Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

Кафедра АПП и Э

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

“РАСЧЕТ ТРАНЗИСТОРНОГО УСИЛИТЕЛЯ

ПО СХЕМЕ С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ”

по дисциплине: “Электротехника ”

Вариант-17

Выполнил: ст. гр. 31АП

Цигулев С.В.

Проверил: Денисов В.П.

1. Основные понятия

2. Назначение элементов и принцип работы усилительного каскада по схеме с ОЭ

3. Задание на работу

4. Порядок расчета транзисторного усилителя по схеме с ОЭ

Библиографический список

1. Основные понятия

Усилители являются одним из самых распространенных электронных устройств, применяемых в системах автоматики и радиосхемах. Усилители подразделяются на усилители предварительные (усилители напряжения) и усилители мощности. Предварительные транзисторные усилители, как и ламповые, состоят из одного или нескольких каскадов усиления. При этом все каскады усилителя обладают общими свойствами, различие между ними может быть только количественное: разные токи, напряжения, различные значения резисторов, конденсаторов и т. п.

Для каскадов предварительного усилителя наиболее распространены резистивныесхемы (с реостатно-емкостной связью). В зависимости от способа подачи входного сигнала и получения выходного сигнала усилительные схемы получили следующие названия:

1) с общей базой ОБ (рис. 1, а);

2) с общим коллектором ОК (эмиттерный повторитель) (рис. 1, б);

3) с общим эмиттером - ОЭ (рис. 1, в).

Наиболее распространенной является схема с ОЭ. Схема с ОБ в предварительных усилителях встречается редко. Эмиттерный повторитель обладает наибольшим из всех трех схем входным и наименьший выходным сопротивлениями, поэтому его применяют при работе с высокоомными преобразователями в качестве первого каскада усилителя, а также для согласования с низкоомным нагрузочным резистором. В табл. 1 дается сопоставление различных схем включения транзисторов.

Таблица 1

2. Назначение элементов и принцип работы усилительного каскада по схеме с ОЭ

Существует множество вариантов выполнения схемы усилительного каскада на транзисторе ОЭ. Это обусловлено главным образом особенностями задания режима покоя каскада. Особенности усилительных каскадов и рассмотрим на примере схемы рисунок 2, получившей наибольшее применение при реализации каскада на дискретных компонентах.

Основными элементами схемы являются источник питания

, управляемый элемент - транзистор и резистор . Эти элементы образуют главную цепь усилительного каскада, в которой за счет протекания управляемого по цепи базы коллекторного тока создается усиленное переменное напряжение на выходе схемы. Остальные элементы каскада выполняют вспомогательную роль. Конденсаторы , являются разделительными. Конденсатор исключает шунтирование входной цепи каскада цепью источника входного сигнала по постоянному току, что позволяет, во-первых, исключить протекание постоянного тока через источник входного сигнала по цепи → → и, во-вторых, обеспечить независимость от внутреннего сопротивления этого источника напряжения на базе в режиме покоя. Функция конденсатора сводится к пропусканию в цепь нагрузки переменной составляющей напряжения и задержанию постоянной составляющей.

Резисторы

и используются для задания режима покоя каскада. Поскольку биполярный транзистор управляется током, ток покоя управляемого элемента (в данном случае ток ) создается заданием соответствующей величины тока базы покоя . Резистор предназначен для создания цепи протекания тока . Совместно с резистор обеспечивает исходное напряжение на базе относительно зажима ”+” источника питания.

Резистор

является элементом отрицательной обратной связи, предназначенным для стабилизации режима покоя каскада при изменении температуры. Температурная зависимость параметров режима покоя обусловливается зависимостью коллекторного тока покоя от температуры. Основными причинами такой зависимости являются изменения от температуры начального тока коллектора , напряжения и коэффициента . Температурная нестабильность указанных параметров приводит к прямой зависимости тока от температуры. При отсутствии мер по стабилизации тока , его температурные изменения вызывают изменение режима покоя каскада, что может привести, как будет показано далее, к режиму работы каскада в нелинейной области характеристик транзистора и искажению формы кривой выходного сигнала. Вероятность появления искажений повышается с увеличением амплитуды выходного сигнала.

Проявление отрицательной обратной связи и ее стабилизирующего действия на ток

Усилители содержат транзисторы, а также такие элементы, как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности. Пара­метры используемых элементов (их номиналы и напряжения) зависят от требований, предъявляемых к усилителю, а также от типа применяемых транзисторов. С появлением транзисторов различных типов стали возможны новые конфигурации схем усилителей. В биополярном р - n - р- или n - р - n -транзисторе создаются чередующиеся в определенном порядке области с различным видом проводимости, образующие базу, эмиттер и коллектор. Транзистор называется биполярным, поскольку пе­ренос зарядов в нем осуществляется как электронами, так и дырками. В полевых же (униполярных) транзисторах заряды переносятся носителями одного вида: либо электронами, либо дырками. Полевые транзисторы (ПТ) имеют три области, на­зываемые затвором, истоком и стоком, В зависимости от вида используемых носителей различают два типа полевых транзи­сторов: р- и я-канальные. Разным типам транзисторов соответ­ствуют различные характеристики, описываемые более подроб­но в этом разделе.

Наиболее распространенная схема построения усилителя на биполярном транзисторе - схема с общим (заземленным) эмит­тером (ОЭ); варианты таких схем показаны на рис. 11.1. Термин «общий эмиттер» указывает на то, что в соответствующей схе­ме сопротивление между выводом эмиттера и землей для сиг­нала мало, но из этого не следует, что оно во всех случаях ма­ло и для постоянного тока. Так, например, в схемах показан­ных на рис. 1.1, а и б, эмиттеры непосредственно заземлены, а в схеме на рис. 1.1, в между эмиттером и землей включено сопро­тивление, зашунтированное конденсатором. Поэтому, если ре­активное сопротивление этого конденсатора для сигнала мало, можно считать, что для сигнала эмиттер практически заземлен.

Для работы в классе А (разд. 1.4) напряжение смещения между базой и эмиттером должно быть прямым (отпирающим), а между коллектором и эмиттером - обратным (запирающим). Для получения такого смещения полярности источников пита­ния выбирают в зависимости от типа используемого транзисто­ра. Для транзистора р - n - р-типа (рис. 11 Л, а) плюс источника смещения должен быть подключен к эмиттеру р-типа, а ми­нус - к базе я-типа. Таким образом, прямое смещение получа­ется при отрицательном потенциале базы относительно эмитте­ра. Для обратного смещения коллектора р-типа его потенциал должен быть отрицательным. Для этого источник питания под­ключается положительным полюсом к эмиттеру, а отрицатель­ным к коллектору.

Входной сигнал создает на резисторе R 1 падение напряже­ния, которое алгебраически складывается с постоянным смещающим напряжением. В результате этого суммарный потенци­ал базы изменяется в соответствии с сигналом. С изменением потенциала базы меняется ток коллектора, а следовательно, и напряжение на резисторе R 2. При положительной полуволне входного напряжения прямое смещение уменьшается и ток че­рез R 2 соответственно уменьшается. Падение напряжения на R 2 также уменьшается, в результате чего между входным и вы­ходным сигналами образуется сдвиг фаз в 180°.

Если используется транзистор n - р - n-типа (рис. 1.1,6), то полярность обоих источников питания меняется на обратную. При этом базовый переход также оказывается смещенным в прямом направлении, а коллекторный - в обратном. Как и в предыдущем случае, между входным и выходным сигналами образуется сдвиг фаз в 180°.

На рис. 1.1,а и б изображены основные элементы усилителя, а схема усилителя, применяемая на практике, приведена на рис. 1.1,6. Здесь конденсатор С 1 не пропускает постоянной со­ставляющей входного сигнала, но имеет малое реактивное со­противление для его переменной составляющей, которая таким образом поступает на резистор R 2 . (Это так называемая RC -связь; более подробно она описана в разд. 1.5). Напряжение прямого смещения базы поступает с делителя напряжения Ri - R2, который подключен к источнику питания. Нужная вели­чина прямого смещения базы транзистора получается при над­лежащем выборе отношения величин сопротивлений R 1 и R 2 . При этом в транзисторе n - р - n-типа потенциал базы устанав­ливают более положительным, чем эмиттер. Коллекторный ре­зистор, на котором образуется выходной сигнал, обычно назы­вают резистором нагрузки и обозначают R н. Через разделитель­ный конденсатор С 3 сигнал поступает на следующий каскад. Входные и выходные цепи должны иметь общую заземленную точку (рис. 1.1, а).

Коэффициент усиления тока базы для схемы с ОЭ задается следующим соотношением:

где р - коэффициент усиления тока базы;

ДI б - приращение тока базы; ДI к - соответствующее приращение тока коллектора при-

Рис. 1.1. Схемы с общим эмиттером.

Таким образом, р равно отношению приращения коллектор­ного тока к соответствующему приращению базового тока прк постоянном коллекторном напряжении. Коэффициент усиление сигнального тока также называют коэффициентом прямой пере­дачи тока [ При достаточно большой величине сопротивления R 2 переменная состав­ляющая сигнального тока практически равна переменной составляющей тока базы. - Прим. ред. ]

Резистор R 3 (рис. 1.1,5) оказывает стабилизирующее дейст­вие на ток транзистора при изменении температуры. Падение напряжения на R 3 создает обратное (запирающее) смещение эмиттерного перехода транзистора, так как оно повышает по­тенциал эмиттера. Следовательно, оно уменьшает положитель­ное прямое смещение базы на величину этого падения напря­жения. Присутствие переменной составляющей напряжения на Rз вызвало бы уменьшение выходного сигнала и, следователь­но, коэффициента усиления усилителя (см. разд. 1.8). Для устранения этого эффекта резистор Rз шунтируют конденсато­ром С 2 .

При нагреве транзистора постоянная составляющая тока коллектора возрастает. Соответственно возрастает и падение напряжения на R z , что приводит к уменьшению прямого смеще­ния базы, а также тока коллектора. В результате осуществля­ется частичная компенсация температурного дрейфа тока.

Рис. 1.2. Схемы с общим истоком

На рис. 1.2 показана схема усилителя на полевом транзи­сторе, эквивалентная схеме с ОЭ, которая называется схемой с общим истоком. В этой схеме затвор соответствует базе би­полярного транзистора, исток - эмиттеру, а сток - коллектору. На схеме 1.2, а показан ПТ с каналом n-типа. Для транзистора с каналом р-типа стрелка на затворе будет направлена в про­тивоположную сторону. На рис. 1.2, б также показан транзи­стор с каналом д-типа, а на рис. 1.2, в - с каналом р-типа.

Цепи смещения ПТ отличаются от цепей смещения бипо­лярных транзисторов вследствие существенного различия ха­рактеристик этих приборов. Биполярные транзисторы являются усилителями сигнального тока и воспроизводят на выходе уси­ленный входной сигнальный ток, в то время как в полевых транзисторах выходным сигнальным током управляет приложен­ное ко входу напряжение сигнала.

Существуют два типа ПТ: с управляющим р - n-переходом и металл - окисел - полупроводник (МОП). (МОП-транзи­сторы называют также полевыми транзисторами с изолирован­ным затвором.) Полевые транзисторы обоих типов изготовляют с n– и р-каналами.

В схеме на рис. 1.2, а используется ПТ с управляющим р - я-переходом, а в схеме на рис. 1.2, б - МОП-транзистор, ра­ботающий в режиме обогащения. На рис. 1.2, в изображен МОП-транзистор, работающий в режиме обеднения. У МОП-транзисторов затвор изображается как бы в виде обкладки конденсатора, что символизирует емкость, возникающую в ре­зультате формирования очень тонкого слоя окисла, изолирую­щего металлический контакт вывода затвора от канала. (От этого способа производства и произошел термин «МОП-тран­зистор».)

Поскольку ПТ управляются напряжением входного сигнала, а не током, как биполярные транзисторы, параметр «коэффи­циент усиления» сигнального тока заменяется передаточной проводимостью g m . Передаточная проводимость является мерой качества полевого транзистора и характеризует способность на­пряжения затвора управлять током стока. Выражение для пе­редаточной проводимости выглядит следующим образом:

Единица измерения g m , называемая сименсом, есть величина, обратная единице измерения сопротивления (1 См=1/Ом). Как следует из выражения (1.2), параметр g m для ПТ есть отноше­ние приращения тока стока к приращению напряжения затвора при постоянной величине напряжения между истоком и стоком.

В полевом транзисторе с управляющим р - n-переходом и ка­налом n-типа (рис. 1.2,а) при поступлении отрицательного на­пряжения на затвор происходит обеднение канала носителями зарядов и проводимость канала уменьшается. (Для ПТ с кана­лом р-типа проводимость уменьшается при действии положи­тельного напряжения на затвор.) Поскольку однопереходный по­левой транзистор имеет только две зоны с разными типами прово­димости (выводы истока и стока подключены к одной зоне, а вы­вод затвора - к другой), проводимость между истоком и стоком того же типа, что и проводимость канала. Следовательно, в отли­чие от биполярного транзистора, у которого при U Q 3 = 0 ток кол­лектора равен 0, ток канала может протекать даже при нулевом напряжении затвор - исток. Поскольку ток канала это функция напряжения U зи, канал полевого транзистора с управляющим р - n-переходом может проводить ток в обоих направлениях: от истока к стоку и в обратном направлении (у биполярного транзистора ток коллектора в рабочем режиме имеет всегда одно направление). При этом рабочая точка (например, для схем класса А) для таких транзисторов устанавливается путем подачи напряжения обратного смещения затвора в отличие от прямого смещения базового перехода в биполярных транзи­сторах [В транзисторе с управляющим р - n-переходом обычно подается запи­рающее напряжение U 8и на переход (отрицательное для n-канала) и макси­мальный ток в канале получается при U 3 и = 0. Направление тока в канале за­висит от полярности источника питания, подключенного к каналу; при изме­нении полярности источника питания вывод, бывший стоком, становится исто­ком и наоборот. - Прим. ред. ].

Как было отмечено выше, затвор в МОП-транзисторах изо­лирован от канала диэлектриком, например двуокисью крем­ния (SiO 2). При этом затвор имеет очень высокое входное со­противление и на него может подаваться как прямое смещение для обогащения канала носителями (что будет увеличивать про­ходящий ток), так и обратное смещение для обеднения канала носителями (что уменьшает ток канал а). Поэтому возможно из­готовление двух различных типов МОП-транзисторов: для ра­боты в обогащенном и обедненном режимах (здесь имеются в виду МОП-транзисторы с встроенным каналом).

В МОП-транзисторе обедненного типа имеется ток стока при нулевом смещении на входе. Напряжением обратного сме­щения ток стока уменьшают до некоторой величины, зависящей от требуемого динамического диапазона входного сигнала. Как показано на рис. 1.2,6, у транзисторов обедненного типа линия, изображающая канал, непрерывная, что означает наличие замк­нутой цепи и протекание тока в канале (тока стока) при нуле­вом смещении затвора.

В МОП-транзисторах обогащенного типа ток стока при ну­левом смещении мал. Напряжением смещения ток стока увели­чивают до некоторой величины, зависящей от динамического диапазона входного сигнала. У МОП-транзисторов обогащен­ного типа линия, изображающая канал, прерывистая, что сим­волизирует как бы разрыв цепи при нулевом смещении. Для того чтобы увеличить ток до величины, необходимой для нор­мальной работы такой схемы, как усилитель, нужно использо­вать соответствующее смещение.

Рабочие характеристики схем, изображенных на рис. 1.Д аналогичны характеристикам схем, представленных на рис. 1.11. Схема на рис. 1.2, в наиболее пригодна для практического ис­пользования. Как и в ранее рассмотренном случае, имеет место инверсия фазы между входным и выходным сигналами. Напря­жение источника питания обычно обозначают Е с. Для того что­бы уменьшить падение напряжения сигнала на внутреннем со­противлении источников питания и смещения, их шунтируют емкостями соответствующей величины (рис. 11.2, а). Через эти емкости замыкаются токи сигнала цепей затвора и стока.

Схема с общим эмиттером

Схема с общим эмиттером (ОЭ) представлена на рис. 1.11. Транзистор п-р-п в этой схеме работает так же, как и в схеме с ОБ. Заметим лишь, что общепринятое направление токов (от +Е К – источника напряжения), обозначенное на рис. 1.11, а, противоположно направлению движения электронов. Характерным признаком схемы с ОЭ является то, что нагрузка располагается в коллекторной цепи (рис. 1.11,6).

Рис. 1.11. Схема включения транзистора с общим эмиттером (а); типовое изображение в схемах (б)

Так же как и для схемы с ОБ, входным сигналом в этой схеме является напряжение между базой и эмиттером, а выходными величинами – коллекторный ток I к и напряжение на нагрузке U вых = I к R н Транзистор в схеме с ОЭ характеризуется коэффициентом передачи тока

имеющим значения β = 10... 100, который связан с коэффициентом α для схемы с ОБ соотношением:

Оценим значения коэффициентов усиления схемы с ОЭ (их обозначают индексом "Э").

Выходным током, как и в схеме с ОБ, является ток I к, протекающий но нагрузке, а входным током (в отличие от схемы с ОБ) – ток базы I Б; коэффициент усиления по току схемы с ОЭ равен

При α = 0,98 КIЭ = 0,98/(1 – 0,98) ≈ 50, т.е. нескольким десяткам, что многократно превосходит аналогичный коэффициент у схемы с ОБ.

Входное сопротивление в схеме с ОЭ также значительно выше, чем в схеме с ОБ, так как в схеме с ОЭ входным током является ток базы, а в схеме с ОБ – во много раз больший ток эмиттера (а именно в 1/(1 – α) ≈ β раз):

Величина входного сопротивления в схеме с ОЭ больше, чем в схеме с ОБ в ≈ β раз и составляет сотни ом.

Коэффициент усиления по напряжению в схеме с ОЭ соизмерим с таким же коэффициентом у схемы с ОБ:

По коэффициенту усиления по мощности схема с ОЭ за счет значительно большего коэффициента усиления по току также многократно превосходит схему с ОБ:

и зависит от коэффициента передачи тока β и отношения сопротивления нагрузки к входному сопротивлению.

Благодаря отмеченным свойствам, схема с ОЭ нашла очень широкое применение.

Входные и выходные характеристики схемы с общим эмиттером

Работу схемы обычно описывают с помощью входных и выходных характеристик транзистора в той или иной схеме включения. Для схемы с ОЭ входная характеристика – это зависимость входного тока от напряжения на входе схемы, т.е. I Б = f (UБЭ) при фиксированных значениях напряжения коллектор – эмиттер (U кэ = const).

Выходные характеристики – это зависимости выходного тока, т.е. тока коллектора, от падения напряжения между коллектором и эмиттером транзистора I к = f (и БЭ) при токе базы I Б = const.

Входная характеристика по существу повторяет вид характеристики диода при подаче прямого напряжения (рис. 1.12, б). С ростом напряжения U KЭ входная характеристика будет незначительно смещаться вправо.

Рис. 1.12. Выходные (а) и входная (б ) характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером

Вид выходных характеристик (рис. 1.12, а) резко различен в области малых (участок ОA) и относительно больших значений U кэ. Напомним, что для нормальной работы транзистора необходимо, чтобы на переход база–эмиттер подавалось прямое напряжение, а на переход база–коллектор – обратное. Поэтому, пока |1/кэ|< 1/БЭ, напряжение на коллекторном переходе оказывается прямым, что резко уменьшает ток I к. При |UКЭ| > U БЭ напряжение на коллекторном переходе UБK = UКЭ – U БЭ становится обратным и, следовательно, мало влияет на величину коллекторного тока, который определяется в основном током эмиттера. При таком напряжении все носители, инжектированные эмиттером в базу и прошедшие через область базы, устремляются к внешнему источнику. При напряжении UБЭ < 0 эмиттер носителей не инжектирует и ток базы I Б = 0, однако в коллекторной цепи протекает ток I К0 (самая нижняя выходная характеристика). Этот ток соответствует обратному току I 0 обычного р-n-перехода.

При работе транзистора изменяется его режим. Действительно, чем больше ток, протекающий через транзистор, тем больше падение напряжения на нагрузке, а следовательно, тем меньшее напряжение будет падать на самом транзисторе. Характеристики, представленные на рис. 1.12, а, б, описывают лишь статический режим работы схемы. Для оценки динамики и влияния нагрузки на работу схемы используют графоаналитический метод расчета на основе входных и выходных характеристик. Рассмотрим этот метод на примере входных и выходных характеристик схемы с ОЭ.

Проведем прямую через точку Eк, отложенную на оси абсцисс, и точку Е к /R н отложенную на оси ординат выходных характеристик транзистора. Полученная прямая называется нагрузочной. Точка Е к /R н этой прямой соответствует такому току, который мог бы течь через нагрузку, если транзистор замкнуть накоротко. Точка Е к соответствует другому крайнему случаю – цепь разомкнута, ток через нагрузку равен нулю, а напряжение Uкэ равно Е к. Точка р пересечения нагрузочной прямой со статической выходной характеристикой, соответствующей входному току I Б, определит рабочий режим схемы, т.е. ток в нагрузке I к, падение напряжения на ней U н = I к R н и падение напряжения (/кэ на самом транзисторе. На рис. 1.12, а точка р соответствует подаче в транзистор тока базы I Б = 1 мА. Нетрудно видеть, что подача тока базы I Б = 2 мА приводит к смещению рабочей точки в точку А и перераспределению напряжений между нагрузкой и транзистором.

Пример 1.1. Рассчитайте схему с ОЭ и R н =110 Ом при входном напряжении UБЭ = +0,1 В, напряжении питания Е к = +25 В, используя характеристики транзистора.

Решение. Найдем отношение E K/R н = 25/110 = 228 мА и, отложив найденную точку на оси I к и значение Е к = +25 В на оси Uкэ, проведем нагрузочную прямую.

По входной характеристике для напряжения 1/БЭ = 0,1 В определим входной ток I Б = 1 мЛ.

Точка пересечения р прямой с характеристикой, соответствующей I Б = 1 мА, определит ток I к = 150 мА.

Напряжение на нагрузке равно

Напряжение между коллектором и эмиттером транзистора

В заключение отметим, что режим, соответствующий точке А, называют режимом насыщения (при заданных значениях R н и Е к ток I к в точке А достигает наибольшего возможного значения). Режим, соответствующий точке В (входной сигнал равен нулю), а также точке С (входной сигнал отрицателен и запирает транзистор), называют режимом отсечки. Все промежуточные состояния транзистора с нагрузкой между точками А и В относятся к активному режиму его работы.

Был рассмотрен транзистор в качестве электронного ключа. Но это ещё не все возможности биполярных транзисторов, можно сказать даже ключевой режим работы – это лишь малая доля в схемах, где используются транзисторы. В львиной доле транзисторных схем транзистор используется в качестве усилительного прибора. В данных схемах транзистор используется в так называемой активной области. Транзистор в качестве усилительного прибора, включается в усилительный каскад, который кроме транзистора содержит ещё цепи питания, нагрузку и цепи связи с последующим каскадом.

Схемы включения транзистора

Для биполярных транзисторов возможны три схемы включения, которые обладают способностью усиливать мощность: с общим эмиттером (ОЭ) , общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК) . Схемы отличаются способом включения источника сигнала и нагрузки (R Н).

Схема с общим эмиттером

Схема с общей базой

Схема с общим коллектором.

Для всех схем включения транзистора при отсутствии сигнала, подаваемого от источника (е Г), необходимо установить начальный режим по постоянному току – режим покоя. При этом как и говорилось в предыдущем эмиттерный переход должен быть открытым, а коллекторный – закрытым. Для транзисторов p-n-p это достигается подачей отрицательного напряжения на коллектор (коллекторного напряжения E 0C) и отрицательного напряжения на базу (напряжения смещения E 0B). Для транзисторов n-p-n полярность этих напряжений должна быть противоположной. Режим покоя транзистора опредяляется положением его рабочей точки, которое зависит от тока эмиттера I E (практически равного току коллектора I С и зависящего от E 0B) и от напряжения E 0C .

Усилительные параметры транзистора

Усилительные свойства транзисторов для малого переменного сигнала оцениваются с помощью различных систем параметров, связывающих входные токи и напряжения, но нормируются только два основных параметра: h 21e и f Т (или f h21b). Зная параметр транзистора h 21e для заданного режима покоя I E , можно с помощью следующих формул определить основные параметры усилительного каскада в области НЧ:

где S — проводимость транзистора, r e — сопротивление эмиттера транзистора.

Таким образом, можно вычислить значения |K| — коэффициент усиления напряжения транзистора, |K i | — коэффициент усиления тока транзистора, Z ВХ — входное сопротивление транзистора:

Области применения усилительных каскадов ОЭ, ОБ и ОК определяются их свойствами.

Каскад с общим эмиттером обеспечивает усиление, как по напряжению, так и по току. Его входное сопротивление порядка сотен Ом, а выходное – десятков кОм. Отличительная особенность – изменяет фазу усиливаемого сигнала на 180°. Обладает лучшими усилительными свойствами по сравнению с ОБ и ОК и поэтому является основным типом каскада для усиления малых сигналов.

Каскад с общей базой обеспечивает усиление только по напряжению (практически такое же, как ОЭ). Входное сопротивление каскада в (1+h 21e) раз меньше, чем ОЭ, а выходное – в (1+h 21e) раз больше. В отличие от ОЭ каскад ОБ не изменяет фазы усиливаемого сигнала. Малое входное сопротивление каскада ОБ ограничивает его применение в УНЧ: практически он используется только как элемент дифференциального усилителя.

Каскад с общим коллектором обеспечивает усиление только по току (практически такое же, как ОЭ). В отличие от ОЭ каскад ОК не изменяет фазы усиливаемого сигнала. При К = 1 каскад ОК как бы повторяет усиливаемое напряжение по величине и фазе. Поэтому такой каскад называется эмиттерным повторителем. Входное сопротивление ОК зависит от сопротивления нагрузки R H и велико (почти в h 21e раз больше R H), а выходное сопротивление зависит от сопротивления источника сигнала R Г и мало (почти в h 21e раз меньше R Г). Каскад ОК благодаря большому входному и малому выходному сопротивлению находит применение как в предварительных, так и в мощных УНЧ.

Цепи питания биполярных транзисторов

Для обеспечения заданного режима работы биполярного транзистора требуется установить положение точки покоя, определяемое током покоя I С. С этой целью на электроды транзистора должны быть поданы два напряжения: коллекторное и напряжение смешения базы. Полярность этих напряжений зависит от структуры транзистора. Для транзисторов p-n-p оба этих напряжения должны быть отрицательными, а для n-p-n – положительными, относительно эмиттера транзистора.. Величины коллекторного и базового напряжения должны быть различны; кроме того, различными оказываются и требования к стабильности этих напряжений. Поэтому используются две отдельные цепи питания – коллектора и базы.

Питание коллектора

Цепи питания коллектора содержат элементы, показанные ниже.

Напряжение между коллектором и эмиттером транзистора U CE выбирается в пределах

При этом минимальное значение U C не должно быть менее 0,5 В, иначе рабочая точка переходит в область насыщения и возрастают нелинейные искажения.

Схема цепей питания базы

Цепи питания базы содержат элементы, показанные ниже

Схема с фиксированным током

Схема с фиксированным напряжением

Схема с автоматическим смещением

Заданный режим работы транзистора устанавливается путём подачи на его базу требуемого напряжения смещения U B или создания в цепи базы требуемого тока смещения I B . В обоих случаях между эмиттером и базой устанавливается напряжение U BE ,равное (в зависимости от I B) 0,1…0,3 В (для германиевых транзисторов) или 0,5…0,7 В (для кремниевых). Смещение базы может осуществляться от общего с коллектором источника питания E 0C или от отдельного источника питания базовых цепей E 0В.

При питании от E 0C смещение базы может быть фиксированным (по току или напряжению) или автоматическим. Схемы с фиксированным током и с фиксированным напряжением не обеспечивают стабильности рабочей точки транзистора при изменении температуры.

Расчёт усилительного каскада

Схема с автоматическим смещением , получившая наибольшее распространение, содержит три резистора: R b1 , R b2 и R E . За счёт отрицательной обратной связи создаваемой R E в цепи эмиттера, достигается требуемая стабилизация рабочей точки. Блокировочный C E используется для устранения нежелательной обратной связи по переменному току. Схема эффективна как для германиевых, так и для кремниевых транзисторов. Для определения величин R b1 , R b2 и R E должны быть известны напряжение источника питания E 0C и ток покоя I С. Ориентировочные значения R b1 , R b2 и R E могут быть определены с помощью приведённых ниже формул.

Входящие в вышеприведённые формулы b , c и U BE зависят от типа транзистора и режима его работы.

Для германиевых транзисторов выбираются: b ≈ 0,2; с – в пределах 3…5; U BE – в пределах 0,1…0,2.

Для кремниевых транзисторов: b ≈ 0,1; с – в пределах 10…25; U BE – в пределах 0,6…0,7.

При увеличении c и уменьшении b стабильность схемы снижается. Большие значения U BE выбирают для больших значений I С.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.

Необходимые пояснения даны, переходим к сути.

Транзисторы. Определение и история

Транзистор - электронный полупроводниковый прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом. (tranzistors.ru)

Первыми были изобретены полевые транзисторы (1928 год), а биполярные появилсь в 1947 году в лаборатории Bell Labs. И это была, без преувеличения, революция в электронике.

Очень быстро транзисторы заменили вакуумные лампы в различных электронных устройствах. В связи с этим возросла надежность таких устройств и намного уменьшились их размеры. И по сей день, насколько бы «навороченной» не была микросхема, она все равно содержит в себе множество транзисторов (а также диодов, конденсаторов, резисторов и проч.). Только очень маленьких.

Кстати, изначально «транзисторами» называли резисторы, сопротивление которых можно было изменять с помощью величины подаваемого напряжения. Если отвлечься от физики процессов, то современный транзистор тоже можно представить как сопротивление, зависящее от подаваемого на него сигнала.

В чем же отличие между полевыми и биполярными транзисторами? Ответ заложен в самих их названиях. В биполярном транзисторе в переносе заряда участвуют и электроны, и дырки («бис» - дважды). А в полевом (он же униполярный) - или электроны, или дырки.

Также эти типы транзисторов разнятся по областям применения. Биполярные используются в основном в аналоговой технике, а полевые - в цифровой.

И, напоследок: основная область применения любых транзисторов - усиление слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики

Биполярный транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. В зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой. Поскольку площадь контакта эмиттер-база получается значительно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами с помощью смены полярности подключения нельзя. Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам.

Прежде, чем рассматривать физику работы транзистора, обрисуем общую задачу.


Она заключаются в следующем: между эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора ), а между эмиттером и базой - слабый управляющий ток (ток базы ). Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы. Почему?
Рассмотрим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК). В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым, а второй - с обратным смещениями. Что же при этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки».

Поскольку переход ЭБ открыт, то электроны легко «перебегают» в базу. Там они частично рекомбинируют с дырками, но бо льшая их часть из-за малой толщины базы и ее слабой легированности успевает добежать до перехода база-коллектор. Который, как мы помним, включен с обратным смещением. А поскольку в базе электроны - неосновные носители заряда, то электирическое поле перехода помогает им преодолеть его. Таким образом, ток коллетора получается лишь немного меньше тока эмиттера. А теперь следите за руками. Если увеличить ток базы, то переход ЭБ откроется сильнее, и между эмиттером и коллектором сможет проскочить больше электронов. А поскольку ток коллектора изначально больше тока базы, то это изменение будет весьма и весьма заметно. Таким образом, произойдет усиление слабого сигнала, поступившего на базу . Еще раз: сильное изменение тока коллектора является пропорциональным отражением слабого изменения тока базы.

Помню, моей одногрупнице принцип работы биполярного транзистора объясняли на примере водопроводного крана. Вода в нем - ток коллектора, а управляющий ток базы - то, насколько мы поворачиваем ручку. Достаточно небольшого усилия (управляющего воздействия), чтобы поток воды из крана увеличился.

Помимо рассмотренных процессов, на p-n переходах транзистора может происходить еще ряд явлений. Например, при сильном увеличении напряжения на переходе база-коллектор может начаться лавинное размножение заряда из-за ударной ионизации. А вкупе с туннельным эффектом это даст сначала электрический, а затем (с возрастанием тока) и тепловой пробой. Однако, тепловой пробой в транзисторе может наступить и без электрического (т.е. без повышения коллекторного напряжения до пробивного). Для этого будет достаточно одного чрезмерного тока через коллектор.

Еще одно явления связано с тем, что при изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах меняется их толщина. И если база черезчур тонкая, то может возникнуть эффект смыкания (так называемый «прокол» базы) - соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.

Коллекторный ток транзистора в нормальном активном режиме работы транзистора больше тока базы в определенное число раз. Это число называется коэффициентом усиления по току и является одним из основных параметров транзистора. Обозначается оно h21 . Если транзистор включается без нагрузки на коллектор, то при постоянном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектора к току базы даст статический коэффициент усиления по току . Он может равняться десяткам или сотням единиц, но стоит учитывать тот факт, что в реальных схемах этот коэффициент меньше из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно уменьшается.

Вторым немаловажным параметром является входное сопротивление транзистора . Согласно закону Ома, оно представляет собой отношение напряжения между базой и эмиттером к управляющему току базы. Чем оно больше, тем меньше ток базы и тем выше коэффициент усиления.

Третий параметр биполярного транзистора - коэффициент усиления по напряжению . Он равен отношению амплитудных или действующих значений выходного (эмиттер-коллектор) и входного (база-эмиттер) переменных напряжений. Поскольку первая величина обычно очень большая (единицы и десятки вольт), а вторая - очень маленькая (десятые доли вольт), то этот коэффициент может достигать десятков тысяч единиц. Стоит отметить, что каждый управляющий сигнал базы имеет свой коэффициент усиления по напряжению.

Также транзисторы имеют частотную характеристику , которая характеризует способность транзистора усиливать сигнал, частота которого приближается к граничной частоте усиления. Дело в том, что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления снижается. Это происходит из-за того, что время протекания основных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. Т.е. транзистор просто не успевает реагировать на изменения входного сигнала и в какой-то момент просто перестает его усиливать. Частота, на которой это происходит, и называется граничной .

Также параметрами биполярного транзистора являются:

• обратный ток коллектор-эмиттер
• время включения
• обратный ток колектора
• максимально допустимый ток

Условные обозначения n-p-n и p-n-p транзисторов отличаются только направлением стрелочки, обозначающей эмиттер. Она показывает то, как течет ток в данном транзисторе.

Режимы работы биполярного транзистора

Рассмотренный выше вариант представляет собой нормальный активный режим работы транзистора. Однако, есть еще несколько комбинаций открытости/закрытости p-n переходов, каждая из которых представляет отдельный режим работы транзистора.

1. Инверсный активный режим . Здесь открыт переход БК, а ЭБ наоборот закрыт. Усилительные свойства в этом режиме, естественно, хуже некуда, поэтому транзисторы в этом режиме используются очень редко.
2. Режим насыщения . Оба перехода открыты. Соответственно, основные носители заряда коллектора и эмиттера «бегут» в базу, где активно рекомбинируют с ее основными носителями. Из-за возникающей избыточности носителей заряда сопротивление базы и p-n переходов уменьшается. Поэтому цепь, содержащую транзистор в режиме насыщения можно считать короткозамкнутой, а сам этот радиоэлемент представлять в виде эквипотенциальной точки.
3. Режим отсечки . Оба перехода транзистора закрыты, т.е. ток основных носителей заряда между эмиттером и коллектором прекращается. Потоки неосновных носителей заряда создают только малые и неуправляемые тепловые токи переходов. Из-за бедности базы и переходов носителями зарядов, их сопротивление сильно возрастает. Поэтому часто считают, что транзистор, работающий в режиме отсечки, представляет собой разрыв цепи.
4. Барьерный режим В этом режиме база напрямую или через малое сопротивление замкнута с коллектором. Также в коллекторную или эмиттерную цепь включают резистор, который задает ток через транзистор. Таким образом получается эквивалент схемы диода с последовательно включенным сопротивлением. Этот режим очень полезный, так как позволяет схеме работать практически на любой частоте, в большом диапазоне температур и нетребователен к параметрам транзисторов.

Схемы включения биполярных транзисторов

Поскольку контактов у транзистора три, то в общем случае питание на него нужно подавать от двух источников, у которых вместе получается четыре вывода. Поэтому на один из контактов транзистора приходится подавать напряжение одинакового знака от обоих источников. И в зависимости от того, что это за контакт, различают три схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). У каждой из них есть как достоинства, так и недостатки. Выбор между ними делается в зависимости от того, какие параметры для нас важны, а какими можно поступиться.

Схема включения с общим эмиттером

Эта схема дает наибольшее усиление по напряжению и току (а отсюда и по мощности - до десятков тысяч единиц), в связи с чем является наиболее распространенной. Здесь переход эмиттер-база включается прямо, а переход база-коллектор - обратно. А поскольку и на базу, и на коллектор подается напряжение одного знака, то схему можно запитать от одного источника. В этой схеме фаза выходного переменного напряжения меняется относительно фазы входного переменного напряжения на 180 градусов.

Но ко всем плюшкам схема с ОЭ имеет и существенный недостаток. Он заключается в том, что рост частоты и температуры приводит к значительному ухудшению усилительных свойств транзистора. Таким образом, если транзистор должен работать на высоких частотах, то лучше использовать другую схему включения. Например, с общей базой.

Схема включения с общей базой

Эта схема не дает значительного усиления сигнала, зато хороша на высоких частотах, поскольку позволяет более полно использовать частотную характеристику транзистора. Если один и тот же транзистор включить сначала по схеме с общим эмиттером, а потом с общей базой, то во втором случае будет наблюдаться значительное увеличение его граничной частоты усиления. Поскольку при таком подключении входное сопротивление низкое, а выходное - не очень большое, то собранные по схеме с ОБ каскады транзисторов применяют в антенных усилителях, где волновое сопротивление кабелей обычно не превышает 100 Ом.

В схеме с общей базой не происходит инвертирование фазы сигнала, а уровень шумов на высоких частотах снижается. Но, как уже было сказано, коэффициент усиления по току у нее всегда немного меньше единицы. Правда, коэффициент усиления по напряжению здесь такой же, как и в схеме с общим эмиттером. К недостаткам схемы с общей базой можно также отнести необходимость использования двух источников питания.

Схема включения с общим коллектором

Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь.

Напомню, что отрицательной называют такую обратную связь, при которой выходной сигнал подается обратно на вход, чем снижает уровень входного сигнала. Таким образом происходит автоматическая корректировка при случайном изменении параметров входного сигнала

Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению маленький (основной недостаток этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким образом, коэффициент усиления по мощности получается равным всего нескольким десяткам единиц.

В схеме с общим коллектором фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным - потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода.

Такое включение используют для согласования транзисторных каскадов или когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление (например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон).

Два слова о каскадах

Бывает такое, что нужно увеличить выходную мощность (т.е. увеличить коллекторный ток). В этом случае используют параллельное включение необходимого числа транзисторов.

Естественно, они должны быть примерно одинаковыми по характеристикам. Но необходимо помнить, что максимальный суммарный коллекторный ток не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора любого из транзисторов каскада.
Тем не менее (спасибо за замечание), в случае с биполярными транзисторами так делать не рекомендуется. Потому что два транзистора даже одного типономинала хоть немного, но отличаются друг от друга. Соответственно, при параллельном включении через них будут течь токи разной величины. Для выравнивания этих токов в эмиттерные цепи транзисторов ставят балансные резисторы. Величину их сопротивления рассчитывают так, чтобы падение напряжения на них в интервале рабочих токов было не менее 0,7 В. Понятно, что это приводит к значительному ухудшению КПД схемы.

Может также возникнуть необходимость в транзисторе с хорошей чувствительностью и при этом с хорошим коэффициентом усиления. В таких случаях используют каскад из чувствительного, но маломощного транзистора (на рисунке - VT1), который управляет энергией питания более мощного собрата (на рисунке - VT2).

Другие области применения биполярных транзисторов

Транзисторы можно применять не только схемах усиления сигнала. Например, благодаря тому, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, их используют в качестве электронных ключей. Также возможно использование транзисторов в схемах генераторов сигнала. Если они работают в ключевом режиме, то будет генерироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления - то сигнал произвольной формы, зависящий от управляющего воздействия.

Маркировка

Поскольку статья уже разрослась до неприлично большого объема, то в этом пункте я просто дам две хорошие ссылки, по которым подробно расписаны основные системы маркировки полупроводниковых приборов (в том числе и транзисторов): http://kazus.ru/guide/transistors/mark_all.html и файл.xls (35 кб) .

Полезные комментарии:
http://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133136/#comment_4419173

Теги:

• транзисторы
• биполярные транзисторы
• электроника

Добавить метки