Основные схемы включения и параметры транзисторов

Биполярный транзистор как усилительное устройство может быть представлен в виде четырехполюсника. В зависимости от того, какой из выводов транзистора является общим для входа и выхода четырехполюсника, различают схему включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ), рис.7.3, общей базой (ОБ) рис.7.6 а, и общим коллектором (ОК) рис.7.6 б. 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.

В случае включения транзистора в схему с ОЭ входным током является ток базы, выходным – ток коллектора. Схема с ОЭ является самой распространенной, так как она дает наибольшее усиление по мощности. Усилительные свойства транзистора при включении его по схеме с ОЭ характеризует один из главных его параметров – коэффициент передачи тока базы – β. Коэффициент β для разных транзисторов лежит в диапазоне от десятков до тысяч, а реальный коэффициент усиления по току каскада всегда меньше, так как при включении нагрузки ток коллектора транзистора уменьшается.

Рис.7.5. Временные диаграммы работы транзисторного усилителя

Важная величина, характеризующая транзистор – его входное сопротивление. Для схемы с ОЭ оно составляет от сотен до единиц килом, что является сравнительной малой величиной. Это существенный недостаток биполярных транзисторов. Выходное сопротивление схемы составляет от единиц до десятков килом.

Рис.7.6. Включение n-p-n транзистора в схему с ОБ (а) и ОК (б)

К недостаткам схемы с ОЭ относятся также меньший по сравнению со схемой ОБ частотный диапазон и меньшая температурная стабильность.

В схеме с ОБ выходным током является ток коллектора, а входным – ток эмиттера. Хотя эта схема дает значительно меньшее усиление по мощности и имеет еще меньшее входное сопротивление, чем схема с ОЭ, все же ее иногда применяют, так как по своим частотным и температурным свойствам она значительно лучше схемы с ОЭ. Коэффициент усиления по току каскада несколько меньше единицы, по напряжению – такой же, как и в схеме с ОЭ. Входное сопротивление для схемы с ОБ получается в десятки раз меньше, чем в схеме с ОЭ, выходное сопротивление в этой схеме получается до сотен килоом. Следует отметить, что каскад с ОБ вносит при усилении меньшие искажения, чем каскад по схеме с ОЭ.

В схеме с ОК (рис.7.6, б) коллектор является общей точкой входа и выхода, поскольку источники питания Е₁ и Е₂ всегда шунтированы конденсаторами большой емкости и для переменного тока могут считаться короткозамкнутыми. Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на выход, т.е. сильна отрицательная обратная связь. Именно поэтому такой каскад называют эмиттерным повторителем.

Коэффициент усиления по напряжению схемы с ОК близок к единице, причем всегда меньше ее, коэффициент усиления по току почти такой же, как в схеме с ОЭ, коэффициент усиления по мощности равен нескольким десяткам. Входное сопротивление каскада в схеме с ОК составляет десятки килом, выходное – единицы килом и сотни Ом, что является важным достоинством схемы.

Схема с ОК называется эмиттерным повторителем и используется для согласования источников сигналов и нагрузок.

Основными параметрами, характеризующими транзистор как активный нелинейный четырехполюсник (при любой схеме включения), являются коэффициенты усиления:

по току к_I = ΔI_ВЫХ/ I_ВХ;

по напряжению к_U = ΔU_ВЫХ/ ΔU_ВХ;

по мощности к_Р = к_Iк_U = ΔР_ВЫХ/ ΔР_ВХ;

а также

входное сопротивление R_ВХ = U_ВХ/ I_ВХ;

выходное сопротивление R_ВЫХ = U_ВЫХ/ I_ВЫХ.

Для удобства сравнения параметры трех схем включения транзисторов сведены в табл.7.1.

Таблица.7.1

Важнейшие параметры основных схем включения транзисторов

Каждой схеме включения транзистора соответствуют свои статические характеристики, представляющие собой зависимость токов через транзистор от приложенного напряжения. Из-за нелинейного характера указанных зависимостей их представляют в графической форме.

Транзистор как четырехполюсник характеризуется входной и выходной статическими вольт-амперными характеристиками (ВАХ), показывающими соответственно зависимость входного тока от входного напряжения (при постоянном значении выходного напряжения транзистора) и выходного тока от выходного напряжения (при постоянном входном токе транзистора). Статические входные и выходные ВАХ биполярного транзистора n-p-n типа для схемы с ОЭ приведены на рис.7.7. Очевидно, что они имеют ярко выраженный нелинейный характер. При этом входные ВАХ (рис.7.7, а) подобны прямой ветви диода, а выходные (рис.7.7, б) характеризуются вначале резким возрастанием выходного тока I_К при возрастании выходного напряжения U_КЭ, а затем по мере дальнейшего роста напряжения, незначительным его увеличением. Переход значений выходного тока на пологий участок соответствует границе области насыщения транзистора, когда оба перехода открыты.

Рис.7.7. Входные (а) и выходные (б) статические характеристики транзистора n-p-n типа, включенного с ОЭ

На выходной характеристике транзистора можно выделить три области, отвечающие различным режимам работы транзистора: насыщения (заштрихованная область левее линии 0А); отсечки (заштрихованная область ниже линии 0Б, соответствующая закрытому состоянию транзистора); активной (незаштрихованная область между линиями 0А 0Б, соответствующая активному состоянию транзистора). Статические характеристики используют для расчета нелинейных цепей, содержащих транзисторы.

Влияние температуры. Транзисторы, работающие в аппаратуре, нагреваются от окружающей среды, от внешних источников теплоты, например, от расположенных рядом нагретых деталей, и от токов, протекающих через сам транзистор. Изменение температуры оказывает значительное влияние на работу полупроводниковых приборов. При повышении температуры увеличивается проводимость полупроводников и токи в них возрастают. Особенно сильно растет с повышением начальный ток коллектора I_К0 (рис.7.7). Возрастание этого тока ведет к изменению характеристик транзистора. Для обеспечения постоянства режимов служит температурная стабилизация, но она полностью не может устранить изменение параметров транзистора.

Частотные свойства. С повышением частоты усиление, даваемое транзистором, снижается. У этого явления есть две причины. Во-первых, на более высоких частотах сказывается вредное влияние емкостей p-n переходов, особенно емкости перехода коллектор – база С_КБ. Эти емкости включены параллельно цепи прохождения сигнала и они совместно с сопротивлениями эмиттерного и коллекторного переходов дают эффект фильтров нижних частот, т.е. с ростом частоты коэффициент передачи уменьшается. Вторая причина снижения усиления на высоких частотах – отставание по фазе переменного тока коллектора от переменного тока эмиттера. Оно вызвано инерционностью процесса перемещения носителей заряда в транзисторе.

Частотные свойства транзисторов характеризуются граничной частотой усиления f_ГР, которая соответствует k_I = 1, т.е. при этой частоте транзистор в схеме с ОЭ перестает усиливать ток.

Для построения электронных схем, работающих в области высоких частот, используются высокочастотные транзисторы. Кроме этого применяются специальные схемотехнические приемы, позволяющие повышать рабочую частоту транзисторных схем.