Биполярные транзисторы (стр. 3 из 4)

Если во входную цепь включается источник колебаний, то при изменении его напряжения изменяется ток эмиттера, а следовательно, сопротивление коллекторного перехода rк0. Тогда напряжение источника E2 будет перераспределяться между Rн и rк0. При этом переменное напряжение на peзиcтopе нагрузки Rн может быть получено в десятки раз большим, чем входное переменное напряжение. Изменения тока коллектора почти равны изменениям тока эмиттера и во много раз больше изменений тока базы. Поэтому в данной схеме получается значительное усиление тока и очень большое усиление мощности.

Для большей наглядности рассмотрим работу усилительного каскада с транзистором на числовом примере. Пусть питающие напряжения E1 = 0,2 В и E2 = 12 В, сопротивление резистора нагрузки Rн = 4кОм и сопротивление транзистора r0 при отсутствии колебаний на входе также равно 4 кОм, т.е. полное сопротивление коллекторной цепи равно 8 кОм. Тогда ток коллектора, который можно приближенно считать равным току эмиттера, составляет

Напряжение E2 разделится пополам, напряжение на Rн и на r0 будет по 6 В.

Пусть oт источника колебаний на вход поступает переменное напряжение с амплитудой 0,1 В. Максимальное напряжение на участке база – эмиттер при положительной полуволне становится равным 0,3 В. Предположим, что под влиянием этого напряжения ток эмиттера возрастает до 2,5 мА. Таким же практически станет и ток коллектора. Он создаст на резисторе нагрузки падение напряжения 2,5·4=10В, а падение напряжения на сопротивлении r0 транзистора уменьшится до 12–10 = 2 В. Следовательно, это сопротивление уменьшится до 2:2,5 = 0,8 кОм.

Через полпериода, когда источник колебаний даст напряжение, равное – –0,1 В, произойдем обратное явление. Минимальное напряжение база – эмиттер станет 0,2–0,1=0,1 В. Токи эмиттера и коллектора уменьшатся до 0,5 мА. На резисторе Rн падение напряжения уменьшится до 0,5·4=2 В, а на сопротивлении r0 оно возрастет до 10 В. Следовательно, это сопротивление увеличится до 10:0,5=20 кОм.

Таким образом, подача на вход транзистора переменного напряжения с амплитудой 0,1 В вызывает изменение сопротивления от 0,8 до 20 кОм. При этом напряжения на резисторе нагрузки и на транзисторе изменяются на 4 В в ту и другую сторону (от 10 до 2 В). Следовательно, выходное напряжение имеет амплитуду колебаний 4 В, т. е. оно в 40 раз больше входного напряжения. Этот числовой пример является приближенным, так как на самом деле зависимость между током коллектора и входным напряжением нелинейна.

Следующие уравнения:

входное напряжение

;

напряжение на участке база – эмиттер

где ;

ток коллектора

напряжение на нагрузке

где

и

напряжение на выходе

где

3.1. Схемы включения транзисторов (ОБ, ОК, ОЭ)

Применяют три основные схемы включения транзисторов в усилительные или иные каскады. В этих схемах один из электродов транзистора является общей точкой входа и выхода каскада. Во избежание ошибок при этом надо помнить, что под входом (выходом) понимают точки, между которыми действует входное (выходное) переменное напряжение. Не следует рассматривать вход и выход по постоянному напряжению.

Основные схемы включения транзисторов называются соответственно схемами с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК). Принцип усиления колебаний во всех этих каскадах одинаков, но свойства схем различны.

3.2. Схема с общим эмиттером (ОЭ)

Эта схема изображена на рис. 5.7 и является наиболее распространенной, т.к. она дает наибольшее усиление по мощности.

Коэффициент усиления по токуki – это отношение амплитуд (или действующих значений) выходного и входного переменного тока, т. е. переменных составляющих токов коллектора и базы:

.

Усилительные свойства транзистора при включении его по схеме ОЭ характеризует один из главных его параметров – статический коэффициент усиления по току (или коэффициент передачи тока) для схемы ОЭ, обозначаемый b. Поскольку он должен характеризовать только сам транзистор, то его определяют в режиме без нагрузки (Rн=0), т. е. при постоянном напряжении участка коллектор-эмиттер:

, при uк-э=const.

Коэффициент усиления каскада по напряжению равен отношению амплитудных или действующих значений выходного и входного переменного напряжения. Входным является переменное напряжение база - эмиттер Uб-э, а выходным - переменное напряжение на резисторе нагрузки UR, что соответствует напряжению между коллектором и эмиттером Uк-э:

Коэффициент усиления каскада по мощностиkp представляет собой отношение выходной мощности к входной. Каждая из этих мощностей определяется половиной произведения амплитуд соответствующих токов и напряжений:

поэтому

Важной величиной для транзистора является его входное сопротивление, которое определяется по закону Ома. Для схемы ОЭ

Каскад по схеме ОЭ при усилении переворачивает фазу напряжения, т. е. между выходным и входнымнапряжением имеется фазовый сдвиг 180°.

Достоинство схемы ОЭ – удобство питания ее от одного источника, поскольку на коллектор и базу подаются питающие напряжения одного знака.

Недостатки данной схемы – худшие по сравнению со схемой ОБ частотные и температурные свойства. С повышением частоты усиление в схеме ОЭ снижается в значительно большей степени, нежели в схеме ОБ. Режим работы схемы ОЭ сильно зависит от температуры.

Схема с общей базой (ОБ)

Схема с ОБ показана на рис. 5.10. Эта схема дает значительно меньшее усиление no мощности и имеет еще меньшее входное сопротивление, чем схема ОЭ, все же ее иногда применяют, так как по своим частотным и температурным свойствам она значительно лучше схемы ОЭ.

Коэффициент усиления по току каскада ОБ всегда несколько меньше единицы:

.к. ток коллектора всегда лишь немного меньше тока эмиттера.

Статический коэффициент усиления по току (коэффициент передачи тока), для схемы ОБ обозначается a. Он определяется для режима без нагрузки (Rн=0), т. е. при постоянном напряжении коллектор-база:

, при uк-б=const.

Чем ближе a к 1, тем лучше транзистор. Коэффициент усиления по току ki, для каскада ОБ всегда немного меньше а, т.к. при включении Rн ток коллектора уменьшается.

Коэффициент усиления по напряжению определяется формулой:

Коэффициент усиления по мощностиkp=ki · ku. Поскольку ,

то .

Входное сопротивление для схемы ОБ:

Входное сопротивление получается в десятки раз меньшим, чем в схеме ОЭ, поскольку напряжение Umб-э равно напряжению Umэ-б, а ток Imэ в десятки раз больше тока Imб.

Для схемы ОБ фазовый сдвиг между выходным и входным напряжением отсутствует, т. е. фаза напряжения при усилении не переворачивается.

Достоинство данной схемы включения в том, что каскад по схеме ОБ вносит при усилении меньшие искажения, чем каскад по схеме ОЭ.

3.3. Схема с общим коллектором (ОК)

Схема с ОК показана на рис. 5.11. Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь.

Входное напряжение равно сумме переменного напряжения база-эмиттер uб-э и выходного напряжения:

Коэффициент усиления по току каскада ОК определяется по формуле: