Схемы включения биполярных транзисторов

Усилительные свойства биполярного транзистора

Независимо от схемы включения транзистор характе­ризуется тремя коэффициентами усиления:

1. К_I = I_вых/I_вх - по току;

2. К_U = U_вых/U_вх = (I_выхR_н)/(I_вхR_вх) = К_I R_н/R_вх - по напряжению;

3. К_р = Р_вых/Р_вх = (U_вых/I_вых)/(U_вх I_вх) = К_U К_I - по мощности.

Назва­ния схемы включения транзисторов зависит от того, какой из выводов транзисторов будет являться общим для входной и выходной цепей.

Схема включения с общей базой

Любой усилительный транзисторный каскад харак­теризуется двумя основными показателями:

1. коэффициентом усиления по току, равным отношению выходного тока к входному току I_вых/I_вх, для каскада по схеме с общей базой коэффициент усиления по току

α = I_к/I_э,

причем α меньше 1;

2. входным сопротивлением, равным отношению в­ходного напряжения к входному току

R_вхб = U_вх/I_вх = U_бэ/I_э.

Входное сопротивление для каскада по схеме с общей базой (ОБ) (рис. 7.4) мало и составляет десятки ом ввиду того, что входная цепь в этом случае представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора.

Рис.7.4. Включение транзистора по схеме с общей базой

Если сопротивление R_н достаточно велико, то амплитуда переменной составляющей напряжения u_вых значительно больше амплитуды напряжения u_вх, так как i_вых ≈ i_вх. При этом можно утверждать, что схема обеспечивает усиления напряжения, но не обеспечивает усиления тока. Входной ток такой схемы достаточно большой, а соответствующее входное сопротивление мало.

Для схемы с общей базой:

К_I = I_к/I_э = α (α <1);

К_U = α(R_н/R_вх);

R_вх = U_вх/I_вх = U_бэ/I_вх;

К_р = К_UК_I = αα(R_н/R_вх) = α²(R_н/R_вх).

Недо­статки усилительного каскада по схеме с общей базой:

1. каскад не усиливает ток α < 1;

2. обладает малым входным сопротивлением;

3. каскаду требуются для питания два разных источ­ника напряжения.

Достоинства каскада по схеме с общей базой заключа­ются в хороших температурных и частотных свойствах, благодаря которым их применяют на высоких частотах в радиоприемной и телетехнике.

Схема включения с общим эмиттером

Каскад, выполненный по схеме с общим эмиттером (ОЭ), изображенный на рис. 7.5, является наиболее широко распространенным, так как дает наибольшее усиление по мощности.

Рис.7.5. Включение транзистора по схеме с общим эмиттером

В таком каскаде входной ток - ток базы транзистора I_вх = I₆, выходной - ток коллектора I_вых = I_к, входное напряжение - напряжение между базой и эмиттером U_вх = U_бэ, выходное - напряжение коллектор - эмиттер транзистора U_вых = U_кэ.

Коэффициент усиления по току β такого каскада представляет собой отношение выходного переменного тока (или действую­щего значения) к входному переменнному току (или действую­щего значения), т. е. переменных составляющих токов коллектора и базы:

β = I_вых/I_вх = I_к/I_б.

Коэффициент усиления по току β каскада обычно составляет от десятков до сотен для транзисторов ма­лой и средней мощности, а для мощных приборов часто находится в пределах от единиц до десятков.

Входное сопротивление каскада по схеме с ОЭ можно найти по формуле

R_вх.э = U_вх/I_вх = U_бэ/I_б.

Обычно входное сопротивление каскада с ОЭ мало и составляет от сотен до тысяч ом. Поскольку ток коллектора в десятки раз больше тока базы, этим объясняется тот факт, что коэффициент усиления по току составляет десятки единиц. Коэффициент усиления каскада по напряжению равен отношению амплитудных или действующих значений выходного и входного переменного напряжения. Входным является переменное напряжение база-эмиттер транзистора U_бэ, а выходным - переменное напряжение на резисторе нагрузки R_н или, что то же самое, между коллектором и эмиттером биполярного транзистора U_кэ. Напряжение база-эмиттер не превышает десятых долей вольта, а выходное напряжение при достаточном сопротивлении резистора нагрузки и напряжении источ­ника Е_к достигает единиц, а иногда десятков вольт. Поэтому коэффициент усиления каскада по напряжению имеет значение от десятков до сотен. Отсюда следует, что коэффициент усиления каскада по мощности полу­чается равным сотням, тысячам или даже десяткам тысяч. Этот коэффициент представляет собой отношение выходной мощности к мощности, потребляемой входной цепью каскада. Каскад по схеме ОЭ при усилении переворачивает фазу напряжения, т. е. между выход­ным и входным напряжением образуется сдвиг фазы величиной в 180 °. Так как i_вых >> i_вх, а при достаточно большом сопротивлении R_н амплитуда переменной составляющей напряжения u_вых значительно больше амплитуды напряжения u_вх, следовательно, схема обеспечивает усиление и тока, и напряжения. Входной ток схемы достаточно мал, поэтому входное сопротивление больше, чем у схемы с общей базой.

Для схемы с общим эмиттером:

K_I = I_к/I_б = β;

K_U = β(R_н/R_вх);

К_р = K_U K_I = β β(R_н/R_вх) = β²(R_н/R_вх).

Достоинства каскада по схеме с общим эмиттером:

1. большой коэффициент усиления по току;

2. большее, чем у схемы с общей базой, входное со­противление;

3. для питания каскада по такой схеме включения требуются два однополярных источника, что поз­воляет на практике обходиться одним источником питания.

Недостатки усилительного каскада по схеме с общим эмиттером заключаются в худших, чем у каскада по схеме с общей базой, температурных и частотных свойствах. Следует заметить, что каскады по схеме с ОЭ применя­ются наиболее часто за счет своих преимуществ.

Схема включения с общим коллектором

В схеме с общим коллектором (ОК) (рис. 7.6) коллек­тор является общей точкой

Рис.7.6. Включение транзистора по схеме с общим коллектором

входа и выхода, поскольку источники питания базы Еб и коллектора Ек всегда шунтированы конденсаторами большой емкости и для переменного тока могут считаться замкнутыми нако­ротко.

Особенность этой схемы в том, что входное напря­жение полностью передается обратно на вход. Входной ток уси­лительного каскада с ОК - ток базы транзистора, выход­ной - ток эмиттера транзистора, входное напряжение - напряжение, приложенное к переходу база-коллектор, выходное напряжение на переходе коллектор-эмиттер. Отношение выходного тока к входному току каскада можно найти по формуле

I_вых/I_вх = I_э/I_б = (Iк + Iб)/Iб = β+1.

Коэффициент усиления по току каскада с ОК обычно составляет от 10 до 100. Входное сопротивление каскада с ОК можно найти по формуле

R_вх = U_бк/I_б.

Из формулы, можно сделать вывод, что чем меньше ток базы транзистора и больше напряже­ние база-коллектор, тем выше входное сопротивление. Входной ток минимальной величины можно получить, соединив два или более транзисторов по схеме Дарлинг­тона. В общем случае составной транзистор состоит из нескольких транзисторов. Соеди­нение электродов следующее: эмиттер каж­дого последующего транзистора соединен с базой предыдущего, а коллекторы всех транзисторов соединены между собой. Эмит­тером составного транзистора является эмиттер первого транзистора, а базой - база последнего транзистора. На рис. 7.7 показано распределение токов в транзисторе, состоящем из двух транзисторов.

Рис. 7.7. Схема состав­ного транзистора

Коэффициент усиления по току составного тран­зистора можно выразить

β_с = (I_к1 + I_к2)/I_б2 = (β₁I_б1 + β₂I_б2)/I_б2 = [β₁(I_б2 + I_к2) + β₂I_б2]/ I_б2 =

= (β₁I_б2 + β₁I_к2 + β₂I_б2)/ I_б2 = β₁ + β₁β₂ + β₂

Входное сопротивление составного транзистора также увеличивается.

r_э = (U_э1 + U_э2)/I_б2

Для обеспечения состояния насыщения первого транзистора в его коллекторную цепь вклю­чено сопротивление R_к, величина которого должна быть такой, чтобы падение напряжения на этом сопротивлении превышало падение напряжения на втором транзисторе, находящемся в со­стоянии насыщения, т. е.

I_к1R_к > U_эк2.

Составной транзистор аналогичен обычному транзистору с повышенным коэффициентом усиления по току.

Преимуществом использования составного транзистора является чрез­вычайно маленький ток базы, а следовательно, весьма высокое входное сопротивление усилительного каскада по схеме с ОК, недостатком - низкое быстродействие. Низкое быстродействие составного транзистора в линей­ных усилителях звуковой частоты является несуществен­ным, но в высокочастотных и тем более в импульсных устройствах данный недостаток может иметь решающее значение.

Нетрудно увидеть, что входное напряжение равно сум­ме переменного напряжения база-эмиттер транзистора U_бэ и выходного напряжения. Коэффициент усиления по току каскада с общим коллектором почти такой же, как и в каскаде по схеме с ОЭ, т. е. равен нескольким десяткам, однако в отличие от каскада с ОЭ, коэффициент усиления по напряжению каскада по схеме с ОК близок к 1, при­чем всегда меньше ее, т. е. есть каскад не дает усиления по" напряжению. Коэффициент усиления по мощности, поданной на вход транзистора, равен, как и в каскаде по схеме с ОЭ, примерно нескольким десяткам. Рассмотрев полярность переменных напряжений в усилительном каскаде, можно установить, что нет фа­зового сдвига на относительно низких частотах между выходным напряжением U_вых и входным напряжением U_вх, значит, выходное напряжение совпадает по фазе с входным и почти равно ему, т е. выходное напряжение повторяет входное. Данный каскад обычно называют эмиттерным повторителем, потому, что резистор нагрузки включен в вывод эмиттера и выходное напря­жение снимается с эмиттера (относительно корпуса). Так как входная цепь представляет собой закрытый коллекторный переход, входное сопротивление каскада по схеме ОК составляет сотни тысяч ом, так как при увеличении входного напряжения увеличению входного тока препятствует увеличение напряжения u_вых, что является важным достоинством такого включения транзистора.

Выходное сопротивление каскада по схеме с ОК, наоборот, получается сравнительно небольшим, обычно единицы килоом или сотни ом. Эти достоинства каскада по схе­ме с ОК побуждают использовать его для согласования различных устройств по входному сопротивлению.

Недостатком каскада по схеме с ОК является то, что он не усиливает напряжение - коэффициент усиления чуть меньше 1.

Для схемы с общим коллектором:

K_I = I_э/I_б = (I_к + I_б)/I_б = β + 1≈ β;

K_U = K_I (R_н/R_вх) = (β + 1) (R_н/R_вх) < 1;

K_p = K_U K_I = β² (R_н/R_вх) = β² (R_н/βR_н) ≈ β.

Дата добавления: 2014-01-05