Основные схемы включения транзисторов.

Применяют три основные схемы включения транзисторов в усилительные или иные каскады. В этих схемах один из электродов транзистора является общей точкой входа и выхода каскада.

Во избежание ошибок при этом надо помнить, что под входом(выходом) понимают точки, между которыми действует входное(выходное) переменное напряжение. Не следует рассматривать вход и выход по постоянному напряжению.

Основные схемы включения транзисторов называются соответственно схемами с общим эмиттером(ОЭ), общим коллектором(ОК), общей базой(ОБ). Вместо слов с «с общим» иногда говорят «с заземлённым», хотя заземление бывает не всегда. Принцип усиления колебаний во всех этих каскадах одинаков, но свойства схем различны.

Различают статический режим транзистора, при котором на его электроды поданы только напряжения от источников питания, и динамический, при котором кроме этих напряжений на вход транзистора подаётся усиливаемый сигнал, а в цепь выходного электрода включено сопротивление нагрузки. В данном параграфе рассматривается статический режим транзистора и соответствующие этому режиму статические характеристики и параметры транзистора.

Статические характеристики транзистора представляют собой зависимости тока в цепи одного из электродов от изменяющегося питающего напряжения на этом электроде при неизменном питающем напряжении на другом электроде или токе в цепи последнего. Различают входные и выходные характеристики транзисторов. Входные характеристики определяют связь входного тока и входного напряжения, при постоянном выходном напряжении. Несколько одноимённых статических характеристик снятых при различных значениях поддерживаемой постоянной третьей величины и построенных в одной общей системе координат, называют семейством статических характеристик.

Включение транзистора с общей базой (ОБ)

На рис. 6 приведена схема включения транзистора с общей базой.

В схеме с общей базой семейство входных статических характеристик – это зависимости I_Э = f(U_ЭБ), при U_КБ = const

Рис. 7 – Семейство входных характеристик транзистора, включенного по схеме с общей базой.

Типичное семейство входных характеристик для маломощного n-p-n транзистора показано на рис. 7. Отрицательные значения напряжения U_ЭБ соответствуют прямому включению эмиттерного перехода. Характеристика для U_КБ = 0 практически совпадают с характеристикой p-n перехода. В активном режиме (U_ЭБ < 0, U_КБ > 0) сдвиг характеристик при изменении напряжения на коллекторе обусловлен эффектом Эрли: с ростом U_КБ при постоянном токе I_Э прямое напряжение эмиттерного перехода снижается и характеристика сдвигается влево. В режиме насыщения (U_ЭБ < 0, U_КБ < 0) кроме тока инжекции через эмиттерный переход течёт встречный ток электронов, инжектированных в базу из коллектора. При постоянном напряжении U_ЭБ с ростом по модулю напряжения U_КБ встречный ток увеличивается, а полный эмиттерный ток уменьшается, то есть при U_КБ < 0 характеристики сдвигаются вниз относительно характеристики U_КБ = 0.

Выходные характеристики – это зависимости выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе. Для схемы с общей базой семейство выходных характеристик n-p-n транзистора представлено на рис. 8; здесь параметром служит ток эмиттера:

I_K = f(U_КБ), при I_Э = const

Область характеристик при U_КБ > 0 соответствует активному режиму, где I_К ≈ αI_Э, так как α = 1, то I_К ≈ I_Э. Область характеристик при U_КБ < 0 относится к режиму насыщения, где с ростом прямого напряжения коллекторного перехода экспоненциально возрастает его ток инжекции, направленный противоположно току коллектора, поэтому полный ток I_К уменьшается и может даже изменить направление.

При больших напряжениях U_КБ ток резко увеличивается вследствие пробоя коллекторного перехода. Для коллекторного перехода характерен лавинный пробой, что объясняется низкой концентрацией примесей в коллекторе.

В семействе выходных характеристик для транзистора, включённого по схеме с общей базой, нет характеристики соответствующей I_Э = 0. При I_Э = 0 в базу из эмиттера не поступают дырки и в цепи коллектора протекает только обратный ток I_КБ0, который настолько мал, что сливается с горизонтальной осью.

Слабая зависимость тока коллектора от коллекторного напряжения свидетельствует об очень высоком выходном сопротивлении транзистора подключённого по схеме с общей базой:

, при I_Э = const.

Для транзисторов малой мощности R_вых.б имеет порядок сотен тысяч Ом, а для некоторых типов транзисторов может даже превышать 1 МОм.

Из характеристик рис. 7 видно, что малые изменения эмиттерного напряжения вызывают значительные приросты тока эмиттера. Это говорит о том, что транзистор, включённый по схеме с общей базой, имеет малое входное дифференциальное сопротивление.

, при U_КБ = const

Для транзисторов малой мощности R_вх.б составляет единицы – десятки Ом.

Транзистор, включённый по схеме с общей базой, характеризуется также дифференциальным коэффициентом передачи тока эмиттера(просто коэффициент передачи):

, при U_КБ = const

Поскольку всегда ΔI_K < ΔI_Э, α < 1 (α = 0,96…0,99), то есть транзистор, включённый по схеме с общей базой, не даёт усиления по току. Но в то же время он обладает способностью усиления по напряжению и мощности. Это может быть объяснено следующим образом. Входное сопротивление транзистора мало. Поэтому с помощью малого прироста входного напряжения ΔU_ЭБ можно получить значительный прирост тока ΔI_Э. Этот прирост тока почти полностью передаётся в коллекторную цепь: ΔI_K ≈ ΔI_Э. Благодаря тому, что выходное сопротивление транзистора велико и напряжение коллекторного источника Е_К >> Е_Э (Е₂>>Е₁), в коллекторную цепь можно включить нагрузочное сопротивление R_K, во много раз превышающее входное сопротивление транзистора, от этого прирост коллекторного тока практически не уменьшается. Прирост коллекторного тока ΔI_K создаст прирост падения напряжения на нагрузочном резисторе примерно во столько же раз больший, чем прирост входного напряжения, во сколько раз R_K> R_вх.б. При этом возникает такой же по величине, но с обратным знаком прирост падения напряжения на коллекторе = ΔI_KR_K.

Коэффициент усиления по напряжению определяется соотношением:

К_Uб =

Таким образом, транзистор даёт возможность перейти от цепи малым сопротивлением к цепи с большим сопротивлением, но практически с тем же приростом тока, т.е. транзистор как бы преобразует сопротивление цепи. Наличие усиления по напряжению при ΔI_K ≈ ΔI_Э означает, что транзистор вносит также усиление по мощности.

Выводы:

1. В схеме с общей базой входная характеристика представляет собой характеристику p-n перехода при прямом включении.
2. Входное дифференциальное сопротивление транзистора в схеме с общей базой мало, т.к. малые изменения напряжения на эмиттере вызывают значительные приросты тока эмиттера.
3. В схеме с общей базой коллекторное напряжение влияет на ток эмиттера. Причём с повышением (по абсолютному значению) коллекторного напряжения ток эмиттера увеличивается (входная характеристика сдвигается влево).
4. У транзисторной схемы с общей базой ток коллектора очень слабо зависит от коллекторного напряжения. Это означает что выходное сопротивление транзисторной схемы с общей базой очень велико.
5. Транзистор, включённый по схеме с общей базой, вносит усиление по напряжению и мощности.
6. Схема не даёт усиления по току.
7. из-за малого входного сопротивления схема включения транзистора с общей базой потребляет относительно большой ток от источника сигнала.
8. Чрезмерное большое выходное сопротивление затрудняет согласование с нагрузкой.

Включение транзистора с общим эмиттером (ОЭ)

На рис. 9 приведена схема включения транзистора с общим эмиттером.

Рис. 9 Схема включения транзистора с общим эмиттером

Указанные недостатки устраняются, если источник эмиттерного напряжения, а в рабочем (положении и источник сигнала) включить не в эмиттерный, а в базовый провод (рис.9). В этом случае общей точкой подключения входных и выходных транзистора является вывод эмиттера. При таком включении транзистора воздействие приростов напряжения источника Е_б (Е₁) на эмиттерный переход(а значит и на ток эмиттера) остаётся по существу тем же, что и в схеме с общей базой, поскольку они также приложены между выводами эмиттера и базы. Но теперь источник включён в участок входной цепи с малым током базы. Последний в данном случае является входным токоми поэтому усилительное свойство VT в схеме с ОЭ характеризуется дифференциальным коэффициентом передачи тока Б :

при

Но .

В свою очередь , .

Подставив значение в выражение для ,получим

.

При при Т.о.,VT,вкл. по схеме с ОЭ, усиливает приращение тока Б (амплитуду тока сигнала) в десятки раз. Усиление по напряжению в данной схеме остаётся примерно таким же, как и в схеме с ОБ, т.е. порядка десятков. Поэтому коэффициент усиления по мощности в схеме с ОЭ

Дифференциальное входное сопротивление VT в схеме с ОЭ:

при

значительно больше, чем в схеме с ОБ (сотни Ом.), т.к. при одном и том же приросте напряжения на Эом переходе прирост тока Б много меньше прироста тока Э.

Выходное сопротивление VT в схеме с ОЭ:

при

меньше, чем в схеме с ОБ (десятки кОм.), поскольку один и тот же прирост К-го напряжения в схеме с ОЭ вызывает больший прирост К-го тока, чем в схеме с ОБ. Объясняется это тем, что в схеме с ОЭ небольшая часть напряжения К-го источника (а также приростов К-го напряжения) прикладывается к Э-му переходу (“-” к Э непосредственно, а “+” через К и К-ый переход к Б) [для VT n-p-n]. При этом, например, повышение Uкэ на ΔUкэ вызывает дополнительное понижение φ-го барьера в Э-ом переходе, что приводит к повышению токов Э и К.Кроме того, повышение Uкэ приводит и к увеличению UкБ , а от этого расширяется К-ый переход , что, в свою очередь приводит к понижению тока базы, но Rвыхэ определяется при условии IБ=const.Поэтому для восстановления прежнего значения IБ приходится несколько повысить напряжение UБэ, а от этого возрастают токи Iэ и Iк.

Входная статическая характеристика для схемы с ОЭ представляет собой зависимость тока Б от напряжения на Б при неизменном напряжении на К:

IБ=f (UБэ) при Uкэ=const.

Рассматривая зависимость тока Б от напряжения на Б, следует иметь в виду, что последнее воздействует на ток Б не непосредственно, а, как и в схеме с ОБ, через ток Э.Так, например, повышение UБэ вызовет увеличение Iэ.При этом за счёт роста составляющих Iэn и Iэрек увеличется и ток Б.

Рис. 11 – Семейство выходных характеристик транзистора в схеме с ОЭ

Сравнивая входные статические характеристики VT в схеме с ОЭ с одноимёнными характеристиками для схем с ОБ, можно заметить некоторые различия между ними:

1.В схеме с ОЭ К-ое напряжение не увеличивает входной ток (Б),а уменьшает его, то есть смещает характеристику вправо.

2.Входные характеристики в схеме с ОЭ, снятые при наличии К-го напряжения, имеют отрицательный участок (IБ<0).При малых значениях напряжения на Б (на Э-ом переходе) суммарный ток, образованный составляющими тока Б Iэn и Iэрек, оказывается меньше встречной составляющей-тока IкБо. Поэтому результирующий ток Б совпадает с направлением тока IкБо. Поэтому результирующий ток Б совпадает с направлением тока IкБо, тоесть втекает в Б.Входная характеристика пересекает горизонтальную ось в точке, для которой выполняется равенство:

Iэn + Iэрек = -IкБо.

Выходная статическая характеристика VT, включённого по схеме с ОЭ (рис.11), представляет собой график зависимости тока К от напряжения на К при неизменном токе Б:

Iкэ=f(Uкэ) при IБ=const.

Поскольку при Uкэ=0 ток К представляет собой диффузионный ток, протекающий в обратном направлении, статические выходные характеристики начинаются не с нуля, а с некоторого отрицательного значения тока.

К-ые характеристики в схеме с ОЭ имеют заметно больший угол наклона к горизонтальной оси, чем в схеме с ОБ. Это говорит о меньшем сопротивлении VT по сравнению со схемой ОБ.

Выводы:

1.В отличие от схемы с ОБ схема с ОЭ наряду с усилением по напряжению даёт также усиление по току. Поэтому усиление по мощности в схеме с ОЭ значительно больше, чем в схеме с ОБ.

2.VT, включённый по схеме с ОЭ, имеет более приемлемые значения входного и выходного сопротивлений, чем в схеме с ОБ.

3.Благодаря указанным преимуществам схемы с ОЭ находит наибольшее применение на практике.

Схема включения с общим коллектрором (ОК)

Статические характеристики ОЭ и ОК примерно одинаковые.

В отличие от схемы с ОЭ в схеме с ОК нагрузочный резистор включают не в цепь К, а в цепь Э и выходное напряжение снимают не с К VT, а с указанного нагрузочного резистора в цепи Э (рис. 12). Особенность данной схемы состоит в том, что входные и выходные напряжения сигнала действуют в одной цепи Б-Э. Причём приросты напряжения, создаваемые источником с-ла, вызывают близкие по значению приросты падения напряжения на нагрузочном резисторе Rэ, но противоположной полярности. Поэтому непосредственно между Б и Э будет приложена разность указанных приростов напряжения, которая во много раз меньше прироста напряжения источника с-ла, поступающего на Б VT в отсутствие Rэ, то есть в схеме с ОЭ. Соответственно будут меньшими и приросты токов в VT, в частности тока Б. Последним объясняется то, что схема с ОК имеет наибольшее из всех схем включение VT дифференциальное входное сопротивление (Rвх.к. может

при Uкэ=const.

составлять десятки кОм.).Выходное сопротивление схемы с ОК наименьшее из всех схем включения VTа (десятки-сотни Ом.). Очевидно, что в данной схеме прирост падения напряжения на Rэ, то есть Uвых всегда меньше Uвх. Это означает, что схема с ОК не даёт усиления по напряжению. В то же время схема с ОК даёт усиление по току и мощности. Статические характеристики VT снимаются при отсутствии нагрузочного резистора (Rк=Rэ=0). Но в этом случае схема с ОК превращается в схему с ОЭ. Поэтому статические характеристики для схемы с ОК те же, что и для схемы с ОЭ.

Выводы:

1.Схема с ОК вносит усиление по I и P, но не даёт усиление по напряжению.

2.Схема с ОК имеет наибольшее из всех схем включения VT входное и наименьшее выходное сопротивление.

Для удобства сравнения основные свойства всех трёх схем включения транзисторов сведены в таблицу 1.

Таблица 1.

Важнейшие параметры основных схем включения транзисторов.