ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ

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. Подразделять схемы по тому, какой электрод является общей точкой входной и выходной цепи, также не следует, так как в одной из схем эти цени совмещены в одну цепь и все ее точки являются общими.

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

Схема с общим эмиттером (ОЭ).Эта схема, изображенная на рис. 4.6, яв­ляется наиболее распространенной, так как она дает наибольшее усиление по мощности.

Коэффициент усиления по току k_i такого каскада представляет собой отношение амплитуд (или действующих значений) выходного и входного переменного тока, т. е. переменных состав­ляющих токов коллектора и базы:

Поскольку ток коллектора в десятки раз больше тока базы, то k_i составляет десятки единиц.

Усилительные свойства транзистора при включении его по схеме ОЭ характе­ризует один из главных его параметров — известный нам статический коэффициент усиления по току (или коэффициент передачи тока) для схемы ОЭ, обозначаемый . Поскольку он должен характеризовать только сам транзистор, то его определяют в режиме без на­грузки (R_H = 0), т. е. при постоянном напряжении участка коллектор — эмиттер:

Коэффициент бывает равен десяткам и даже сотням, а реальный коэффициент усиления по току каскада k_t всегда меньше, чем р, так как при включении нагрузки R_H ток i_K уменьшается.

Коэффициент усиления каскада по напряжению к_и равен отношению ампли­тудных или действующих значений выходного и входного переменного напря­жения. Входным является переменное напряжение база — эмиттер, а выход­ным — переменное напряжение на ре­зисторе нагрузки u_R или, что все равно, между коллектором и эмиттером — u_к._э:

Напряжение база — эмиттер не превышает десятых долей вольта, а выход­ное напряжение при достаточном сопро­тивлении резистора нагрузки и напря­жении источника Е₂ достигает единиц, а в некоторых случаях и десятков вольт. Поэтому к_и имеет значение от десятков до сотен.

Отсюда следует, что коэффициент усиления каскада по мощности к_р полу­чается равным сотням, или тысячам, или даже десяткам тысяч. Этот коэф­фициент представляет собой отношение выходной мощности к входной. Каждая из этих мощностей определяется половиной произведения амплитуд соответствующих токов и напряжений:

Важная величина, характеризующая транзистор,— его входное сопротивление R_вх, которое определяется по закону Ома. Для схемы ОЭ

и составляет от сотен ом до единиц килоом.

Это вытекает из того, что при и_т6._э, равном десятым долям вольта, ток Imб транзисторов малой и средней мощности может быть до десятых долей миллиампера. Например, если U_m6__э = = 200 мВ, а 1_т6 = 0,4 мА, то R_вх = = 200:0,4 = 500 Ом. Как видно, входное сопротивление получается сравнительно малым. Это существенный недостаток биполярных транзисторов. Выходное сопротивление транзистора при включении его по схеме ОЭ, как будет показано далее, составляет от единиц до десятков килоом.

Каскад по схеме ОЭ при усилении переворачивает фазу напряжения, т. е. между выходным и входным напряжением имеется фазовый сдвиг 180°. Для доказательства этого рассмотрим работу схемы на рис. 4.6. На нем и на не­которых следующих рисунках знаки постоянных потенциалов указаны в кружочках для отличия от знаков перемен­ных потенциалов. Падение напряжения на резисторе нагрузки от постоянного тока коллектора получается со знаком «минус» на верхнем (по схеме) конце. Пусть на вход транзистора (на базу) поступает положительная полуволна напряжения, как показано на рис. 4.6. Это напряжение складывается с напряжением Е_и и напряжение на эмиттер-ном переходе. увеличивается. В результате возрастает ток эмиттера, а следовательно, и ток коллектора. Тогда увеличивается падение напряжения на ре­исторе нагрузки, т. е. дополнительно к постоянному напряжению на R_H появ­ляется еще и переменное напряжение с той же полярностью. Таким образом, на выходе получается отрицательная полуволна переменного напряжения.

Достоинство схемы ОЭ — удобство питания ее от одного источника, по­скольку на коллектор и базу подаются питающие напряжения одного знака.

Недостатки данной схемы — худшие по сравнению со схемой ОБ частот­ные и температурные свойства. С по­вышением частоты усиление в схеме ОЭ снижается в значительно большей степе­ни, нежели в схеме ОБ. Режим работы схемы ОЭ сильно зависит от темпера­туры. Влияние частоты и температуры подробно рассматривается в гл. 6.

Схема с общей базой (ОБ).Хотя эта схема (рис. 4.9) дает значительно меньшее усиление по мощности и имеет еще

Рис. 4.9. Включение транзистора по схеме с общей базой

меньшее входное сопротивление, чем схема ОЭ, все же ее иногда применяют, так как по своим частотным и температурным свойствам она значительно лучше схемы ОЭ (см. гл. 6).

Коэффициент усиления по току каска­да ОБ всегда несколько меньше еди­ницы :

так как ток коллектора всегда лишь немного меньше тока эмиттера.

Как мы знаем, важнейший параметр транзисторов — статический коэффициент усиления по току (или коэффициент передачи тока), для схемы ОБ обозначаемый а. Он определяется для режима без нагрузки (R_H = 0), т. е. при постоянстве напряжения коллектор — база:

Коэффициент а всегда меньше 1, и чем ближе он к 1, тем лучше транзистор. Коэффициент усиления по току k_t для каскада ОБ всегда немного меньше а, так как при включении R_H ток коллектора уменьшается.

Коэффициент усиления по напряже­нию определяется формулой

он получается таким же, как и в схеме ОЭ, т. е. равным десяткам или сотням.

Действительно, если в схемах ОЭ и ОБ транзисторы, входные напряжения, питающие напряжения и сопротивления резисторов нагрузки одинаковы, то коллекторный ток практически один и тот же и, следовательно, выходные напряжения также одинаковы. Поскольку коэффициент усиления по мощности к_р равен произведению к₍к_и, а /с,«1, то к_р примерно равен к_и, т. е. десяткам или сотням.

Входное сопротивление для схемы ОБ

оно получается в десятки раз меньшим, чем в схеме ОЭ.

Это видно из того, что напряжение равно напряжению , а ток в десятки раз больше тока I_mб. Входное сопротивление для схемы ОБ — всего лишь десятки, а у более мощных транзисторов даже единицы ом. Такое малое R_BX является существенным недостатком схемы ОБ. Выходное сопротивление, как будет показано далее, в этой схеме получается до сотен килоом.

Для схемы ОБ фазовый сдвиг между выходным и входным напряжением от­сутствует, т. е. фаза напряжения при усилении не переворачивается. В этом можно убедиться, если рассуждать так же, как при анализе схемы ОЭ. На рис. 4.9 показана полярность отрицательной полуволны входного напряжения, под влиянием которой возрастают токи г_э и i_K и увеличивается падение напряжения на резисторе нагрузки, т. е. отрицатель­ная полуволна выходного напряжения.

Следует отметить, что каскад но схеме ОБ вносит при усилении меньшие искажения, нежели каскад по схеме ОЭ.

Схема с общим коллектором (ОК). Вэтой схеме (рис. 4.10) действительно коллектор является общей точкой входа и выхода, поскольку источники питания E₁ и Е₂ всегда шунтированы конденсаторами большой емкости и для переменного тока могут считаться коротко-замкнутыми. Особенность этой схемы в том, что входное напряжение пол-

ностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь. Нетрудно видеть, что входное напряжение равно сумме переменного напряжения база — эмиттер щ._} и выходного напряжения:

Коэффициент усиления по току каскада ОК почти такой же, как и в схеме ОЭ, т. е. равен нескольким десяткам. Действительно,

а отношение есть коэффициент усиления по току для схемы ОЭ.

Однако коэффициент усиления по напряжению пряжению близок к единице, причем всегда меньше ее:

Рассмотрев полярность переменных напряжений в схеме, можно установить, что фазового сдвига между и_вых и и_вх нет. Пусть, например, в данный момент подается положительная полуволна u_вх, как показано на рис. 4.10. Тогда увели­чится напряжение u_бэ., и возрастет ток эмиттера, который увеличит падение на­пряжения на резисторе нагрузки. Следо­вательно, на выходе получится положительная полуволна напряжения. Таким образом, выходное напряжение совпадает по фазе с входным и почти равно ему. Иначе говоря, выходное напряжение повторяет входное. Именно поэтому дан-

ный каскад обычно называют эмиттерным повторителем. Эмиттерным потому, что резистор нагрузки включен в про­вод эмиттера и выходное напряжение снимается с эмиттера (относительно корпуса).

Входное сопротивление каскада по схеме ОК составляет десятки килоом, что является важным достоинством схемы. Действительно,

Отношение U_m6,/I_m6 есть входное сопротивление самого транзистора для схемы ОЭ, которое, как известно, достигает единиц килоом. А так как амплитуда выходого напряжения в десятки раз больше и_т6._э, то и R_вx в десятки раз превышает входное сопротивление схемы ОЭ. Выходное сопротивление в схеме ОК, наоборот, получается сравнительно небольшим, обычно единицы килоом или сотни ом.

Для удобства сравнения основные свойства всех трех схем включения транзисторов сведены в табл. 4.1.