Усилительные свойства биполярного транзистора

Усилительные свойства транзистора можно характеризовать тремя параметрами:

- коэффициентом усиления по току ;

- коэффициентом усиления по напряжению ;

- коэффициентом усиления по мощности ,

где - амплитуды или действующие значения входного и выходного переменного токов и напряжений.

Для расчета усилительных свойств во входную цепь транзистора во всех трех схемах включения включается генератор ЭДС для задания переменного входного сигнала, а во выходную цепь - нагрузочный резистор R_K, на котором выделяется переменный выходной сигнал (см. рис. 3.4-3.6).

3.5.1. Схема с ОБ.

В схеме с общей базой (рис.3.4, а) входным током является переменная составляющая тока эмиттера , создаваемая входным напряжением : , а выходным током – переменная составляющая тока коллектора , поэтому коэффициент усиления по току:

, (3.21)

определяется коэффициентом передачи тока эмиттера транзистора . Таким образом, схема с ОБ не является усилителем тока, что является недостатком этой схемы.

Рис. 3.4. Схема включения транзистора с ОБ в усилительный каскад (а) и эквивалентная схема коллекторной цепи (б).

Рассмотрим теперь усиление по напряжению . Выходным является переменное напряжение, выделяемое на эквивалентном выходном сопротивлении транзистора при протекании тока . На рисунке 3.4, б показана эквивалентная схема выходной цепи транзистора. Из эквивалентной схемы видно, что по переменному току сопротивление нагрузки R_K включено параллельно дифференциальному выходному сопротивлению транзистора в схеме с ОБ:

. (3.22)

Таким образом, выходное напряжение определится выражением .

Входное напряжение выделяется на входном сопротивлении транзистора: ,

где (3.23)

называется входным дифференциальным сопротивлением транзистора в схеме с ОБ. Тогда с учетом (3.22) и (3.23) имеем:

. (3.24)

На практике для исключения влияния сопротивления на усилительные свойства транзистора его выбирают из условия . Сопротивление определяется сопротивлением обратно смещенного коллекторного р-п перехода, которое, как известно, составляет величину более 10⁶ Ом. Тогда сопротивление R_K может быть порядка 10⁴ Ом. Входное дифференциальное сопротивление транзистора определяется сопротивлением прямо смещенного эмиттерного р-п перехода и составляет менее 10² Ом. Учитывая все это получим, что коэффициент усиления по напряжению в схеме с ОБ

и составляет сотни раз. Таким образом, схема с ОБ является хорошим усилителем по напряжению и по мощности, так как .

Малое значение входного и большое значение выходного дифференциальных сопротивлений схемы с ОБ является его существенным недостатком.

Хотя схема с ОБ и не усиливает по току и обладает малым входным и большим выходным сопротивлениями, она, как будет показана далее, обладает хорошими частотными и температурными свойствами, что обуславливает ее применение как усилитель напряжения на практике.

3.5.2. Схема с ОЭ

Эта схема, приведенная на рисунке 3.5, является наиболее распространенной, так как обладает лучшими по сравнению со схемой с ОБ усилительными свойствами.

Рис. 3.5. Схема включения транзистора с ОЭ в усилительный каскад.

В схеме с общим эмиттером входным током является переменная составляющая тока базы , а выходным током – ток коллектора , поэтому коэффициент усиления по току:

, (3.25)

т.е. определяется коэффициентом передачи тока базы и составляет десятки и сотни.

Аналогично схеме с ОБ, для коэффициента усиления по напряжению получим:

, (3.26)

где (3.27)

называется входным дифференциальным сопротивлением транзистора в схеме с ОЭ, а (3.28) называется выходным дифференциальным сопротивлением транзистора в схеме с ОЭ. Знак «минус» в (3.26) означает, что выходное напряжение в схеме с ОЭ противофазно входному напряжению. Учитывая (3.27), (3.23) и (3.14) можно получить, что

, (3.29)

т.е. входное дифференциальное сопротивлениетранзистора в схеме с ОЭ значительно выше, чем в схеме с ОБ и составляет килоомы.

Дифференциальное выходное сопротивление транзистора в схеме с ОЭ , наоборот, существенно ниже по сравнению со схемой с ОЭ и обычно ниже 10⁵ Ом. Можно показать, что . (3.30)

Для выполнения условия , сопротивление R_K должно быть порядка 10³ Ом. Тогда , т.е определяется коэффициентом передачи тока базы и составляет сотни раз как и в схеме с ОБ.

Коэффициент усиления по мощности составит величину порядка 10⁴ и более раз. Таким образом, достоинством схемы с ОЭ являются сравнительно большое входное сопротивление и высокий коэффициент усиления по мощности.

Недостатком этой схемы по сравнению с ОБ является худшие частотные и температурные свойства. Ниже будет показано (см. раздел 7.1), что с повышением частоты переменного сигнала усиление в схеме с ОЭ снижается в значительно большей степени, чем в схеме с ОБ. Режим работы транзистора в схеме с ОЭ также сильно зависит от температуры (см. раздел 6.4), что обусловлен большим обратным тепловым током в этой схеме.

3.5.3. Схема с ОК

На практике вместо схемы 3.2, в широко используется схема включения транзистора с ОК, приведенная на рисунке 3.6. В этой схеме, действительно, коллектор транзистора является общей точкой относительно входной и выходной цепей, так как источник смещения V_ЭК по переменному току практически является короткозамкнутым. Преимуществом этой схемы также является то, что питание цепи коллектора, как и в схемах с ОБ и ОЭ в отличие от схемы рисунка 3.2, в, осуществляется положительным полюсом.

Рис. 3.6. Схема включения транзистора с ОК в усилительный каскад.

Из рисунка 3.6 следует, что выходное напряжение полностью обратно передается в противофазе на вход и, поэтому, в этой схеме действует сильная отрицательная обратная связь. Из второго правила Кирхгофа для входной цепи следует, что входное напряжение равно сумме переменного напряжения база-эмиттер и выходного напряжения:

. (3.31)

Из (3.31) следует, что коэффициент усиления по напряжению схемы с ОК

, (3.32)

т.е схема с ОК не усиливает по напряжению, что является недостатком этой схемы. В реальных схемах U_БЭ обычно не более десятых долей вольта и намного меньше , поэтому К_U близок к единице.

Зато коэффициент усиления по току в этой схеме

(3.33)

намного больше единицы. Таким образом, схема с ОК является хорошим усилителем по току. Коэффициент усиления по мощности практически равен коэффициенту усиления по току, т.е. схема с ОК также хорошо усиливает и по мощности.

Входное сопротивление схемы с ОК

(3.34)

составляет десятки кОм, что является важным достоинством схемы. Действительно, в (3.34) отношение определяет входное сопротивление транзистора в схеме с ОЭ и составляет единицы кОм, а вторая часть в (3.34), учитывая, что , десятки раз превышает входное сопротивление схемы с ОЭ. Выходное сопротивление схемы с ОК, наоборот, сравнительно небольшое и, как показывают расчеты, составляет сотни Ом.

Схема с ОК, благодаря сильной отрицательной обратной связи, обладает высокой стабильностью параметров, высокой температурной устойчивостью, что является достоинством схемы. Часто схему с ОК называют эмиттерным повторителем, так как входное напряжение практически без искажений повторяется в цепи эмиттера.

Схема с ОК находит применение в качестве усилителей тока и мощности и благодаря высокому входному и малому выходному сопротивлениям применяется для межкаскадного согласования по сопротивлению в многокаскадных схемах. Однако отсутствие усиления по напряжению ограничивает практическое применение этой схемы по сравнению со схемами с ОБ и, особенно, с ОЭ.

Контрольные вопросы

1. Нарисуйте структуру биполярного транзистора.

2. Назовите схемы включения биполярного транзистора и режимы его работы.

3. Что такое коэффициент инжекции и коэффициент переноса носителей тока и как они зависят от удельной электрической проводимости областей транзистора?

4. Какие составляющие имеют токи эмиттера, коллектора и базы биполярного транзистора?

5. Напишите выражения, устанавливающие связь между токами биполярного транзистора.

6. За счет чего происходит усиление по мощности входного сигнала в схеме включения биполярного транзистора с общей базой?

7. Проведите сравнительный анализ усилительных свойств транзистора в схемах с ОБ, ОЭ и ОК.

Дата добавления: 2015-05-06