Схемы включения биполярных транзисторов

Схемы включения биполярных транзисторов

Схемы включения транзисторов получили своё название в зависимости от того, какой из вы-

водов транзисторов будет являться общим для входной и выходной цепи.

1) Схема включения с общей базой ОБ

2) Схема включения с общим эмиттером ОЭ

3) Схема включения с общим коллектором ОК

4) Усилительные свойства биполярного транзистора.

1) Схема включения с общей базой (смотрите рисунок 64). Любая схема включения транзи- стора характеризуется двумя основными показателями:

- коэффициент усиления по току Iвых/Iвх (для схемы с общей базой Iвых/Iвх=Iк/Iэ=α [α<1])

- входное сопротивление Rвхб=Uвх/Iвх=Uбэ/Iэ.

Входное сопротивление для схемы с общей базой мало и составляет десятки Ом, так как вход- ная цепь транзистора при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзисто- ра. Недостатки схемы с общей базой:

· Схема не усиливает ток α<1

· Малое входное сопротивление

· Два разных источника напряжения для питания. Достоинства – хорошие температурные и частотные свойства.

2) Схема включения с общим эмиттером. Эта схема, изображенная на рисунке 66, являет- ся наиболее распространённой, так как она даёт наибольшее усиление по мощности.

Iвх = Iб Iвых = Iк Uвх = Uбэ Uвых = Uкэ

Рис. 66

β = Iвых / Iвх = Iк / Iб (n: 10÷100)

Rвх.э = Uвх / Iвх = Uбэ / Iб [Ом] (n: 100÷1000)

Коэффициент усиления по току такого каскада представляет собой отношение амплитуд (или действующих значений) выходного и входного переменного тока, то есть переменных состав- ляющих токов коллектора и базы. Поскольку ток коллектора в десятки раз больше тока базы, то коэффициент усиления по току составляет десятки единиц.

Коэффициент усиления каскада по напряжению равен отношению амплитудных или действую- щих значений выходного и входного переменного напряжения. Входным является переменное

напряжение база - эмиттер Uбэ, а выходным - переменное напряжение на резисторе нагрузки Rн или, что то же самое, между коллектором и эмиттером - Uкэ:

Напряжение база - эмиттер не превышает десятых долей вольта, а выходное напряжение при достаточном сопротивлении резистора нагрузки и напряжении источника Ек достигает еди- ниц, а в некоторых случаях и десятков вольт. Поэтому коэффициент усиления каскада по напряжению имеет значение от десятков до сотен. Отсюда следует, что коэффициент усиле- ния каскада по мощности получается равным сотням, или тысячам, или даже десяткам ты- сяч. Этот коэффициент представляет собой отношение выходной мощности к входной. Каж- дая из этих мощностей определяется половиной произведения амплитуд соответствующих то- ков и напряжений. Входное сопротивление схемы с общим эмиттером мало (от 100 до 1000

Ом). Каскад по схеме ОЭ при усилении переворачивает фазу напряжения, т. е. между выход-

ным и входным напряжением имеется фазовый сдвиг 180°.

Достоинства схемы с общим эмиттером:

· Большой коэффициент усиления по току

· Бóльшее, чем у схемы с общей базой, входное сопротивление

· Для питания схемы требуются два однополярных источника, что позволяет на практике обходиться одним источником питания.

Недостатки: худшие, чем у схемы с общей базой, температурные и частотные свойства. Одна- ко за счёт преимуществ схема с ОЭ применяется наиболее часто.

3) Схема включения с общим коллектором.

Iвх = Iб

Iвых = Iэ

Uвх = Uбк Uвых = Uкэ

Iвых / Iвх = Iэ / Iб = (Iк + Iб) / Iб = β + 1 = n n = 10 … 100

Rвх = Uбк / Iб = n (10÷100) кОм

В схеме с ОК (смотрите рисунок 67) коллектор является общей точкой входа и выхода, по- скольку источники питания Еб и Ек всегда шунтированы конденсаторами большой ёмкости и для переменного тока могут считаться короткозамкнутыми. Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. с. очень сильна от- рицательная обратная связь. Нетрудно видеть, что входное напряжение равно сумме перемен- ного напряжения база - эмиттер Uбэ и выходного напряжения. Коэффициент усиления по току каскада с общим коллектором почти такой же, как и в схеме с ОЭ, т. е. равен нескольким десяткам. Однако, в отличие от каскада с ОЭ, коэффициент усиления по напряжению схемы с ОК близок к единице, причем всегда меньше её. Переменное напряжение, поданное на вход транзистора, усилив а е т с я в д е с я т к и р а з ( т а к ж е , к а к и в схеме ОЭ), но весь каскад не даёт усиления. Коэффициент усиления по мощности равен примерно нескольким десяткам. Рассмотрев полярность переменных напряжений в схеме, можно установить, что фазового

сдвига между Uвых и Uвх нет. Значит, выходное напряжение совпадает по фазе с входным и почти равно ему. То есть, выходное напряжение повторяет входное. Именно поэтому данный каскад обычно называют эмиттерным повторителем и изображают схему так, как показано на рисунке 68.

Эмиттерным – потому, что резистор нагрузки включен в провод вывода эмиттера и выходное напряжение снимается с эмиттера (относительно корпуса). Так как входная цепь представляет собой закрытый коллекторный переход, входное сопротивление каскада по схеме ОК состав- ляет десятки килоом, что является важным достоинством схемы. Выходное сопротивление схемы с ОК, наоборот, получается сравнительно небольшим, обычно единицы килоом или сотни ом. Эти достоинства схемы с ОК побуждают использовать её для согласования раз- личных устройств по входному сопротивлению.

Недостатком схемы является то, что она не усиливает напряжение – коэффициент усиления чуть меньше 1.

4) Усилительные свойства биполярного транзистора. Независимо от схемы включения, транзистор характеризуется тремя коэффициентами усиления:

· KI = Iвых / Iвх – по току;

· KU = Uвых / Uвх = (Iвых ∙ Rн) / (Iвх ∙ Rвх) = KI ∙ Rн / Rвх – по напряжению;

· KP = Pвых / Pвх = (Uвых ∙ Iвых) / (Uвх ∙ Iвх) = KI∙KU – по мощности.

Для схемы с общей базой:

KI = Iк / Iэ = α (α<1)

KU = α ∙ (Rн / Rвх) Rн ≈ n ∙ 1кОм

Rвх ≈ n ∙ 10 Ω KU ≈ n ∙ 100

KP = KU / KI = n ∙ 100

Для схемы с общим коллектором:

KI = Iэ / Iб = β + 1 = n

KU = β ∙ (Rн / Rвх) ≈ n

KU < 1

Для схемы с общим эмиттером:

KI = Iк / Iб = β = n (10÷100)

KU = β ∙ (Rн / Rвх)

KP = KI ∙ KU = n ∙ (1000÷10000)

Работа усилительного каскада с транзистором происходит следующим образом. Представим транзистор переменным резистором ro, последовательно с которым включено нагрузочное сопротивление Rн и источник питания Е. Напряжение источника Е делится между сопротив- лением нагрузки RH и внутренним сопротивлением транзистора ro, которое он оказывает посто- янному току коллектора. Это сопротивление приближённо равно сопротивлению коллектор- ного перехода транзистора для постоянного тока. В действительности к этому сопротивле- нию ещё добавляются небольшие сопротивления эмиттерного перехода, а также n- и p-об- ластей, 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. Тогда

напряжение источника Е будет перераспределяться между Rн и ro. При этом переменное напряжение на резисторе нагрузки может быть получено в десятки раз большим, чем вход- ное переменное напряжение. Изменения тока коллектора почти равны изменениям тока эмит- тера и во много раз больше изменений тока базы. Поэтому в рассматриваемой схеме получа- ется значительное усиление тока и очень большое усиление мощности. Усиленная мощ- ность является частью мощности, затрачиваемой источником Е.