Политех в Сети

Сайт для Учебы

4.5. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Рейтинг пользователей: / 8
ХудшийЛучший 

Транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя электронно-дырочными переходами. Две крайние области полупроводникового кристалла однотипной проводимости разделены областью противоположной проводимости, как показано на рис. 4.13. Поскольку ток в полупроводниковых транзисторах обусловлен двумя типами носителей зарядов, то транзисторы называются биполярными. Биполярные транзисторы бывают типа и типа.

Рис.4.13. Структура и обозначение биполярных транзисторов

Средняя область транзистора называется базой. Левая на рисунке область транзистора называется эмиттер, правая - коллектор. Переход эмиттер-база называется эмиттерным переходом. Переход коллектор-база называется коллекторным переходом. Назначение эмиттера – инжекция подвижных носителей заряда, а коллектора – их экстракция.

На каждый переход можно подать как прямое, так и обратное напряжение. В соответствии с этим различают четыре режима работы транзистора:

Режим отсечки. В этом режиме на оба перехода подано обратное напряжение.

Режим насыщения. В этом режиме на оба перехода подано прямое напряжение.

Активный режим. В этом режиме на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный – обратное напряжение.

Инверсный активный режим. В этом режиме на эмиттерный переход подано обратное напряжение, а на коллекторный – прямое напряжение.

Режим отсечки и насыщения характерен для транзисторов, работающих в ключевом режиме. В режиме отсечки оба перехода смещены в обратном направлении и ток через транзистор отсутствует. В режиме насыщения оба перехода смещены в прямом направлении и через транзистор проходит максимальный прямой ток. В режимах отсечки и насыщения работают транзисторы схем цифровой электроники.

Инверсный активный режим используется достаточно редко.

В активном режиме к эмиттерному переходу источник питания подключается в прямом направлении, а к коллекторному - в обратном, как показано на рис. 4.14. В активном режиме работают транзисторы усилителей электрических сигналов.



Рис. 4.14.Механизм возникновения токов в транзисторе

Рассмотрим работу биполярного транзистора в активном режиме. Под влиянием напряжения, приложенного к эмиттерному переходу, потенциальный барьер на эмиттерном переходе уменьшается и начинается диффузия дырок из эмиттера в область базы, а электронов из базы в область эмиттера, то есть через переход начинает протекать ток. Источник питания к коллекторному переходу подключается в обратном направлении и коллекторный переход смещен в обратном направлении. При этом создается ускоряющее электрическое поле для дырок, достигающих коллекторного перехода. В случае транзистора, как показано на рис. 4.14, из эмиттера будет инжектироваться большое количество дырок в базу, которые создают ток эмиттера. В результате инжекции дырок из эмиттера в базу их концентрация на границе эмиттерного перехода становится больше, чем в остальном объеме базы. Вследствие этого начинается их движение в область базы к границе коллекторного перехода. Будучи в базе неосновными носителями, дырки будут перемещаться в области базы за счет диффузии, рекомбинируя с электронами базы. Рекомбинация дырок в базе вызывает соответствующий приток электронов из внешней цепи источника питания в область базы для восполнения электронов, рекомбинировавших с дырками, который создает ток базы. Так как база тонкая, то большинство дырок не успевает рекомбинировать с электронами и достигает коллекторного перехода. Вблизи коллекторного перехода поток дырок попадает под действие ускоряющего электрического поля обратно смещенного коллекторного перехода, что вызывает быстрый дрейф дырок через коллекторный переход в область коллектора, где они становятся основными носителями заряда и легко доходят до коллекторного вывода. В месте контакта коллектора и вывода источника питания дырки рекомбинируют со свободными электронами и создают ток во внешней цепи. Часть дырок успевает рекомбинировать в области базы, поэтому не все дырки инжектируемые эмиттером, доходят до коллекторного перехода. Вследствие этого коллекторный ток всегда меньше тока на величину тока базы .

Движение носителей тока в транзисторе приводит к появлению токов во внешней цепи. Ток коллектора течет по цепи: плюс источника - источник - эмиттер - база- коллектор - минус источника . Ток базы Течет по цепи: плюс источника - эмиттер – база – минус источника . Для уменьшения вероятности рекомбинации дырок в области базы, толщину базы делают немного меньше диффузионной длины пробега дырок. Для обеспечения односторонней инжекции, то есть максимального перехода дырок из эмиттера в область базы при минимальном переходе электронов из базы в эмиттер, концентрация дырок в эмиттере должна быть примерно в 100 раз больше концентрации электронов в базе. При этом эмиттер обладает меньшим удельным сопротивлением, чем база.

Токи в транзисторе связаны следующим соотношением:

. (4.25)

Доля носителей зарядов, инжектированных эмиттером в базу и достигших вследствие диффузии коллектора, оценивается статическим коэффициентом передачи эмиттерного тока:

, (4.26)

Величина которого для современных транзисторов составляет примерно .

Другим параметром транзистора является статический коэффициент передачи базового тока:

. (4.27)

Связь между и дает следующее выражение:

. (4.28)

Поскольку , то .

В транзисторе к составляющей коллекторного тока, обусловленной потоком инжектируемых эмиттером дырок, прибавляется составляющая обратного (теплового) тока коллекторного перехода .

При выяснении механизма протекания токов в транзисторе типа необходимо поменять полярности источников питания, подключаемых к эмиттеру и коллектору. При этом эмиттер будет инжектировать электроны.

На основе биполярных транзисторов создают усилители электрических сигналов. Сопротивление коллекторного перехода, смещенного в обратном направлении, намного больше сопротивления эмиттерного перехода. Для получения максимальной мощности в нагрузке необходимо согласовать сопротивление коллекторной нагрузки с выходным сопротивлением транзистора. Для этого сопротивление в цепи коллектора должно быть достаточно большим (в реальных схемах усилителей единицы килоом). При этом напряжение источника коллекторной батареи должно составлять единицы-десятки вольт. Если в цепь эмиттерного перехода включить источник переменного управляющего напряжения (источник сигнала), то через транзистор наряду с постоянными токами начнут протекать переменные составляющие токов базы ~, эмиттера ~ и коллектора ~, изменяющиеся по закону изменения управляющего напряжения. При этом мощность во входной цепи, затрачиваемая на управление эмиттерным переходом, будет равна:

~*~. (4.29)

Мощность переменного тока на выходе в коллекторной цепи будет равна:

~*~. (4.30)

Переменное напряжение на выходе в коллекторной цепи будет составлять при этом единицы вольт. А для эффективного управления эмиттерным переходом достаточны уровни управляющего напряжения равные нескольким значениям температурного потенциала . Кроме того, переменный ток коллектора в раз больше переменного тока базы. Таким образом, мощность переменного сигнала на выходе в коллекторной цепи значительно (в сотни - тысячи раз) превосходит мощность управляющего источника сигнала в цепи эмиттер-база. Усиление управляющего сигнала сводится к преобразованию постоянного тока источника коллекторной батареи в переменный ток, изменяющийся по закону напряжения, управляющего эмиттерным переходом.

4.5.1. Статические характеристики биполярных транзисторов.

При включении в цепь коллектора сопротивления нагрузки напряжение на коллекторном переходе меняется с изменением коллекторного тока за счет падения напряжения на сопротивлении нагрузки. В этом случае ток коллектора становится функцией двух одновременно меняющихся факторов. Ток коллектора зависит от напряжения на коллекторе и от тока базы:

(4.31)

В свою очередь ток базы зависит от потенциала базы относительно эмиттера и от напряжения на коллекторе:

(4.32)

Зависимость токов транзистора от двух меняющихся факторов значительно затрудняет анализ. Поэтому вначале рассмотрим работу транзистора в статическом режиме, то есть при отсутствии сопротивления нагрузки в цепи коллектора. В этом случае напряжения на коллекторном и эмиттерном переходах будут постоянными при изменении токов в транзисторе. При этом свойства транзистора можно характеризовать графическими зависимостями токов, называемых статическими характеристиками.

В зависимости от того, какой из электродов является общим для входной и выходной цепей, различают три схемы включения биполярного транзистора, показанные на рис.4.15: с общим эмиттером (ОЭ), с общей базой (ОБ) и с общим коллектором (ОК).

описание: 3

а б в

Рис. 4.15. Схемы включения биполярного транзистора:

А - с общим эмиттером; БС общей базой; В – с общим коллектором.

В транзисторах между собой связаны четыре величины: входные и выходные токи и входные и выходные напряжения. При этом для каждой схемы включения транзистора можно представить два семейства статических вольтамперных характеристик – входные и выходные. Входные статические характеристики представляют собой зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении:

при . (4.33)

Выходные статические характеристики - это зависимость выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном напряжении:

при (4.34)

Для каждой их трех схем включения существуют свои семейства характеристик. Входные и выходные характеристики транзистора имеют тесную связь с вольтамперной характеристикой диода. Действительно, входные характеристики относятся к эмиттерному переходу, работающему при прямом напряжении смещения на переходе. Поэтому они аналогичны характеристикам, представляющим зависимость прямого тока диода от напряжения. Выходные характеристики подобны характеристике обратного тока диода, так как они отображают свойства коллекторного перехода, работающего при обратном напряжении смещения.

Для снятия статических характеристик в любой схеме включения транзистора необходимо иметь регулируемые источники постоянного напряжения для изменения напряжений на эмиттерном и коллекторном переходах, два вольтметра и два миллиамперметра для измерения изменений входного и выходного напряжений и токов.

Входные статические характеристики транзистора в схеме с общей базой представляют собой зависимости тока эмиттера от напряжения на эмиттерном переходе при постоянном напряжении на коллекторном переходе:

при . (4.35)

На рис. 4.16 представлены три входные характеристики транзистора, включенного по схеме с общей базой, при разных напряжениях на коллекторе относительно базы.

Характеристика при 0В представляет собой обычную характеристику перехода, включенного в прямом направлении.

описание: входныех-киобаза

Рис. 4.16. Входные статические характеристики транзистора в схеме с общей базой

С увеличением отрицательных напряжений на коллекторном переходе увеличивается ширина запорного слоя, а толщина базы становится меньше, что ускоряет прохождение дырок эмиттера через базу в область коллектора, поэтому ток эмиттера несколько увеличивается и характеристики располагаются левее. Это так называемый эффект модуляции толщины базы. По входным характеристикам можно рассчитать входное сопротивление транзистора как отношение приращения напряжения к приращению тока, взяв две точки на одной из характеристик:

при . (4.36)

Входное сопротивление транзистора в схеме с ОБ мало и составляет единицы-десятки Ом, потому что эмиттерный переход смещен в прямом направлении и малые изменения напряжения на нем вызывают большие изменения тока эмиттера.

Выходные статические характеристики транзистора (рис.4.17), включенного по схеме с общей базой, представляют собой зависимости

при . (4.37)

описание: выходныестатичх-киобщаябаза

Рис. 4.17. Выходные статические характеристики транзистора в схеме с общей базой

Характеристика, снятая при 0, представляет собой характеристику перехода, включенного в обратном направлении. Ток коллектора при этом вызван неосновными носителями. Выходные характеристики имеют очень малый наклон и почти параллельны горизонтальной оси. Это объясняется тем, что дырки эмиттера достигают коллектора за счет диффузии и ускоряющее поле коллектора мало влияет на величину коллекторного тока. Уже при напряжениях, близких к нулю, ток коллектора достигает величины насыщения и затем мало меняется. Выходное сопротивление транзистора можно найти по выходным характеристикам:

при (4.38)

Выходное сопротивление в схеме с общей базой велико и может составлять сотни килом - единицы мегом.

Коэффициент передачи эмиттерного тока в схеме с общей базой можно рассчитать по выходным статическим характеристикам:

при . (4.39)

Поскольку , схема с общей базой не усиливает по току.

Статические входные характеристики транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, представляют собой зависимости

при . (4.40)

Входные статические характеристики транзистора представлены на рис. 4.18.

описание: входнаястатичх-каобщийэмиттер

Рис. 4.18. Входные статические характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером

Из характеристик видно, что с увеличением прямого напряжения на эмиттерном переходе увеличивается ток базы, поскольку с увеличением прямого напряжения увеличивается количество дырок, переходящих из эмиттера в базу, и увеличивается вероятность рекомбинации.

Изменение напряжения на коллекторе относительно эмиттера также влияет на величину тока базы. С увеличением отрицательного напряжения на коллекторе ток базы уменьшается. Это вызвано эффектом модуляции толщины базы. При этом характеристики смещаются немного вправо.

По входным статическим характеристикам можно рассчитать входное сопротивление транзистора:

при . (4.41)

Входное сопротивление транзистора в схеме с общим эмиттером мало и составляет сотни ом – единицы килоом.

Выходные статические характеристики транзистора в схеме ОЭ представляют собой зависимости

при . (4.42)

Семейство выходных статических характеристик приведено на рис. 4.19. При токе базы равном нулю через транзистор протекает обратный ток неосновных носителей. С увеличением тока базы пропорционально увеличивается ток коллектора.

описание: выходнаястатичх-каобщийэмиттер

Рис. 4.19. Выходные статические характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером

В схеме с ОЭ напряжение, приложенное к переходу коллектор-база, равно , так как между точками коллектор-база эти напряжения включены навстречу друг другу. Поэтому при коллекторный переход смещается в прямом направлении и через транзистор протекает большой прямой ток. Это соответствует режиму насыщения транзистора, так как при этом оба перехода смещены в прямом направлении. На участке крутизна характеристик становится небольшой и выходное сопротивление увеличивается. Этот участок характеристик соответствует активному режиму работы транзистора. По выходным характеристикам выходное сопротивление транзистора равно:

при . (4.43)

Выходное сопротивление транзистора в схеме с ОЭ составляет единицы-десятки килоом.

По выходным статическим характеристикам можно рассчитать коэффициент усиления тока базы в схеме с ОЭ :

при . (4.44)

Схема с ОЭ отличается большим усилением по току, то есть небольшие приращения тока базы на входе вызывают большие приращения тока коллектора на выходе. Вместе с тем, схема с ОЭ обладает усилением по напряжению, так как благодаря большому выходному сопротивлению в цепь коллектора можно включать достаточно большое сопротивление, падение напряжения на котором будет значительно больше напряжения, поданного на вход.

Схема с общим коллектором имеет много общего со схемой с ОЭ. В этих схемах управляющим током является ток базы, а выходные токи И Различаются мало. Поэтому семейство выходных характеристик схемы с ОК такое же, как семейство выходных характеристик схемы с ОЭ, если в них заменить ток коллектора током эмиттера.

Входное семейство характеристик схемы с ОК по сравнению с семейством характеристик схемы с ОЭ будет сдвинуто вправо на величину напряжения на коллекторном переходе.

4.5.2. Параметры и свойства биполярных транзисторов.

Биполярные транзисторы управляются током при изменении напряжения на эмиттерном переходе. Поэтому они отличаются не очень большой величиной входного сопротивления. В схеме с ОБ величина входного сопротивления составляет единицы-десятки Ом, в схеме с ОЭ – сотни Ом - единицы килоом. Малое входное сопротивление нагружает источники сигналов.

Важными параметрами транзисторов, которые обязательно приводят в паспортных данных, являются максимальное напряжение на коллекторе и допустимая мощность рассеяния. Так как токи коллекторного и эмиттерного переходов примерно одинаковы, то выделяемая на переходе мощность определяется падением напряжения на переходе. Максимальная мощность будет выделяться на коллекторном переходе. Максимальная мощность, рассеиваемая транзистором, ограничена допустимой температурой переходов, так как при протекании тока в транзисторе выделяется тепло. Максимальная допустимая температура коллекторного перехода для германиевых транзисторов , а для кремниевых транзисторов - . Для отвода тепла корпус мощных транзисторов крепят на специальных металлических радиаторах с большой поверхностью охлаждения. Радиаторы изготавливают из металлов с большой теплопроводностью - алюминий, медь. В качестве радиатора часто используют шасси прибора. Следует иметь в виду, что в мощных транзисторах для улучшения теплоотвода коллектор имеет тепловой контакт с корпусом транзистора. В этом случае корпус транзистора необходимо отделить от шасси или радиатора изолирующей прокладкой.

Максимально допустимое напряжение на коллекторе – это предельное значение напряжения на коллекторном переходе, при превышении которого происходит пробой перехода и транзистор выходит из строя. Рабочее напряжение на коллекторе должно быть равно или меньше максимально допустимого значения.

Биполярные транзисторы разных типов различаются по своим частотным свойствам. Частотные свойства биполярных транзисторов зависят от нескольких факторов. На высоких частотах время перехода носителей тока через область базы становится соизмеримым с периодом высокочастотного электрического сигнала. Это приводит к уменьшению коэффициента передачи эмиттерного тока и заметному сдвигу по фазе между токами эмиттера и коллектора.

Другой причиной, ограничивающей частотные возможности транзисторов, являются паразитные емкости эмиттерного и коллекторного переходов. Величина этих емкостей небольшая – единицы – десятки пикофарад. Емкость эмиттерного перехода в схеме усилителя подключена параллельно источнику входного сигнала, а емкость коллекторного перехода – параллельно нагрузке. С изменением частоты изменяется емкостное сопротивление. Емкость коллекторного перехода шунтирует сопротивление нагрузки, уменьшая сопротивление нагрузки и, следовательно, уменьшая усиление каскада.

Частотные свойства транзисторов зависят также и от подвижности носителей тока. Подвижность – это скорость, приобретаемая носителем тока в электрическом поле с напряженностью 1В/см. Подвижность электронов в два раза выше подвижности дырок, поэтому транзисторы типа имеют примерно в два раза более высокую граничную частоту по сравнению с транзисторами типа с такой же толщиной базы. В кремниевых транзисторах подвижность носителей тока меньше, чем в германиевых.

Для оценки частотных свойств транзисторов вводится такой параметр, как граничная частота коэффициента усиления тока в схеме с ОЭ. Это такая частота, на которой модуль коэффициента усиления по току становится равным 1. Граничные частоты современных биполярных транзисторов составляют единицы гигагерц.

Характеристики транзистора подвержены влиянию температуры. При увеличении температуры электронам валентной зоны полупроводника сообщается дополнительная энергия и увеличивается количество электронов, которые переходят из валентной зоны в зону проводимости. Вследствие этого увеличивается количество как основных, так и неосновных носителей тока. Кроме того, с увеличением температуры увеличивается подвижность носителей тока. Особенно сильно влияет повышение температуры на обратный ток коллекторного перехода. Температурная зависимость этого тока выражается формулой:

, (4.45)

Где :И - обратный ток при температуре и ;

– температурный коэффициент, величина которого для разных транзисторов принимает значения от 0,06 до 0,1.

Если принять 0,1, то из последнего выражения следует, что обратный ток увеличится в 2,7 раза при изменении температуры на .

При одной и той же температуре ток кремниевых транзисторов значительно меньше, чем у германиевых, так как запрещенная зона кремния шире, чем у германия и для ее преодоления требуется больше энергии. С ростом температуры увеличиваются токи эмиттера, базы и коллектора, поэтому входные и выходные характеристики схем с ОБ и ОЭ смещаются вверх.

4.5.3. Схемы задания режима работы транзистора по постоянному току.

Транзистор в схеме усилителя напряжения должен работать в активном режиме. Для обеспечения активного режима необходимо подать определенные постоянные напряжения для смещения эмиттерного перехода в прямом направлении и коллекторного перехода – в обратном направлении. При этом через транзистор начинают протекать постоянные составляющие токов базы, эмиттера и коллектора. При подаче на вход каскада переменного напряжения сигнала к постоянным составляющим токов добавляются переменные составляющие, повторяющие форму входного сигнала. Чтобы выделить на выходе усиленный сигнал, в цепь коллектора включают сопротивление нагрузки. Небольшие изменения напряжения сигнала на входе вызывают приращения токов базы, эмиттера и коллектора и значительные изменения переменного напряжения на выходе каскада. В схеме с ОЭ коллекторный ток получит приращение . Поскольку 1, то переменная составляющая приращения тока коллектора намного больше переменной составляющей приращения тока базы. Так как величина сопротивления коллекторной нагрузки составляет единицы килом, то на сопротивлении нагрузки выделится гораздо большее переменное напряжение, чем поданное на вход. При этом форма усиленного сигнала в коллекторной цепи должна совпадать с формой сигнала на входе. Для этого необходимо обеспечить линейную зависимость между выходным и входным напряжениями сигнала. Линейную зависимость между ними можно обеспечить выбором уровня постоянного напряжения на эмиттерном переходе. Точка на статической характеристике, однозначно определяемая постоянным напряжением на эмиттерном и коллекторном переходах при отсутствии сигнала, называется рабочей точкой. Постоянное напряжение, которое подается на эмиттерный переход для выбора рабочей точки, называется напряжением смещения. Чтобы обеспечить совпадение формы выходного напряжения с формой входного сигнала, рабочую точку необходимо выбирать на середине линейного участка входной характеристики.

Для подачи смещения на эмиттерный переход не нужен отдельный источник напряжения – наиболее экономично использовать для этого источник напряжения коллекторной цепи. Различают два способа подачи смещения: фиксированным током и фиксированным напряжением.

Рассмотрим простейший усилительный каскад на транзисторе P-N-P типа в активном режиме в схеме с общим эмиттером, представленный на рис. 4.20.

описание: 3

Рис. 4.20. Схема задания напряжения смещения фиксированным током

В активном режиме на эмиттерный переход надо подать прямое напряжение смещения, а на коллекторный – обратное. Если принять потенциал базы за нулевой, то для создания активного режима необходимо подать положительное напряжение на эмиттер, и отрицательное - на коллектор. Такой режим может обеспечить схема с фиксированным током базы. Через резистор База подсоединена к отрицательному полюсу коллекторной батареи. При отсутствии напряжения сигнала по цепи земля - эмиттерный переход - сопротивление - минус протекает постоянный ток базы . Величина этого тока выбирается в зависимости от необходимого положения рабочей точки. Рабочая точка на входной характеристике задается соответствующим выбором постоянных напряжений смещения на базе относительно эмиттера и напряжения . Напряжение смещения на базе равно:

. (4.46)

По входной статической характеристике можно выбрать положение рабочей точки на линейном участке и соответствующие рабочей точке напряжения и . При этом можно определить величину резистора в цепи базы:

. (4.47)

Недостатком такого способа задания смещения является нестабильность режима работы при изменении температуры и смене транзисторов.

Смещение на эмиттерный переход можно задать также фиксированным напряжением. Схема задания смещения фиксированным напряжением представлена на рис. 4.21. В этой схеме напряжение смещения на эмиттерный переход задается делителем напряжения +Из резисторов , В цепи базы.

Рис. 4.21. Схема задания смещения фиксированным напряжением.

Для устранения влияния тока базы на напряжение смещения необходимо выбрать резисторы делителя так, чтобы ток делителя был в несколько раз больше тока базы при максимальном сигнале. Это условие ограничивает величину резисторов, что приводит к уменьшению входного сопротивления схемы. Величина напряжения смещения на базе относительно эмиттера при этом определяется следующим выражением:

. (4.49)

Существенным недостатком рассмотренных схем задания напряжения смещения является нестабильность положения рабочей точки при изменении температуры. С увеличением температуры концентрация основных и неосновных носителей тока увеличивается, так как большее число электронов переходит из валентной зоны в зону проводимости. Эти процессы приводят к тому, что с увеличением температуры изменяется положение и крутизна выходных статических характеристик. Для уменьшения влияния температурных изменений применяют специальные методы температурной стабилизации. Так как с увеличением температуры ток коллектора увеличивается, то в схемах температурной стабилизации воздействуют на цепи смещения так, чтобы с увеличением температуры ток коллектора автоматически уменьшался. Один из методов температурной стабилизации рабочей точки реализован в схеме, представленной на рис. 3.22.

описание: 3

Рис. 4.22. Схема с температурной стабилизацией рабочей точки.

В этой схеме температурная стабилизация рабочей точки осуществляется за счет падения напряжения на резисторе . Ток эмиттера создает на нем падение напряжения, равное . Напряжение смещения, приложенное к эмиттерному переходу, равно алгебраической сумме напряжений на резисторах и :

. (4.49)

Напряжение, снимаемое с резистора , подается на эмиттерный переход в прямом направлении. Напряжение с резистора Подается на эмиттерный переход в обратном направлении.

При отсутствии входного переменного сигнала в схеме устанавливаются определенные постоянные напряжения на базе, эмиттере и коллекторе и протекают постоянные токи , и . Повышение температуры вызывает увеличение тока эмиттера на величину , тока коллектора на величину и тока базы на величину . Приращения токов вызовут соответствующие изменения напряжений на базе, эмиттере и коллекторе транзистора. Поскольку ток базы получает очень малое приращение по сравнению с приращением тока эмиттера, то изменение тока базы мало скажется на величине напряжения на базе. В то же время изменение тока эмиттера приведет к увеличению падения напряжения на резисторе . Поскольку это напряжение к эмиттерному переходу приложено в обратном направлении, то его увеличение вызовет уменьшение напряжения смещения и уменьшение эмиттерного тока, что вернет рабочую точку в исходное положение. Чтобы не ухудшать усилительные свойства каскада

Для переменного сигнала резистор зашунтировали конденсатором , величина которого выбирается из условия:

, (4.50)

Где - самая низкая частота в спектре усиливаемого сигнала.

Цепочка - называется цепочкой температурной стабилизации. Стабилизирующее действие этой цепочки увеличивается с увеличением и уменьшением резисторов и В цепи базы. Эта схема является наиболее эффективной стабилизирующей схемой.

4.5.4. Работа транзистора в режиме малого сигнала

Схема с общим эмиттером.

Режим работы транзистора с нагрузкой называется динамическим.

Рассмотрим отдельно каждую из трех схем включения транзистора, когда к входу подключен генератор гармонического сигнала. Схема с общим эмиттером на транзисторе типа представлена на рис. 4.23. Напряжение на коллекторе каскада по постоянному току равно:

. (4.51)

При подключении к входу каскада генератора сигналов к постоянным составляющим токов добавляются соответствующие переменные составляющие токов.

описание: динамическийрежимсхемаоэ

Рис. 4.23. Схема с ОЭ в динамическом режиме

Направление переменных составляющих токов по отношению к направлению постоянных составляющих будет зависеть от полярности входного сигнала. При положительной полуволне входного сигнала эмиттерный и коллекторный токи увеличиваются, так как входной сигнал смещает эмиттерный переход в прямом направлении. При этом они будут совпадать по направлению с постоянными составляющими токов. При отрицательной полярности входного сигнала переменные составляющие токов будут противоположны направлению постоянных составляющих и токи транзистора будут уменьшаться. С учетом этого переменное напряжение на коллекторе будет изменяться в противофазе по отношению к входному сигналу. Таким образом, схема с ОЭ поворачивает фазу входного сигнала на 180.

Схема с ОЭ обеспечивает усиление по току и по напряжению. Коэффициент усиления тока базы для разных транзисторов составляет десятки-сотни раз. Такого же порядка и коэффициент усиления переменного напряжения сигнала. Коэффициент усиления входного сигнала по мощности может составлять десятки тысяч раз.

В динамическом режиме изменение переменного напряжения на эмиттерном переходе вызывает соответствующее изменение переменного напряжения на коллекторном переходе. Для снятия динамической характеристики в цепь коллектора включается соответствующее сопротивление нагрузки. Из уравнения (3.49) найдем зависимость :

. (4.52)

Это уравнение прямой с угловым коэффициентом

Выходную динамическую характеристику строят на семействе выходных статических характеристик, исходя из заданных значений и , как показано на рис.4.24.

описание: динамическаях-какаскадаоэ

Рис. 4.24. Динамическая характеристика каскада по схеме с ОЭ

По оси напряжений откладывают отрезок, равный , а по оси токов - отрезок, равный , и через эти точки проводят прямую, которая представляет динамическую характеристику каскада. Динамическая характеристика называется нагрузочной прямой. В динамическом режиме рабочая точка перемещается по нагрузочной прямой в процессе изменения уровня входного сигнала.

Схема с общей базой.

На рис. 4.25 представлена схема с общей базой.

описание: динамическийрежимсхемаоб

Рис. 4.25. Каскад по схеме с общей базой

В цепь коллектора включено сопротивление нагрузки . Смещение на эмиттерный переход подается фиксированным напряжением от источника коллекторной батареи с помощью резисторного делителя , . Конденсатор обеспечивает нулевой потенциал базы по переменному току. Величина конденсатора должна быть такой, чтобы его сопротивление удовлетворяло условию:

, (4.53)

Где - самая низкая частота в спектре усиливаемых сигналов.

Если к входу каскада подключить генератор гармонического сигнал, то при положительной полуволне сигнала ток через транзистор будет увеличиваться, так как эмиттерный переход смещается при этом в прямом направлении, а при отрицательной полуволне – уменьшаться, так как переменная составляющая тока будет противоположна по направлению постоянной составляющей тока. Напряжение на коллекторной нагрузке в схеме с ОБ будет совпадать по фазе с напряжением входного сигнала.

Коэффициент усиления по току схемы с ОБ меньше 1, так как входным током является ток эмиттера, а выходным током – ток коллектора. Коэффициент усиления по напряжению может составлять сотни - тысячи раз.

Схема с общим коллектором

Схема с общим коллектором представлена на рис. 4.26. К входу подключен генератор гармонического сигнала. Сопротивление нагрузки в этой схеме включено в цепь эмиттера. Потенциал коллектора по переменной составляющей равен нулю.

описание: схемаок(эмиттерныйповторитель)

Рис. 4.26. Схема с общим коллектором

Выходное напряжение, снимаемое с сопротивления нагрузки , оказывается подключенным к эмиттерному переходу последовательно с напряжением сигнала, поданным на вход. При положительной полуволне сигнала на входе (плюс на базе, а минус на эмиттере), выходное напряжение приложено так, что плюс его на эмиттере, а минус - на базе. Это значит, что напряжение сигнала на входе и выходное напряжение включены навстречу друг другу и результирующее напряжение равно разности этих напряжений. Чтобы подать необходимое напряжение сигнала на эмиттерный переход, необходимо скомпенсировать выходное напряжение. Поэтому входное напряжение должно быть больше выходного напряжения. Напряжение на входе схемы с ОК равно:

. (4.54)

Так как , то коэффициент усиления схемы с ОК по напряжению меньше 1.

Коэффициент усиления по току в этой схеме равен:

(4.55)

Схема с ОК дает незначительное увеличение коэффициента усиления по току по сравнению со схемой с ОЭ. Коэффициент усиления по мощности немного меньше коэффициента усиления по току.

Выясним фазовые соотношения между входным и выходным сигналом. Положительная полуволна сигнала на входе вызывает увеличение тока через транзистор и увеличение падения напряжения на сопротивлении нагрузки, а отрицательная полуволна – уменьшение тока и уменьшение напряжения на выходе. В этой схеме потенциал эмиттера с небольшой разницей отслеживает потенциал базы. Схема с ОК не инвертирует фазу входного сигнала. Схему с ОК называют еще эмиттерный повторитель, так как напряжение на выходе повторяет входное напряжение по величине и по фазе.

Особенностью схемы с ОК является большое входное сопротивление и малое выходное сопротивление. Входное напряжение больше выходного напряжения, а входной ток значительно меньше выходного тока. Поэтому:

(4.56)

Величина Может составлять сотни ом единицы килоом, поэтому входное сопротивление схемы с ОК может составлять десятки – сотни килоом.

Выходное напряжение приложено к эмиттерному переходу и небольшое изменение выходного напряжения вызывает большие изменения тока эмиттера. Поэтому Может составлять десятки- сотни Ом. Большое значение входного сопротивления и малое значение выходного сопротивления обусловлены в схеме с ОК тем, что часть энергии выходного сигнала в виде переменного напряжения с выхода схемы поступает обратно на вход схемы в противофазе по отношению к напряжению, действующему на входе. Выходное напряжение последовательно включено по отношению к напряжению на входе. Это соответствует наличию в этой схеме 100% последовательной отрицательной обратной связи по напряжению. Как будет показано дальше, отрицательная последовательная обратная связь по напряжению увеличивает входное сопротивление и уменьшает выходное сопротивление каскада.

Большое значение И малое значение Позволяют использовать схему с ОК в качестве согласующего звена между одним каскадом с высоким выходным сопротивлением и другим каскадом с малым входным сопротивлением.