзистора r КЭ = I К /U КЭ (обычно порядок r КЭ – килоомы).
8. Амплитудно-частотная характеристика K U = K U (f ), где f – частота (рис. 5.3). АЧХ имеет на средних частотах равномерный участок, параллельный оси частот. На низких частотах, где емкости C p 1 и С p 2 еще не являются короткими замыканиями и часть сигнала падает на них, АЧХ имеет спад. Дополнительной причиной спада АЧХ на низких частотах является наличие R Э,
Низкочастотная коррекция (НЧК) осуществляется разделением коллекторного сопротивления (рис. 5.4) на два: R K 1 и R K 2 . Средняя точка делителя через емкость C ф соединяется с землей. На низких частотах C ф представляет собой большое сопротивление, и ее можно не учитывать при определении коэффициента усиления схемы, который определяется как K U = S (R K 1 + R K 2). На средних и высоких частотах C ф превращается в короткое замыкание и шунтирует R K 2 , поэтому коэффициент усиления снижается и равен K U = SR K 1 .
C ф выполняет также функцию фильтра, не допускающего переменный сигнал в источник питания (именно поэтому он помечен индексом «ф»).
Высокочастотная коррекция осуществляется двумя различными способами. Во-первых, последовательно с R K ставят индуктивность L (рис. 5.5) – такой способ называется индуктивной высокочастотной коррекцией (ИВЧК). В этом случае при любом значении индуктивности коэффициент усиления схемы возрастает с ростом частоты, так как
K U
= S
=
= S
.
 |
| Рис. 5.5 |
 |
| Рис. 5.6 |
Второй способ высокочастотной коррекции – эмиттерная (ЭВЧК) не предусматривает введение в схему дополнительных элементов, а лишь существенное уменьшение значения емкости C Э. Независимо от своего значения эта емкость не шунтирует R Э на инфранизких частотах температурного дрейфа, поэтому механизм термостабилизации не нарушается. Но маленькая C Э (при малых значениях ее уже не принято называть блокировочной) не шунтирует R Э и на низких и средних частотах сигнала, при этом K U снижается.
Только на высоких частотах C Э закорачивает эмиттерное сопротивление и коэффициент усиления начинает возрастать – как раз тогда, когда в силу других причин он снижается. ЭВЧК из-за отсутствия индуктивности находит все более широкое применение, хотя обладает существенным недостатком – уменьшением K U усилителя на низких и средних частотах.
Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером приведена на рис. 6.13:
В транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, имеет место усиление не только по напряжению, но и по току. Входными параметрами для схемы с общим эмиттером будут ток базы I Б , и напряжение на базе относительно эмиттера U БЭ, а выходными характеристиками будут ток коллектора I К и напряжение на коллекторе U КЭ . Для любых напряжений:
|
U КЭ = U КБ + U БЭ |
Отличительной особенностью режима работы с ОЭ является одинаковая полярность напряжения смещения на входе (базе) и выходе (коллекторе): отрицательный потенциал в случае pnp -транзистора и положительный в случае npn -транзистора. При этом переход база-эмиттер смещается в прямом направлении, а переход база-коллектор – в обратном.
Ранее при анализе
биполярного транзистора в схеме с общей
базой была получена связь между током
коллектора и током эмиттера в следующем
виде:
.
В схеме с общим эмиттером дляpnp
-транзистора
(в соответствии с первым законом Кирхгофа)
(6.1):
,
отсюда получим:
Коэффициент α/(1-α) называется коэффициентом усиления по току биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером . Обозначим этот коэффициент знаком β , итак:
|
|
.Коэффициент передачи тока для транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером β показывает, во сколько раз изменяется ток коллектора I К при изменении тока базы I Б. Поскольку величина коэффициента передачи α близка к единице (α <1), то из уравнения (6.38) следует, что коэффициент усиления β будет существенно больше единицы (β >>1). При значениях коэффициента передачи α =0,98÷0,99 коэффициент усиления тока базы будет лежать в диапазоне β =50÷100.
6.2.1 Статические вольт-амперные характеристики транзистора, включенные по схеме с общим эмиттером
Рассмотрим ВАХ pnp -транзистора в режиме ОЭ (рис. 6.13, 6.14).
При U
КЭ
=0
.
Сувеличением
напряжения U
БЭ
концентрация
на переходе ЭБ растет
(рис. 6.15,а),
градиент концентрации инжектированных
дырок растет, диффузионный ток дырок,
как и в прямо смещенном pn
-переходе,
растет экспоненциально (т. А) и отличается
от тока эмиттера только масштабом
(6.36).
При обратных напряжениях на коллекторе и фиксированном напряжении на ЭП |U БЭ | (рис. 6.15,б) постоянной будет и концентрация дырок в базе вблизи эмиттера. Увеличение напряжения U КЭ будет сопровождаться расширением ОПЗ коллекторного перехода и уменьшением ширины базы (эффект Эрли) и, следовательно, уменьшением общего количества дырок, находящихся в базе.
При этом градиент
концентрации дырок в базе будут расти,
что приводит к дальнейшему уменьшению
их концентрации. Поэтому число рекомбинаций
электронов и дырок в базе в единицу
времени уменьшается (возрастает
коэффициент переноса
).
Так как электроны для рекомбинации
приходят через базовый вывод, ток базы
уменьшается и входные
ВАХ смещаются вниз
.
При U БЭ =0 и отрицательном напряжении на коллекторе (U кб << 0) ток через эмиттерный переход равен нулю, в базе транзистора концентрация дырок меньше равновесной, так как у КП эта концентрация равна нулю, а у ЭП ее величина определяется равновесным значением. Через коллекторный переход протекает ток экстрагированных из коллектора дырок I КЭ 0 .
В базе, как и в pn -переходе при обратном смещении, процесс тепловой генерации будет преобладать над процессом рекомбинации. Генерированные электроны уходят из базы через базовый вывод, что означает наличие электрического тока, направленного в базу транзистора (т. В). Это – режим отсечки , он характеризуется сменой направления тока базы.
Выходные ВАХ.
В активном
режиме
(|U
КЭ
|>
|U
БЭ
|>0
)
поток инжектированных эмиттером дырок
p
экстрагируется коллекторным переходом
также, как и в режиме ОБ, с коэффициентом
.
Часть дырок(1-α)
p
рекомбинирует в базе в электронами,
поступающими из омического контакта
базы.
При увеличении тока базы отрицательный заряд электронов уменьшает потенциальный барьер эмиттерного перехода, вызывая дополнительную инжекцию дырок в базе.
Проанализируем, почему малые изменения тока базы I Б вызывают значительные изменения коллекторного тока I К. Значение коэффициента β , существенно большее единицы, означает, что коэффициент передачи α близок к единице. В этом случае коллекторный ток близок к эмиттерному току, а ток базы (по физической природе рекомбинационный) существенно меньше и коллекторного и эмиттерного тока. При значении коэффициента α = 0,99 из 100 дырок, инжектированных через эмиттерный переход, 99 экстрагируются через коллекторный переход, и лишь одна прорекомбинирует с электронами в базе и даст вклад в базовый ток.
Увеличение базового тока в два раза (должны прорекомбинировать две дырки) вызовет в два раза большую инжекцию через эмиттерный переход (должно инжектироваться 200 дырок) и соответственно экстракцию через коллекторный (экстрагируется 198 дырок). Таким образом, малое изменение базового тока, например, с 5 до 10 мкА, вызывает большие изменения коллекторного тока, соответственно с 500 мкА до 1000 мкА. Ток базы стократно вызывает увеличение тока коллектора.
По аналогии с (6.34) можно записать:
|
|
Учитывая
(6.1):
,
получим:
|
|
Учитывая, что
|
| |
,
а 
где
- сквозной тепловой ток отдельно взятого
коллекторногоpn
-перехода
в режиме оторванной базы (при
,
т. С, режим отсечки
).
За счет прямого смещения базового
перехода (рис. 6.16) ток 
много больше теплового тока коллектора
I
к
0 .
|
|
|
Рис. 6.16 U БЭ =const,U КЭ – переменное |
В режиме насыщения
база должна
быть обогащена неосновными носителями.
Критерием этого режима является
равновесная концентрация носителей на
КП (U
КБ
=0
).
В силу уравнения U
КЭ
=
U
КБ
+
U
БЭ,
равенство напряжения на коллекторном
переходе нулю может иметь место при
небольших отрицательных напряжениях
между базой и эмиттером. При U
КЭ
0
иU
БЭ
<0,
оба перехода смещаются в прямом
направлении, их сопротивление падает.
При
малых напряжениях на коллекторе (U
КЭ
<
U
БЭ
)
U
КБ
меняет
свой знак, сопротивление коллекторного
перехода резко уменьшается, коллектор
начинает инжектировать дырки в базу.
Поток дырок из коллектора компенсирует
поток дырок из эмиттера. Ток коллектора
меняет свой знак (на выходных ВАХ эта
область обычно не показывается).
При больших напряжениях на коллекторе возможен пробой коллекторного перехода за счет лавинного умножения носителей в ОПЗ (т. D). Напряжение пробоя зависит от степени легирования областей транзистора. В транзисторах с очень тонкой базой возможно расширение ОПЗ на всю базовую область (происходит прокол базы).
Сравнивая выходные ВАХ транзистора, включенного по схеме с ОЭ и ОБ (рис. 6.17), можно заметить две наиболее существенные особенности: во-первых, характеристики в схеме с ОЭ имеют больший наклон, свидетельствующий об уменьшении выходного сопротивления транзистора и, во-вторых, переход в режим насыщения наблюдается при отрицательных напряжениях на коллекторе.
Рост тока коллектора
с увеличением U
КЭ
определяется
уменьшением ширины базы. Коэффициенты
переноса æ
и передачи
тока эмиттера α
растут, но коэффициент передачи тока
базы в схеме с ОЭ
растет
быстрееα
.
Поэтому при постоянном токе базы ток
коллектора увеличивается сильнее, чем
в схеме с ОБ.
|
|
|
|
Рис. 6.23 Выходные характеристики pnp -транзистора а – в схеме с ОБ, б – в схеме с ОЭ |
|
6.3 Включение транзистора по схеме с общим коллектором
Если входная и выходная цепи имеют общим электродом коллектор (ОК) и выходным током является ток эмиттера, а входным ток базы, то для коэффициента передачи тока справедливо:
|
|
Вв таком включении коэффициент передачи тока несколько выше, чем во включении ОЭ, а коэффициент усиления по напряжению незначительно меньше единицы, так как разность потенциалов между базой и эмиттером практически не зависит от тока базы. Потенциал эмиттера практически повторяет потенциал базы, поэтому каскад, построенный на основе транзистора с ОК, называют эмиттерным повторителем . Однако этот тип включения используется сравнительно редко.
Сопоставляя полученные результаты, можно сделать выводы :
Схема с ОЭ обладает высоким усилением как по напряжению, так и по току, У нее самое большое усиление по мощности. Отметим, что схема изменяет фазу выходного напряжения на 180. Это самая распространенная усилительная схема.
Схема с ОБ усиливает напряжение (примерно, как и схема с ОЭ), но не усиливает ток. Фаза выходного напряжения по отношению к входному не меняется. Схема находит применение в усилителях высоких и сверхвысоких частот.
Схема с ОК (эмиттерный повторитель) не усиливает напряжение, но усиливает ток. Основное применение данной схемы - согласование сопротивлений источника сигнала и низкоомной нагрузки.
Усилитель представляет собой четырехполюсник, два вывода которого предназначены для подключения входного сигнала и два оставшихся вывода служат для снятия с них усиленного сигнала (напряжения или тока). У транзистора же есть только три вывода, поэтому для реализации четырехполюсника приходится один из выводов подключать как ко входу, так и к выходу усилителя. В зависимости от того, какой вывод транзистора является общим как для входа, так и для выхода усилителя, схемы включения транзистора называются:
- Схема с общим эмиттером
- Схема с общей базой
- Схема с общим коллектором
Следует отметить, что данные схемы включения применяются не только для биполярных транзисторах, но и для всех типов полевых транзисторов. В них эти схемы будут называться схемами с общим истоком, общим затвором и общим стоком соответственно. Во всех последующих схемах границы четырехполюсника усилителя будут показаны пунктирной линией. Для подключения источника сигнала и нагрузки в них предусмотрено по два вывода.
Схема с общим эмиттером
Наиболее распространенной схемой включения транзистора является (ОЭ). Это связано с наибольшим усилением этой схемы по мощности. Схема с общим эмиттером обладает усилением, как по напряжению, так и по току. Функциональная схема включения транзистора с общим эмиттером приведена на рисунке 1.
Рисунок 1. Функциональная схема включения транзистора с общим эмиттером
На данной схеме цепи питания коллектора и базы транзистора не показаны. Мы рассмотрим их позднее при подробном изучении с общим эмиттером. Входное сопротивление схемы включения транзистора с общим эмиттером определяется входной характеристикой транзистора. Оно зависит от базового, а, следовательно, и коллекторного тока транзистора. Для большинства маломощных усилителей оно составляет значение порядка 2,5 кОм.
Схема с общей базой
Схема с общим коллектором
Обычно применяется для получения высокого входного сопротивления. Коэффициент усиления по мощности данной схемы включения транзистора меньше по сравнению со схемой с общим эмиттером и соизмерим с коэффициентом усиления схемы с общей базой. Это связано с тем, что схема включения транзистора с общим коллектором не усиливает по напряжению. В данной схеме производится усиление только по току. Функциональная схема включения транзистора с общим коллектором приведена на рисунке 3.
Рисунок 3. Функциональная схема включения транзистора с общим коллектором
На схеме, приведенной на рисунке 5, цепи питания коллектора и базы не показаны. В качестве входного сопротивления схемы включения транзистора с общим коллектором служит сумма сопротивления базы транзистора (как в схеме с общим эмиттером) и пересчитанного ко входу сопротивления в цепи эмиттера, поэтому входное сопротивление схемы с общим коллектором очень велико. Её входное сопротивление самое большое из всех схем включения транзистора.
Литература:
Вместе со статьей "Схемы включения транзистора" читают:
http://сайт/Sxemoteh/ShTrzKask/KollStab/
http://сайт/Sxemoteh/ShTrzKask/EmitStab/
