БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

4.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В числе электропреобразовательных полупроводниковых приборов, т. е. приборов, служащих для преобразования электрических величин, важное место занимают транзисторы. Они представляют собой полупроводниковые приборы, пригодные для усиления мощности и имеющие три вывода или больше. В транзисторах может быть разное число переходов между областями с различной электропроводностью. Наиболее распространены транзисторы с двумя n- р- переходами, называемые биполярными, так как их работа основана на использовании носителей заряда обоих таков. Первые транзисторы были точечными, но они работали недостаточно устойчиво. В настоящее время изготовляются и применяются исключительно плоскостные транзисторы.

Устройство плоскостного биполярного транзистора показано схематически на рис. 4.1. Он представляет собой пластину германия, или кремния, или другого полупроводника, в которой созданы три области с различной электропроводностью. Для примера взят транзистор типа n- р- n-, имеющий среднюю область с дырочной, а две крайние области — с электронной электропроводностью. Широко применяются также транзисторы типа р- n- р-, в которых дырочной электропроводностью обладают две крайние области, а средняя имеет электронную электропроводность.

Рис. 4.1. Принцип устройства (а) и условное графическое обозначение (б) плоскостного

транзистора

Средняя область транзистора называется базой, одна крайняя область — эмиттером, другая — коллектором. Таким образом, в транзисторе имеются два n- р- перехода: эмиттерный — между эмиттером и базой и коллекторный — между базой и коллектором. Расстояние между ними должно быть очень малым, не более единиц микрометров, т. е. область базы должна быть очень тонкой. Это является условием хорошей работы транзистора. Кроме того, концентрация примесей в базе всегда значительно меньше, чем в коллекторе и эмиттере. От базы, эмиттера и коллектора сделаны выводы.

Для величин, относящихся к базе, эмиттеру и коллектору, применяют в качестве индексов буквы «б», «э» и «к». Токи в проводах базы, эмиттера и коллектора обозначают соответственно I_б, I_э, I_к. Напряжения между электродами обозначают двойными индексами, например напряжение между базой и эмиттером U_б-э, между коллектором и базой U_бк. На условном графическом обозначении транзисторов р-n-р и n-р-n стрелка показывает условное (от плюса к минусу) направление тока в проводе эмиттера при прямом напряжении на эмиттерном переходе.

Транзистор может работать в трех режимах в зависимости от напряжения на его переходах. При работе в активном режиме на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном

— обратное. Режим отсечки, или запирания, достигается подачей обратного напряжения на оба перехода. Если же на обоих переходах напряжение прямое, то транзистор работает в режиме насыщения. Активный режим является основным. Он используется в большинстве усилителей и генераторов. Поэтому мы подробно рассмотрим работу транзистора в активном режиме. Режимы отсечки и насыщения характерны для импульсной работы транзистора и также будут рассмотрены в дальнейшем.

В схемах с транзисторами обычно образуются две цепи. Входная, или управляющая, цепь служит для управления работой транзистора. В выходной, или управляемой, цепи получаются усиленные колебания. Источник усиливаемых колебаний включается во входную цепь, а в выходную включается нагрузка. Для величин, относящихся к входной и выходной цепи, применяют соответственно индексы «вх» и «вых» или 1 и 2.

4.2. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Рассмотрим прежде всего, как работает транзистор, для примера типа n-р-n, в режиме без нагрузки, когда включены только источники постоянных питающих напряжений Е1 и Е2
(рис. 4.2, а). Полярность их такова, что на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном — обратное. Поэтому сопротивление эмиттерного перехода мало и для получения нормального тока в этом переходе достаточно напряжения E1 в десятые доли вольта. Сопротивление коллекторного перехода велико, и напряжение Е2 обычно составляет единицы или десятки вольт. Из схемы на рис. 4.2, а видно, что напряжения между электродами транзистора связаны простой зависимостью

U_к-э = U_к-б + U_б-э (4.1)

При работе транзистора в активном режиме обычно всегда U_б.э <<U_к-б и, следовательно,
U_к-э ~ U_к-б.

Вольт-амперная характеристика эмиттерного перехода представляет собой характеристику полупроводникового диода при прямом токе. А вольт-амперная характеристика коллекторного перехода подобна характеристике диода при обратном токе.

Рис. 4.2. Движение электронов и дырок в транзисторах типа n- р- n и р- n- р

Принцип работы транзистора заключается в том, что прямое напряжение эмиттерного перехода, т. е. участка база — эмиттер (U_б-э), существенно влияет на токи эмиттера и коллектора: чем больше это напряжение, тем больше токи эмиттера и коллектора. При этом изменения тока коллектора лишь незначительно меньше изменений тока эмиттера. Таким образом, напряжение U_б-э т. е. входное напряжение, управляет током коллектора. Усиление электрических колебаний с помощью транзистора основано именно на этом явлении.

Физические процессы в транзисторе происходят следующим образом. При увеличении прямого входного напряжения U_б-э понижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе и соответственно возрастает ток через этот переход — ток эмиттера I_э. Электроны этого тока инжектируются из эмиттера в базу и благодаря диффузии проникают сквозь базу в коллекторный переход, увеличивая ток коллектора. Так как коллекторный переход работает при обратном напряжении, то в этом переходе возникают объемные заряды, показанные на рисунке кружками со знаками «+» и «—». Между ними возникает электрическое поле. Оно способствует продвижению (экстракции) через коллекторный переход электронов, пришедших сюда из эмиттера, т. е. втягивают электроны в область коллекторного перехода.

Если толщина базы достаточно мала и концентрация дырок в ней невелика, то большинство электронов, пройдя через базу, не успевает рекомбинировать с дырками базы и достигает коллекторного перехода. Лишь небольшая часть електронов рекомбинирует в базе с дырками. В результате рекомбинации возникает ток базы. Действительно, в установившемся режиме число дырок в базе должно быть неизменным. Вследствие рекомбинации каждую секунду сколько-то дырок исчезает, но столько же новых дырок возникает за счет того, что из базы уходит в направлении к плюсу источника Е1 такое же число электронов. Иначе говоря, в базе не может накапливаться много электронов. Если некоторое число инжектированных в базу из эмиттера электронов не доходит до коллектора, а остается в базе, рекомбинируя с дырками, то точно такое же число электронов должно уходить из базы в виде тока I_б. Поскольку ток коллектора получается меньше тока эмиттера, то в соответствии с первым законом Кирхгофа всегда существует следующее соотношение между токами:

І_э = І_к + І_б (4.2)

Ток базы является бесполезным и даже вредным. Желательно, чтобы он был как можно меньше. Обычно І_б составляет малую долю (проценты) тока эмиттера, т. е.
І_б <<І_э, а следовательно, ток коллектора лишь незначительно меньше тока эмиттера и можно считать І_к ~ I_э. Именно для того, чтобы ток I_б был как можно меньше, базу делают очень тонкой и уменьшают в ней концентрацию примесей, которая определяет концентрацию дырок. Тогда меньшее число электронов будет рекомбинировать в базе с дырками.

Если бы база имела значительную толщину и концентрация дырок в ней была велика, то большая часть электронов эмиттерного тока, диффундируя через базу, рекомбинировала бы с дырками и не дошла бы до коллекторного перехода. Ток коллектора почти не увеличивался бы за счет электронов эмиттера, а наблюдалось бы лишь увеличение тока базы.

Когда к эмиттерному переходу напряжение не приложено, то практически можно считать, что в этом переходе нет тока. В этом случае область коллекторного перехода имеет большое сопротивление постоянному току, так как основные носители зарядов удаляются от этого перехода и по обе стороны от границы создаются области, обедненные этими носителями. Через коллекторный переход протекает лишь очень небольшой обратный ток, вызванный перемещением навстречу друг другу неосновных носителей,
т. е. электронов из р- области и дырок из n- области.

Но если под действием входного напряжения возник значительный ток эмиттера, то в область базы со стороны эмиттера инжектируются электроны, которые для данной области являются неосновными носителями. Не успевая рекомбинировать с дырками при диффузии через базу, они доходят до коллекторного перехода. Чем больше ток эмиттера, тем больше электронов приходит к коллекторному переходу и тем меньше становится его сопротивление. Соответственно увеличивается ток коллектора. Иначе говоря, с увеличением тока эмиттера в базе возрастает концентрация неосновных носителей, инжектированных из эмиттера, а чем больше этих носителей, тем больше ток коллекторного перехода, т. е. ток коллектора І_к.

По рекомендуемой терминологии эмиттером следует называть область транзистора, назначением которой является инжекция носителей заряда в базу. Коллектором называют область, назначением которой является экстракция носителей заряда из базы. А базой является область, в которую инжектируются эмиттером неосновные для этой области носители заряда.

Следует отметить, что эмиттер и коллектор можно поменять местами (так называемый инверсный режим). Но в транзисторах, как правило, коллекторный переход делается со значительно большей площадью, нежели эмиттерный, так как мощность, рассеиваемая в коллекторном переходе, гораздо больше, чем рассеиваемая в эмиттерном. Поэтому если использовать эмиттер в качестве коллектора, то транзистор будет работать, но его можно применять только при значительно меньшей мощности, что нецелесообразно. Если площади переходов сделаны одинаковыми (транзисторы в этом случае называют симметричными), то любая из крайних областей может с одинаковым успехом работать в качестве эмиттера или коллектора.

Поскольку в транзисторе ток эмиттера всегда равен сумме токов коллектора и базы, то приращение тока эмиттера также всегда равно сумме приращений коллекторного и базового тока:

I_э = I_к + I_б. (4.3)

Важное свойство транзистора — приблизительно линейная зависимость между его токами,, т. е. все три тока транзистора изменяются почти пропорционально друг другу. Пусть, для примера, I_э = 10 мА, (I_к = 9,5 мА, I_б = 0,5 мА. Если ток эмиттера увеличится, например, на 20% и станет равным 10 + 2 = 12 мА, то остальные токи возрастут также на 20%; I_б = 0,5 + 0,1 = 0,6 мА, I_к = 9,5 + 1,9 = 11,4 мА, так как всегда должно быть выполнено равенство (4.2), т. е. 12 мА =11,4 мА + 0,6 мА. Для приращения же токов справедливо равенство (4.3), т. е. 2 мА = 1,9 мА + 0,1 мА.

Мы рассмотрели физические явления в транзисторе типа n-р-n. Подобные же процессы происходят в транзисторе типа р-n-р, но в нем меняются ролями электроны и дырки, а также изменяются полярности напряжений и направления токов (рис. 4.2,6). В транзисторе типа р-n-р из эмиттера в базу инжектируются не электроны, а дырки, которые являются для базы неосновными носителями. С увеличением тока эмиттера больше таких дырок проникает через базу к коллекторному переходу. Это вызывает уменьшение его сопротивления и возрастание тока коллектора.

4.3. УСИЛЕНИЕ С ПОМОЩЬЮ ТРАНЗИСТОРА

На рис. 4.3 изображена схема усилительного каскада с транзистором типа n- р- n. Принято данную схему называть схемой с общим эмиттером, так как эмиттер является общей точкой для входа и выхода схемы. Входное напряжение, которое необходимо усилить, подается от источника колебаний ИК на участок база — эмиттер. На базу подано также положительное смещение от источника E1, являющееся прямым напряжением для эмиттерного перехода. При этом в цепи базы протекает некоторый ток, а следовательно, входное сопротивление транзистора получается сравнительно небольшим. Чтобы не происходила потеря части входного переменного напряжения на внутреннем сопротивлении источника Е1 он зашунтирован конденсатором достаточно большой емкости С1. Этот конденсатор на самой низкой рабочей частоте должен иметь сопротивление, во много раз меньшее входного сопротивления транзистора.

Рис. 4.3. Схема включения транзистора в усилительный каскад (схема с общим эмиттером)

Цепь коллектора (выходная цепь) питается от источника Е2. Для получения усиленного выходного напряжения в эту цепь включена нагрузка R_н. Источник Е2 зашунтирован конденсатором С2 для того, чтобы не было потери части выходного усиленного напряжения на внутреннем сопротивлении источника Е2. На самой низкой частоте сопротивление этого конденсатора должно быть во много раз меньше R_н. В дальнейшем для упрощения схем конденсаторы C1 и С2 не всегда будут показаны. Можно считать, что они имеются внутри самих источников Е1 и Е2. Если эти источники являются выпрямителями, то в них всегда есть конденсаторы большой емкости для сглаживания пульсаций.

Работа усилительного каскада с транзистором происходит следующим образом. Изобразим коллекторного цепь в виде эквивалентной схемы (рис. 4.4) Напряжение источника Е2 делится между сопротивлением нагрузки R_н и внутренним сопротивлением транзистора r₀, которое он оказывает постоянному току коллектора. Это сопротивление приближенно равно сопротивлению коллекторного перехода r_к0 для постоянного тока. В действительности к сопротивлению r_к0 еще добавляются небольшие сопротивления эмиттерного перехода, а также n- и р- областей, но эти сопротивления можно не принимать во внимание.

Если во входную цепь включается источник колебаний, то при изменении его напряжения изменяется ток эмиттера, а следовательно, сопротивление коллекторного перехода r_к0. Тогда напряжение источника Е2 будет перераспределяться между R_н и r_к0. При этом переменное напряжение на резисторе нагрузки 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 рассматриваемой схеме получается значительное усиление тока и очень большое усиление мощности. Усиленная мощность является частью мощности, затрачиваемой источником Е2.

Рис. 4.4 Эквивалентная схема коллекторной цепи усилительного каскада с транзистором

Для большей наглядности рассмотрим работу усилительного каскада с транзистором на числовом примере. Пусть питающие напряжения E1 = 0,2 В и Е2 = 12 В, сопротивление резистора нагрузки R_н = 4 кОм 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
I_к= E2/(R_н + r₀) = 12: 8 = 1,5 мА. Напряжение Е2 разделится пополам, напряжение на R_н и на r₀ будет по 6 В.

Если от источника колебаний на вход поступает переменное напряжение с амплитудой
0,1 В, то 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= 10 В, 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, произойдет 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 R_н 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 r₀ от
0,8 до 20 кОм, и 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.

Колебания напряжений и токов для рассмотренного примера показаны графиками на
рис. 4.5 Графикам этим соответствуют следующие уравнения: входное напряжение
U_вх = U_mвх sinωt; напряжение на участке база — эмиттер U_6-э= U_б-э0+ U_mб-э sinωt, где U_mб-э = Umвх; ток коллектора I_к = I_к0 + I_mк sinωt. Аналогично выражается напряжение на нагрузке:
U_R = U_R0 + U_mR sinωt, где U_mR = U_mк-э = I_mкRн и U_R0 = I_к0R_н Напряжение на выходе
U_вых=U_к-э= U_к-_э0 – U_mк-э, где U_к-э0 = Е2- U_R0.

Рис. 4.5 Усилени колебаний с помощью транзистора

4.4. ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ

Применяют три основные схемы включения транзисторов в усилительных или иных каскадах. 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. Подразделять схемы по тому, какой электрод является общей точкой входной и выходной цепи, также не следует, так как в одной из схем эти цепи совмещены в одну цепь и все ее точки являются общими.

Основные схемы включения транзисторов называются соответственно схемами с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК). Вместо слов «с общим» иногда говорят «с заземленным», хотя заземление бывает не всегда. Принцип усиления колебаний во всех этих каскадах, конечно, одинаков, но свойства схем различны, и поэтому надо рассмотреть их более подробно.

Схема с общим эмиттером (ОЭ). Эта схема, изображенная на рис. 4.6, является наиболее распространенной, так - как она дает наибольшее усиление по мощности.

Коэффициент усиления по току k_і такого каскада представляет собой отношение амплитуд (или действующих значений) выходного и входного переменного тока, т. е. переменных составляющих токов коллектора и базы:K_i = I_mвых / I_mвх = I_mк / I_mб (4.10)

Поскольку ток коллектора в десятки раз больше тока базы, то k_i составляет десятки единиц.

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

β = ΔІ_к/ΔІ_б при U_к-э = const. (4.11)

Коэффициент β бывает равен десяткам и даже сотням, а реальный коэффициент усиления по току каскада К_і всегда меньше, чем р, так как при включении нагрузки R_н ток I_к уменьшается.

Коэффициент усиления каскада по напряжению ки равен отношению амплитудных или действующих значений выходного и входного переменного напряжения. Входным является переменное напряжение база — эмиттер U_б-э, а выходным — переменное напряжение на резисторе нагрузки U_R или, что все равно, между коллектором и эмиттером — U_к-є:

К_u = U_mвых / U_{m вх} = U_mR /U_mб-э = U_{m к-э} / U_mб-э. (4.12)

Напряжение база — эмиттер не превышает десятых долей вольта, а выходное напряжение при достаточном сопротивлении резистора нагрузки и напряжении источника Е2 достигает единиц, а в некоторых случаях и десятков вольт. Поэтому ки имеет значение от десятков до сотен.

Отсюда следует, что коэффициент усиления каскада по мощности кр получается равным сотням, или тысячам, или даже десяткам тысяч. Этот коэффициент представляет собой отношение выходной мощности к входной. Каждая из этих мощностей определяется половиной произведения амплитуд соответствующих токов и напряжений:

Р_вых = 0.5I_{m вых} U_mвых = 0.5 I_mк U_{m к-э}

Р_вх = 0.5I_mвх U_mвх = 0.5 I_mб U_mб-э

поэтому

K_p = P_вых / P_вх = I_mвых U_mвых / (I_mвх U_mвх)

Важная величина, характеризующая транзистор,— его входное сопротивление R_вх, которое определяется по закону Ома. Для схемы ОЭ и составляет от сотен Ом до единиц килоОм.

Это вытекает из того, что при U_mб-э равном десятым долям вольта, ток I_mб транзисторов малой и средней мощности может быть до десятых долей миллиампера. Например, если
U_mб-э = 200 мВ, а I_mб = 0,4 мА, то R_вх = 200: 0,4 = 500 Ом. Как видно, входное сопротивление получается сравнительно малым. Это существенный недостаток биполярных транзисторов. Выходное сопротивление транзистора при включении его по схеме ОЭ, как будет показано далее, составляет от единиц до десятков килоОм.

Каскад по схеме ОЭ при усилении переворачивает фазу напряжения, т. е. между выходным и входным напряжением имеется фазовый сдвиг 180°. Для доказательства этого рассмотрим работу схемы на рис. 4.6. На нем и на некоторых следующих рисунках знаки постоянных потенциалов указаны в кружочках для отличия от знаков переменных потенциалов. Падение напряжения на резисторе нагрузки от постоянного тока коллектора получается со знаком «минус» на верхнем (по схеме) конце. Пусть на вход транзистора (на базу) поступает положительная полуволна напряжения, как показано на рис. 4.6. Это напряжение складывается с напряжением Е1 и напряжение на эмиттерном переходе U_б-э увеличивается. В результате возрастает ток эмиттера, а следовательно, и ток коллектора. Тогда увеличивается падение напряжения на резисторе нагрузки, т. е. дополнительно к постоянному напряжению на R_н появляется еще и переменное напряжение с той же полярностью. Таким образом, на выходе получается отрицательная полуволна переменного напряжения.

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). Хотя эта схема (рис. 4.9) дает значительно меньшее усиление по

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.

Рис. 4.9. Включение транзистора по схеме с общей базой

Коэффициент усиления по току каскада ОБ всегда несколько меньше единицы:
K_i = I_mк / I_mэ ~ 1,так как ток коллектора всегда лишь немного меньше тока эмиттера.

Как мы знаем, важнейший параметр транзисторов — статический коэффициент усиления по току (или коэффициент передачи тока), для схемы ОБ обозначаемый α. Он определяется для режима без нагрузки (R_н = 0), т. е. при постоянстве напряжения коллектор — база:α = ΔI_к / ΔІ_э при U_к-б = const.

Коэффициент α всегда меньше 1, и чем ближе он к 1, тем лучше транзистор. Коэффициент усиления по току К_i для каскада ОБ всегда немного меньше а, так как при включении R_н ток коллектора уменьшается.

Коэффициент усиления по напряжению определяется формулой К_u = U_m к-б / U_{m э-б}; он получается таким же, как и в схеме ОЭ, т. е. равным десяткам или сотням.

Действительно, если в схемах ОЭ и ОБ транзисторы, входные напряжения, питающие напряжения и сопротивления резисторов нагрузки одинаковы, то коллекторный ток практически один и тот же и, следовательно, выходные напряжения также одинаковы. Поскольку коэффициент усиления по мощности К_р равен произведению K_i K_u а K_i ~ 1, то K_p примерно равен Ku т. е. десяткам или сотням.

Входное сопротивление для схемы ОБ R_вх = U_mэ-б / I_mэ оно получается в десятки раз меньшим, чем в схеме ОЭ.

Это видно из того, что напряжение U_mэ-б равно напряжению U_mб-э а ток I_mэ, в десятки раз больше тока I_mб. Входное сопротивление для схемы ОБ — всего лишь десятки, а у более мощных транзисторов даже единицы Ом. Такое малое R_вх является существенным недостатком схемы ОБ. Выходное сопротивление, как будет показано далее, в этой схеме получается до сотен килоОм.

Для схемы ОБ фазовый сдвиг между выходным и входным напряжением отсутствует, т. е. фаза напряжения при усилении не переворачивается. В этом можно убедиться, если рассуждать так же, как при анализе схемы ОЭ. На рис. 4.9 показана полярность отрицательной полуволны входного напряжения, под влиянием которой возрастают токи I, и I_к и увеличивается падение напряжения на резисторе нагрузки, т. е. отрицательная полуволна выходного напряжения.

Следует отметить, что каскад по схеме ОБ вносит при усилении меньшие искажения, нежели каскад по схеме ОЭ.

Схема с общим коллектором (ОК). В этой схеме (рис. 4.10) действительно коллектор является общей точкой входа и выхода, поскольку источники питания E1 и Е2 всегда шунтированы конденсаторами большой емкости и для переменного тока могут считаться короткозамкнутыми. Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь. Нетрудно видеть, что входное напряжение равно сумме переменного напряжения база — эмиттер U_б-э и выходного напряжения: U_вх = U_б-э + U_вых.

Рис. 4.10. Включение транзистора по схеме с общим коллектором

Коэффициент усиления по току каскада ОК почти такой же, как и в схеме ОЭ, т. е. равен нескольким десяткам. Действительно, K_i = I_mэ / I_mб = (I_mк + I_mб) / I_mб = I_mк / I_mб +1, а отношение I_mк / I_mб есть коэффициент усиления по току для схемы ОЭ.

Однако коэффициент усиления по напряжению близок к единице, причем всегда меньше ее:

К_u = U_mвых / U_mвх = U_mвых / (U_mб-э + U_mвых)<1

Напряжение U_mб-э не более десятых долей вольта, a U_mвых при этом составляет единицы вольт,
т. е. U_mб-э << U_mвых, Следовательно, К_u ~ 1. Надо отметить, что переменное напряжение, поданное на вход транзистора, усиливается в десятки раз, так же как и в схеме ОЭ, но весь каскад не дает усиления. Коэффициент усиления по мощности, очевидно, равен примерно K_i
т. е. нескольким десяткам.

Рассмотрев полярность переменных напряжений в схеме, можно установить, что фазового сдвига между U_вых и U_вх нет. Пусть, например, в данный момент подается положительная полуволна U_вх, как показано на рис. 4.10. Тогда увеличится напряжение U_б-э и возрастет ток эмиттера, который увеличит падение напряжения на резисторе нагрузки. Следовательно, на выходе получится положительная полуволна напряжения. Таким образом, выходное напряжение совпадает по фазе с входным и почти равно ему. Иначе говоря, выходное напряжение повторяет входное. Именно поэтому данный каскад обычно называют эмиттерным повторителем. Эмиттерным потому, что резистор нагрузки включен в провод эмиттера и выходное напряжение снимается с эмиттера (относительно корпуса).

Таблица 4.1. Важнейшие параметры основных схем включения транзисторов

Входное сопротивление каскада по схеме ОК составляет десятки килоом, что является важным достоинством схемы. Действительно, R_вх = U_mвх / I_mвх = (U_mб-э + U_mвых) / I_mб

Отношение U_mб-э / I_mб есть входное сопротивление самого транзистора для схемы ОЭ, которое, как известно, достигает единиц килоОм. А так как U_mвых в десятки раз больше U_mб-э, то и R_вх в десятки раз превышает входное сопротивление схемы ОЭ. Выходное сопротивление в схеме ОК, наоборот, получается сравнительно небольшим, обычно единицы килоОм или сотни Ом.

Для удобства сравнения основные свойства всех трех схем включения транзисторов сведены в табл. 4.1.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: