Транзистор в режиме усиления

При использовании транзистора в качестве усилителя в его выходную цепь включается нагрузка, сопротивление которой будем для простоты считать чисто активным. На рис.14 усилитель на транзисторе изображен в обобщенном виде как четырехполюсник: в выходную цепь включено сопротивление нагрузки Rн; во входной цепи действует источник сигнала, создающий переменное напряжение, , которое должно быть усилено.

Три возможные схемы включения транзистора в качестве усилителя представлены на рис.15. В схемах с ОБ и с ОЭ сопротивление нагрузки Rн включено в коллекторную цепь последовательно с источником коллекторного напряжения , в схеме с ОК нагрузка включена в цепь эмиттера. Во входные цели включены источники усиливаемого напряжения и напряжения смещения , (ОБ) или (ОЭ, ОК), позволяющие установить рабочую точку на практически линейном участке характеристики, где искажения при усилении минимальны.

Основные параметры режима усиления.

Основным параметрами, характеризующими режим усиления, является следующие:

1) коэффициент усиления по току ,

2) коэффициент усиления по напряжению ,

3) коэффициент усиления по мощности ,

4) входное сопротивление

5) выходное сопротивление

Нагрузочные характеристики транзистора.

Характеристики транзистора при наличии нагрузки называются нагрузочными характеристиками. Они имеют иной вид, чем статические характеристики, так как в данном режиме выходное напряжение не остаётся постоянным.. Напряжение коллектора при наличии сопротивления R_Н в его цепи и ток коллектора I_К связаны соотношением:

или (31)

Это выражение, являющееся уравнением прямой, и представляет собой выходную нагрузочную характеристику транзистора. Эта прямая пересекает оси координат в точках при U_к= 0 и при . Нагрузочная характеристика строится на семействе выходных статических характеристик транзистора (рис.16).

Для получения входной нагрузочной характеристики транзистора перенесем на семейство входных статических характеристик точки А,B,С полученной нами выходной нагрузочной характеристики. Соединяя эти точки плавной кривой (рис.17), получим требуемую характеристику.

В схеме ОЭ входные статические характеристики в активном режиме практически сливаются и в справочниках обычно приводится лишь одна характеристика для достаточно большого напряжения U_КЭ, и ее можно принять в качестве входной нагрузочной характеристики.

По построенным нагрузочным характеристикам можно произвести расчет режима усиления: выбрать область неискаженного усиления, определить напряжение или ток смещения, допустимую амплитуду сигнала, входную и выходную мощность, коэффициент усиления по току, напряжению и мощности.

Связь коэффициентов усиления с h-парамнтрами.

В нагруженном режиме к уравнениям,связывающим приращения токов и напряжений добавляется еще одно, связывающее приращение выходного тока и напряжения согласно нагрузочной характеристике:

,

Три уравнения связывают четыре переменные, таким образом, только одна из них является независимой. Исключая из этих уравнений те или другие величины получаем

(32)

(33)

Обычно

h₂₂<<1/R_Н, (34)

h₁₁/R_Н>>h₁₂h₂₁, (35)

тогда

(32а)

(33а)

(36)

Усилительные свойства транзистора

при различных способах включения.

Для маломощного транзистора можно взять следующие типичные значения h-параметров

в схеме с ОБ:

в схеме с ОЭ

в схеме с ОК

Чтобы выполнялись условия (34), (35) положим R_н=30кОм для схемы ОБ и 2кОм для схем ОЭ. Тогда получим

Для схемы с ОБ:

K_I=0.98, K_U= - 0.98*10³»1000 K_P»1000

Недостатком схемы с ОБ является низкое входное сопротивление, затрудняющее согласования ступеней усиления.

Для схемы с ОЭ:

K_I=50, K_U= - 66.7»70 K_P»3500

Благодаря более высокому входному сопротивлению и более высокому усилению по мощности схема с ОЭ получила на практике самое широкое распространение.

В схеме с ОК на эмиттерном переходе действует напряжение , равное разности между входным и выходным напряжениями.Поэтому коэффициент усиления по напряжению схемы с ОК всегда меньше единицы:

.

.

Условие (35) в схеме ОК не выполняется, обычно , и коэффициент усиления по напряжению близок к единице.

Коэффициент усиления по току: .

Схема с ОК отличается высоким входным и низким выходным сопротивлением:

или .

Схему с ОК называют также эмиттерным повторителем. Эта схема применяется в основном для согласования источника сигнала с большим входным сопротивлением с нагрузкой, имеющим малое сопротивление, при осуществлении усиления по току.

Основные способы задания рабочей точки на входных ВАХ БТ.

На рис.15 для задания рабочего режима входной и выходной цепей используется два источника питания На практике обычно применяется один источник питания – E_к, а режим по постоянному току входной цепи осуществляется схемным путем. На рис.18 приведены некоторые способы задания рабочей точки при включении по схеме с общим эмиттером. Разделитерные конденсаторы С₁, С₂, С_Э выбираются с достаточно большой емкостью, их сопротивлением в рабочей области частот можно пренебречь.

Простейшая схема приведена на рис.18 а. Эта схема с фиксированным током базы, она называется также схемой со стабилизацией тока базы, т.к. при достаточно большом E_К (E_К>>U_БЭ) I_Б не меняется при изменении U_БЭ вследствие изменения температуры.

Параметры выбранной рабочей точки входной и выходной цепей могут изменяться при изменении температуры в результате изменения токов I_Э и I_Б вследствие изменения токов I_КБО (ОБ), I_КЭО (ОЭ). Для оценки влияния изменения тока I_КБО (I_КЭО) на ток коллектора I_К используют параметр К_нест – коэффициент нестабильности, определяемый как

К_нест = dI_К /dI_КБО

Простейшая схема не обеспечивает стабильности коллекторного тока при изменении температуры, коэффициент нестабильности велик:

К_нест = dI_К / dI_КБО = 1/(1+h_21Б)=b+1

Схема выбора и стабилизации рабочей точки с резистором между базой и коллектором (рис.18 б) позволяет снизить коэффициента нестабильности в [1+h_21Э×(R_К + R_Б)] раз относительно схемы рис.18 а:

К_нест = (1 + h_21Э)/(1 + h_21Э(R_К + R_Б)).

Однако данная схема приводит к появлению обратной связи по напряжению а также к снижению входного сопротивления транзистора..Для исключения этих явлений (недостатков) сопротивление R_Б разбивают на две части и заземляют среднюю точку через конденсатор

Для стабилизации рабочей точки транзистора наиболее часто применяют схему с делителем напряжения на базе и резистором в цепи эмиттера, показанную на рис.18 в. Сопротивления R₁, R₂ выбираются достаточно малыми, чтобы ток, проходящий через них, во много раз превышал ток базы I_Б, (обычно I_д=(5 ¸10)×I_Б). В этом случае потенциал базы относительно земли почти не зависит от тока базы. В цепь эмиттера включен резистор R_Э, обеспечивающий отрицвтельную обратную связь по постоянному току. Увеличение тока коллектора (эмиттера) вызывает уменьшение разности потенциалов U_БЭ, что приводит обратно к уменьшению тока коллектора I_К.

Эта схема при правильном выборе параметров обеспечивает высокую стабильность рабочей точки и выходных характеристик с изменением температуры; стабильность режима при замене одного транзистора другим.

Анализ схемы приводит к следующему выражению для коэффициента нестабильности

При правильно спроектированной схеме величина R_эh_21э/(R_э+R₁)>>1, тогда К_нест=1+R₁/R_э. Обычно резистор R₂ берут в несколько раз больше, чем входное сопротивление транзистора по переменному току.

Дата добавления: 2014-11-29