Схемы включения транзисторов, параметры и характеристики

Существуют три способа включения транзистора в зависимости от того, какой вывод транзистора является общим для входной и выходной цепи: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК) (рис. 3.26, а. б, в).

Каждая из схем включения транзистора обладает особенностями, которые проявляются в различии параметров и характеристик. Как правило, представляют интерес следующие параметры:

- коэффициент усиления (передачи) по току K_I = ∆I_вых/∆I_вх (отношение небольшого приращения выходного тока к соответствующему приращению входного);

- коэффициент усиления (передачи) по напряжению K_U = ∆U_вых/∆U_вх (отношение небольшого приращения выходного напряжения к соответствующему приращению входного);

- коэффициент усиления по мощности K_p = P_вых/P_вх (отношение выходной мощности, отдаваемой схемой в нагрузку, к мощности, затраченной на входе схемы);

- входное сопротивление R_вх = ∆U_вх/∆I_вх;

- выходное сопротивление R_вых, определяемое внутренним сопротивлением схемы как источника напряжения.

I_к = aI_э + I_ко,

из которого следует, что коэффициент передачи по току для схемы ОБ

K_I(б) = ∆I_к/∆I_э = a < 1.

Таким образом, схема ОБ не обладает усилением по току.

Коэффициент усиления по напряжению K_U(б) = ∆U_кб/∆U_эб измеряется десятками и сотнями единиц. Это связано с тем, что переход эмиттер-база смещен в прямом направлении и напряжение U_эб на нем не превышает 1-1,5 В (прямое падение напряжения на p-n-переходе), а переход коллектор-база смещен в обратном направлении и напряжение U_кб на нем в зависимости от типа транзистора может составлять десятки и сотни вольт.

Коэффициент усиления по мощности, равный произведению коэффициентов усиления по току и по напряжению K_p(б) = K_I(б) K_U(б) также измеряется десятками и сотнями единиц.

Входное сопротивление R_вх(б) = ∆U_эб/∆I_э определяется сопротивлением прямо смещенного p-n-перехода эмиттер-база и в зависимости от типа транзистора и участка входной характеристики, где измеряется сопротивление, составляет единицы или десятки Ом.

Выходное сопротивление R_вых(б) = r_к(б) определяется внутренним сопротивлением обратно смещенного p-n-перехода коллектор-база и составляет сотни килоом или единицы мегаом.

Схема ОБ не нашла широкого применения из-за отсутствия усиления по току. Однако основные ее достоинства: высокая температурная стабильность высокая граничная частота усиления.

Схема (ОЭ). Для схемы ОЭ (рис. 3.26, б) входным током является ток базы I_б, а выходным – ток коллектора I_к. В соответствии с законом Кирхгофа

I_э = I_к + I_б (3.2)

Подставив выражение (2) в выражение (1), получим:

(1-a) I_к = a I_б + I_ко.

Поделив все члены полученного выражения на (1-a), получим основное уравнение тока коллектора в схеме с общим эмиттером

I_к = b I_б + (b+1) I_ко, (3.3)

где b = a/(1-a) – коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером. Величина коэффициента усиления по току b измеряется десятками и сотнями единиц (b = 10 –1000). Таким образом, схема ОЭ обладает усилением по току:

K_I(э) = ∆I_к/∆I_б = b = a/(1-a).

Иногда уравнение (3) записывают в другом виде

I_к = b I_б + I^*_ко,

где I^*_ко = (b+1) I_ко – тепловой ток транзистора в схеме с общим эмиттером.

Коэффициент усиления по напряжению K_U(э) = ∆U_кэ/∆U_эб практически такой же как и в схеме ОБ, так как напряжения U_кэ и U_кб отличаются незначительно.

Коэффициент усиления по мощности K_p(э) = K_I(э) K_U(э) во много раз больше, чем в схеме ОБ, так как схема ОЭ обладает усилением по току.

Входное сопротивление R_вх(э) = ∆U_эб/∆I_б примерно на порядок выше, чем в схеме ОБ, и составляет десятки или сотни Ом.

Выходное сопротивление R_вых(э) так же как и в схеме ОБ определяется внутренним сопротивлением обратно смещенного p-n-перехода коллектор-база и составляет сотни килоом или единицы мегаом.

Схема ОЭ находит наибольшее применение в схемотехнике электронных устройств, так как обладает усилением по току, напряжению и мощности. Недостатком схемы по сравнению а схемой ОБ является большая величина неуправляемого теплового тока. Для уменьшения теплового тока приходится принимать специальные меры.

На рис. 3.27 приведены вольт-амперные характеристики маломощного транзистора в схеме ОЭ.

Выходные характеристики транзистора в схеме ОЭ определяют зависимость коллекторного тока I_к = F(U_кэ) при I_б = const (рис. 3.27, а). На характеристиках можно выделить три области: I – начальная область, II – рабочий участок транзистора, работающего в режиме усиления (слабая зависимость I_к от U_кэ) и III – пробой коллекторного перехода

Некоторое возрастание тока коллектора при повышении напряжения U_кэ на участке II связано с увеличением коэффициента усиления b за счет эффекта модуляции базы. Наклон характеристики на этом участке характеризуется дифференциальным сопротивлением коллекторного перехода r_к(э) = dU_кэ/dI_к при I_б = const, которое может быть найдено по выходной характеристике как отношение приращений напряжения и тока. Уравнение выходной характеристики на участке II имеет вид

I_к = b I_б + U_кэ/r_к(э) + (b+1) I_ко, (3.4)

где за наклон характеристики «отвечает» второе слагаемое уравнения.

Нулевому входному току I_б = 0 соответствует ток I_ко(э) = (b+1) I_ко = I^*_ко, называемый начальным или сквозным (рис. 3.27, а).

Если эмиттерный переход перевести в непроводящее состояние, т.е. подать напряжение в данном случае U_эб >0, то ток коллектора снизится до I_ко (рис. 3.27, а) и будет определяться обратным током коллекторного перехода I_ко, протекающим по цепи база-коллектор.

Наличие составляющей I^*_ко = (b+1) I_ко в выражении (6) является одой из главных причин температурной зависимости выходных характеристик транзистора. Влияние температуры приводит к изменению тока I^*_ко и смещению характеристик вверх при повышении температуры (пунктирные кривые на рис. 3.27, а).

Входные (базовые) характеристики транзистора отражают зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер при фиксированном напряжении коллектор-эмиттер: I_б = F(U_эб) при U_кэ = const (рис. 3.27, б).

При U_кэ = 0 входная характеристика соответствует прямой ветви вольтамперной характеристики двух p-n-переходов (эмиттерного и коллекторного), включенных параллельно. Ток базы при этом равен сумме токов эмиттера и коллектора, работающего в режиме эмиттера.

При U_кэ > 0 ток базы составляет малую часть тока эмиттера. При определенной величине U_эб подача напряжения U_кэ > 0 вызывает уменьшение тока I_б, т.е. смещение вниз характеристик относительно кривой со значением U_кэ = 0.

В токе I_б присутствует составляющая I_ко. Поэтому при U_кэ > 0 входные характеристики исходят из точки с отрицательным значением тока базы, равным I_ко.

Схема ОК. Для схемы ОК (рис. 3.26, в) входным током является ток базы I_б, а выходным – ток эмиттера I_э. Так как I_э = I_к + I_б, то основное уравнение тока эмиттера для схемы ОК будет иметь вид

I_э = (b+1) I_б + (b+1) I_ко, (3.5)

или

I_э = (b+1) I_б + I^*_ко. (3.6)

В соответствии с (5) коэффициент усиления по току в схеме ОК

K_I(к) = ∆I_э/∆I_б = b+1.

Коэффициент усиления по напряжению K_U(к) = ∆U_кэ/∆U_кб < 1, так как напряжение U_кэ меньше, чем напряжение U_кб на величину U_эб.

Коэффициент усиления по мощности K_p(к) = K_I(к) K_U(к) примерно равен коэффициенту усиления по току K_Iк, так как коэффициент передачи по напряжению K_U(к) примерно равен единице.

Входное сопротивление R_вх(к) = ∆U_кб/∆I_б = ∆I_э(R_э+R_эб)/I_б = (b+1)(R_э+R_эб).

Учитывая, что b >> 1 и R_э >> R_эб, можно считать:

R_вх(к) » bR_э.

Выходное сопротивление R_вых(к) = R_э, что следует из анализа рис. 3.26, в.

Основное достоинство схемы ОК – высокое входное сопротивление и низкое выходное сопротивление. Поэтому схема ОК нашла применение для согласования сопротивлений (маломощного высокоомного источника сигнала с низкоомным приемником сигнала). Несколько видоизмененная схема ОК получила название эмиттерный повторитель.