Біполярні транзистори (стр. 3 из 4)

Для більшої наочності розглянемо роботу підсилювального каскаду з транзистором на числовому прикладі. Хай живляча напруга E1 = 0,2 В і E2 = 12 В, опір резистора навантаження Rн = 4 кОм і опір транзистора r0 за відсутності коливань на вході також рівне 4 кОм, тобто повний опір колекторному ланцюгу рівний 8 кОм. Тоді струм колектора, який можна приблизно вважати рівним струму емітера, складає

Напруга E2 розділиться навпіл, напруга на Rн і на r0 буде по 6 В.

Хай від джерела коливань на вхід поступає змінна напруга з амплітудою 0,1 В. Максимальна напруга на ділянці база – емітер при позитивній півхвилі стає рівним 0,3 В. Передбачимо, що під впливом цієї напруги струм емітера зростає до 2,5 мА. Таким же практично стане і струм колектора. Він створить на резисторі навантаження падіння напруги 2,5 •4=10 В, а падіння напруги на опорі r0 транзистора зменшиться до 12 –10 = 2 В. Отже, цей опір зменшиться до 2:2,5 = 0,8 кОм.

Через півперіода, коли джерело коливань дасть напругу, рівну, – 0,1 В, станеться зворотне явище. Мінімальна напруга база – емітер стане 0,2 –0,1=0,1 В. Струми емітера і колектора зменшаться до 0,5 мА. На резисторі Rн падіння напруги зменшиться до 0,5 •4=2 В, а на опорі r0 воно зросте до 10 В. Отже, цей опір збільшиться до 10:0,5=20 кОм.

Таким чином, подача на вхід транзистора змінної напруги з амплітудою 0,1 В викликає зміну опору від 0,8 до 20 кОм. При цьому напруги на резисторі навантаження і на транзисторі змінюються на 4 В в ту і іншу сторону (від 10 до 2 В). Отже, вихідна напруга має амплітуду коливань 4 В, тобто воно в 40 разів більше вхідної напруги. Цей числовий приклад є наближеним, оскільки насправді залежність між струмом колектора і вхідною напругою нелінійна.

Наступні рівняння:

вхідна напруга

;

напруга на ділянці база – емітер

де ;

струм колектора

напруга на навантаженні

де і

напруга на виході

де

3.1. Схеми включення транзисторів (СБ, СК, СЕ)

Застосовують три основні схеми включення транзисторів в підсилювальні або інші каскади. У цих схемах один з електродів транзистора є суспільною точкою входу і виходу каскаду. Щоб уникнути помилок при цьому треба пам'ятати, що під входом (виходом) розуміють крапки, між якими діє вхідна (вихідна) змінна напруга. Не слід розглядати вхід і вихід по постійній напрузі.

Основні схеми включення транзисторів називаються відповідно схемами із суспільним емітером (СЕ), суспільною базою (СБ) і суспільним колектором (СК). Принцип посилення коливань у всіх цих каскадах однаковий, але властивості схем різні.

мал.9 Схеми включення транзисторів

3.2 Схема із суспільним емітером (СЕ)

Ця схема змальована на мал. 9(б) і є найбільш поширеною, оскільки вона дає найбільше посилення по потужності.

Коефіцієнт підсилення по струму ki – це відношення амплітуд (або значень, що діють) вихідного і вхідного змінного струму, тобто змінних складових струмів колектора і бази:

Підсилювальні властивості транзистора при включенні його за схемою СЕ характеризує один з головних його параметрів – статичний коефіцієнт підсилення по струму (або коефіцієнт передачі струму) для схеми СЕ, що позначається b. Оскільки він повинен характеризувати лише сам транзистор, то його визначають в режимі без навантаження (

), тобто при постійній напрузі ділянки коллектор-еміттер:

, приuк-э=const.

Коефіцієнтпідсиленнякаскадупонапрузідорівнюєвідношеннюамплітуднихабодіючихзначеньвихідноїівхідноїзмінноїнапруги. Вхідноюєзміннанапругабаза - емітер Uб-е, авихідним - зміннанапруганарезисторінавантаження

, щовідповідаєнапрузіміжколектороміемітером Uк-е:

Коефіцієнт підсилення каскаду по потужності

є відношенням вихідної потужності до вхідної. Кожна з цих потужностей визначається половиною множення амплітуд відповідних струмів і напруги:

;

,

Тому

Важливою величиною для транзистора є його, який визначається за законом Ома. Для схеми з СЕ

Каскад за схемою СЕ при посиленні перевертає фазу напруги, тобто між вихідним і вхідною напругою є фазовий зсув 180°.

Перевага схеми СЕ – зручність живлення її від одного джерела, оскільки на колектор і базу подається живляча напруга одного знаку.

Недоліки даної схеми – гірші в порівнянні з схемою з СБ частотні і температурні властивості. З підвищенням частоти посилення в схемі з СЕ знижується в значно більшій мірі, ніж в схемі СБ. Режим роботи схеми з СЕ сильно залежить від температури.

3.3 Схема із суспільною базою (СБ)

Схема з СБ показана на мал. 9(а). Ця схема дає значно менше посилення пo потужності і має ще менший вхідний опір, ніж схема СЕ, все ж її інколи застосовують, оскільки по своїх частотних і температурних властивостях вона значно краща за схему СЕ.

Коефіцієнт підсилення по струму каскаду СБ завжди декілька менше одиниці:

струм колектора завжди лише трохи менше струму емітера.

Статичний коефіцієнт підсилення по струму (коефіцієнт передачі струму), для схеми СБ позначається a. Він визначається для режиму без навантаження (Rн=0), тобто при постійній напрузі коллектор-база:

, при uк-б=const.

Чим ближче a до 1, тим краще транзистор. Коефіцієнт підсилення по струму

, для каскаду СБ завжди трохи менше а, оскільки при включенні струм колектора зменшується.

Коефіцієнт підсилення по напрузі визначається формулою:

Коефіцієнт підсилення по потужності kp=ki · ku. Оскільки,

то

Вхідний опір для схеми СБ:

Вхідний опір виходить в десятки разів меншим, ніж в схемі з СЕ, оскільки напруга Umб-э дорівнює напрузі Umэ-б, а струм Imэ в десятки разів більше струму Imб.

Для схеми СБ фазовий зсув між вихідним і вхідною напругою відсутній, тобто фаза напруги при підсиленні не перевертається.

Перевага даної схеми включення в тому, що каскад за схемою СБ вносить при підсиленні менші спотворення, ніж каскад за схемою СЕ.

3.4 Схема із суспільним колектором (СК)

Схема з СК показана на мал. 9(в). Особливість цієї схеми в тому, що вхідна напруга повністю передається назад на вхід, тобто дуже сильний негативний зворотний зв'язок.

Вхідна напруга дорівнює сумі змінної напруги база-еміттер uб-э і вихідної напруги:

Коефіцієнт підсилення по струму каскаду СК визначається по формулі:

і має майже таке значення, як і в схемі з ЗЕ.

Відношення

– є коефіцієнт підсилення по струму для схеми з СЕ.

Коефіцієнт підсилення по напрузі близький до одиниці, причому завжди менше її:

Коефіцієнт посилення по потужності

Фазового зсуву між

і немає, оскільки вихідна напруга збігається по фазі з вхідним і майже дорівнює йому. Дана схема включення транзистора називається емітерним повторювачем. Емітерним тому, що резистор навантаження включений в дріт емітера і вихідна напруга знімається з емітера (відносно корпусу).