Основные схемы включения биполярных транзисторов

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

 

Усилительным каскадом называется схема с усилительным элементом (лампой, транзистором), предназначенная для усиления по току или напряжению. Существуют три основные схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ), см. рис. 7. Термин «общий» показывает, какой электрод транзистора является общим для входной и выходной цепей усилительного каскада.

Для расчёта характеристик каскадов применяются два метода: графический и аналитический. Графический метод расчёта является наглядным, но трудоемким, так как требует снятия семейств статических входных и выходных характеристик транзистора (см. лаб. работу № 1). При использовании аналитического метода расчёты можно проводить в основном на уровне собственных параметров транзистора (1.2) – (1.4).

 

УСИЛИТЕЛЬНЫЙ КАСКАД ПО СХЕМЕ ОЭ

 

В этой схеме нагрузка - сопротивление R _к - включается в цепь коллектора (рис. 7а). Выходной ток - ток коллектора I _к - больше входного тока - тока базы I _б, так как статический коэффициент усиления транзистора по токуb» 1.Поэтому в схеме ОЭ есть усиление по току, вследствие чего на нагрузочном сопротивлении R _к можно создать большее падение напряжения, чем на входе - между базой и эмиттером, то есть возможно усиление и по напряжению, а значит, и по мощности. Поэтому усилительный каскад по схеме ОЭ получил наибольшее распространение в радиоэлектронных устройствах на биполярных транзисторах.

При включении сопротивления R _к напряжение между кол-
лектором и эмиттером U _кэ отличается от напряжения источника
питания Е на величину падения напряжения на сопротивлении R _к, то есть U _кэ = Е – I _к × R _к, откуда

 

I _к = E / R _к - U _кэ / R _к. (2.1)

 

Зависимость I _к = I _к (U _кэ), определяемая формулой (2.1), описывает уравнение нагрузочной прямой, отсекающей на осях U _кэ и I _к отрезки, равные Е и Е / R _к соответственно. Действительно, при U _кэ = 0 ток коллектора I _к = E / R _к и при U _кэ = Е величина I _к = 0. На рис. 8а нагрузочная прямая ГД нанесена на семейство статических выходных характеристик.

	Рис. 8. а) выбор рабочей точки (Р) транзистора по его выходным статическим характеристикам и нагрузочной прямой (ГД) в усилительном каскаде по схеме ОЭ (б)

 

При заданном токе базы I _бр рабочая точка транзистора определяется как точка пересечения нагрузочной прямой ГД с соответствующей выходной характеристикой - зависимостью тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером, на рис. 8а, например, это точка Р. При изменении тока базы рабочая точка Р перемещается вдоль нагрузочной прямой, определяя своим положением ток коллектора I _кр и напряжение U _кэр между коллектором и эмиттером. Положение рабочей точки на нагрузочной прямой ГД и определяет режим работы транзистора.

Режим отсечки, при котором транзистор закрыт и в цепи коллектора течёт малый ток, создаваемый неосновными носителями, соответствует отрезку БД нагрузочной прямой. Для обеспечения режима отсечки в транзисторе р-n-р типа напряжение между базой и эмиттером U _бэ должно быть положительным или равно нулю. Однако практически напряжение U _бэ в этом режиме может иметь даже небольшую отрицательную величину (не более 0,2-0,3 В). Обычно в усилительном каскаде рабочая точка Р выбирается на участке БВ между малой областью насыщения (U _{к. нас}» 1В) и областью отсечки (U _{к. отс}). Положение рабочей точки зависит от типа усилителя (см. лаб. работу № 4). Для установления рабочей точки необходим определенный ток базы I _бр, обеспечивающий соответствующий ток коллектора I _кр и напряжение U _кэр. Ток базы I _бр можно установить несколькими способами, например, включением сопротивления R _б между источником питания и базой (рис. 8б). Падение напряжения на этом сопротивлении: I _бр× R _б = Е – U _бэр @ Е. Так как U _бэр ~ (0,3 ¸ 0,5) В << Е = 9 В, то величину сопротивления R _б можно рассчитать по приближенной формуле:

 

R _б @ Е / I _{б р} . (2.2)

 

Обычно 200 кОм < R _б < 500 кОм.

Г р а ф и ч е с к и м м е т о д о м коэффициент усиления каскада по напряжению К = (D U _кэ / D U _бэ) рассчитывается следующим образом. Изменение напряжения D U _кэ вычисляется по выходным, а D U _бэ - по входным характеристикам транзистора (см. рис. 4 и 5) при условии, что рабочая точка может смещаться только вдоль нагрузочной кривой ГД (рис. 8а).

При использовании а н а л и т и ч е с к о г о м е т о д а для входной цепи в схеме ОЭ:

 

D U _вх = D U _бэ = R _вх D I _б. (2.3)

 

Если рассматривать выходной ток I _к функцией двух переменных:
I _к = I _к (I _б, U _кэ), то его изменение может быть представлено в виде:

D I _к= (D I _к / D I _б) _{U кэ = const} D I _б + (D I _к / D U _кэ) _{I б = const} · D U _кэ =

 

= b ^. D I _б + D U _кэ / R _вых . (2.4)

 

В соотношениях (2.3) и (2.4) величины b, R _вх и R _вых - собственные параметры транзистора (1.2)-(1.4). Изменение выходного напряжения (на коллекторе) определяется изменением напряжения на нагрузочном сопротивлении R _к: D U _вых = -D U _кэ = - R _к D I _к . Коэффициент усиления по напряжению определяется следующим выражением:

 

К º D U _вых / D U _вх = - D U _кэ / D U _бэ = - (b / R _вх) ^. R _S , (2.5)

 

где

1 / R _S = 1 / R _к + 1 / R _вых. (2.6)

 

Величину R _S в формуле (2.5) можно рассматривать как общее выходное сопротивление каскада, которое согласно соотношению (2.6) можно рассматривать как параллельное соединение сопротивления нагрузки R _к и выходного сопротивления транзистора R _вых º R _кэ в схеме ОЭ. Отрицательное значение коэффициента К в формуле (2.5) означает, что входное и выходное напряжения изменяются в противофазе, то есть схема ОЭ инвертирует усиливаемый сигнал.

Таким образом, при заданных параметрах транзистора b, R _вх, R _вых в рабочей точкекоэффициент усиления каскада по напряжению определяется сопротивлением нагрузки в цепи коллектора R _к. Если это сопротивление отсутствует (R _к = 0), то К = 0, то есть усиления по напряжению нет. Если R _к ® ¥, то коэффициент | K | ® К _¥ = b R _вых / R _вх >> 1. Однако в реальных схемах обычно к выходу каскада подключается нагрузка, например, следующий каскад усиления, который оказывается
включенным параллельно выходному сопротивлению каскада
(см. лаб. работу № 3). Поэтому для согласования каскадов по сопротивлению целесообразно выбирать сопротивление R _к, не сильно превышающее R _вх следующего каскада. Обычно R _к берётся в пределах
1 кΩ < R _к < 10 кΩ.

Если подключить источник входного сигнала (или последующий усилительный каскад) непосредственно к базе транзистора (соответственно к коллектору), то через источник или нагрузочный каскад может появиться дополнительный постоянный ток и рабочая точка транзистора может сместиться. Чтобы исключить это влияние, используют разделительные конденсаторы С ₁ и С ₂ (см. рис. 8б). При их наличии подключение сопротивления источника сигнала R _i (или нагрузки R _н) не должно влиять на режим каскада не только по постоянному току, но и по переменному. Поэтому емкость С ₁ выбирают из условия, чтобы на низшей рабочей частоте усилительного каскада f _н выполнялось соотношение: 1/2 p f _н С ₁<< R _вх = R _бэ. Если значения f _н и R _вх заданы, то разделительная емкость С ₁ определяется из условия:

С ₁ >>1/2 p f _н R _вх . (2.7)

 

 

УСИЛИТЕЛЬНЫЙ КАСКАД ПО СХЕМЕ ОК

(ЭМИТТЕРНЫЙ ПОВТОРИТЕЛЬ)

В этой схеме сопротивление нагрузки R _э включается в цепь эмиттера (рис. 7б и рис. 9). Поскольку I _э @ I _к, то рабочую точку в схеме ОК можно опять определить с помощью семейства выходных характеристик (см. рис. 8а), нанеся на него нагрузочную прямую, соответст-вующую уже сопротивлению R _э. Соответствующее рабочей точке напряжение смещения на базе устанавливается включением сопротивления R_б, которое рассчитывается по формуле (2.2). Для схемы ОК (рис. 9) изменение выходного тока - тока эмиттера - определяется соотношением (2.4), где D U _кэ = – D I _э R _э, а значит, D I _э (1 + R _э / R _вых) = bD I _б. Обычно выполняется условие:
R _э / R _вых << 1, поэтому в схеме ОК отношение D I _э/D I _б @ b >> 1, то есть усиление по току в данной схеме есть. В схеме ОК между входным и выходным напряжением существует соотношение:

U _вх = U _вых + U _бэ , (2.8)

которое соответствует существованию положительной обратной связи: часть выходного напряжения подается снова на вход усилительного каскада, причём напряжения на входе и выходе совпадают по фазе. Поэтому схема ОК получила название эмиттерного повторителя. В соответствии с соотношением (2.8) U _вых < U _вх, поэтому коэффициент передачи по напряжению в схеме ОК К º D U _вых / D U _вх < 1, то есть усиления по напряжению в данной схеме нет. Расчёт показывает, что

К = 1– (D U _бэ / D U _вх) = (b + 1) R _э / ,(2.9)

 

где входное сопротивление в схеме ОК:

= D U _вх / D I _б = R _бэ + (b + 1) R _э. (2.10)

 

Если включить достаточно большое сопротивление в цепь эмиттера (R _э >> R _вх), то величина К ®1. Таким образом, в схеме ОК можно добиться увеличения входного сопротивления (по сравнению с = R _бэ в схеме ОЭ) на величину (b+ 1)× R _э. Так как обычно b R _э>> R _вх, то
= b R _э ~ 10⁵ Ом, то есть входное сопротивление в схеме ОК определяется сопротивлением в цепи эмиттера R _э и статическим коэффициентом передачи тока базы b.

Выходное сопротивление в данной схеме = D U _вых / D I _вых =
= R _э < 1 кОм. Поэтому эмиттерный повторитель используется часто как буферный каскад («развязка») во входных и выходных каскадах усилителей, когда нужно согласовать большое внутреннее сопротивление источника усиленного сигнала (в данном случае транзистора) с достаточно малым сопротивлением нагрузки (например, громкоговорителя).

 

Таблица 3