Усиление электрических сигналов с помощью биполярного транзистора.

Транзистор в активном режиме обладает способностью усиливать мощность электрического сигнала, включенного в входную цепь. При этом в зависимости от схемы включения транзистора (ОБ, ОЭ, ОК) будет наблюдаться усиление сигнала либо по току, либо по напряжению, либо по тому и другому. Например, в схеме с ОБ имеется усиление по напряжению и по мощности, усиление по току не происходит. Для того, чтобы выделить мощность входного сигнала, в выходную цепь транзистора включают нагрузочный резистор Rк, обладающий большим сопротивлением, значительно превышающим входное сопротивление транзистора Rэ (сопротивление эмиттерного перехода, включенного в прямом направлении (см. рис. 12-16).

Включение резистора Rк, хотя и вызывает снижение потенциального барьера коллекторного перехода из–за уменьшения напряжения на коллекторе (Uкб=Eкб–Rк ^.Iк), но это не вызовет инжекцию дырок коллектора в базу и коллекторный ток Iк не уменьшится. Величина тока Iк, как установлено выше, практически равна величине тока эмиттера Iэ.

Поскольку входное сопротивление транзистора Rэ мало, небольшое изменение тока эмитгера вызовет небольшое изменение напряжения в эмиттерной цепи. В коллекторной цепи на сопротивлении нагрузки Rк это небольшое изменение тока вызовет значительное изменение напряжения Uк=RкIк, т.к. Rк велико.

Действительно, если напряжение между эмиттером и базой изменится на величину DUэб, ток эмиттера изменится на величину DIэ=DUэб/Rэ. Ток коллектора изменится на ту же величину DIк=aDIэ»DIэ, (a»1). Напряжение на нагрузке Rк в коллекторной цепи изменится на DUк=RкDIк или DUк=(Rк/Rэ)DUэб, т.е. приращение напряжения на коллекторной нагрузке в Rк/Rэ раз больше приращения напряжения в эмиттерной цепи. Так как Rк>>Rэ, следовательно, DUк>>DUэб. При этом происходит и усиление по мощности. Приращение входной мощности равно DРвх=РэDIэ² приращение выходной мощности DРвых=RкDIк²»RкDIэ² или DРвых=(Rк/Rэ)DРвх. Т.к. Rк>>Rэ, то DPвых>>DPвх.

При работе транзистора в схеме усилителя на вход его подается переменное напряжение сигнала, которое нужно усилить. В этом случае Еэ не изменяется, но последовательно с ним включенное переменное напряжение сигнала малой величины изменяется, и это будет приводить к большим изменениям (колебаниям) переменного напряжения сигнала на сопротивлении нагрузки Rк, т.е. в схеме будет происходить усиление малого входного сигнала.

В схеме с ОЭ происходит усиление по току и напряжению. Здесь входным током является ток базы, он значительно меньше тока эмиттера. Если изменить входное напряжение Uбэ, изменится потенциально барьер эмиттера и, следовательно, дырочный ток эмиттера и ток коллектора. Так как в базу от источника поступает небольшой ток, меньший по величине, чем ток эмиттера и, следовательно, и коллектора, то незначительное изменение тока во входной цепи вызовет значительно большее изменение тока в выходной цепи коллектора.

 

Рис.12-16 Структурная схема транзистора с ОБ с нагрузочным резистором в выходной цепи.

 

Таким образом, в схеме с ОЭ происходит усиление по току. При этом имеется усиление и по напряжению. Так как выходное сопротивление велико, в цепь коллектора можно включить большое сопротивление. На этом сопротивлении напряжение будет значительно выше, чем напряжение во входной цепи. Усиление по напряжению и току приводит к значительное усилению по мощности.

В схеме усиления с ОК (p-n-p) Ku=1, а коэффициент усиления по току Ki=10-100. Так как в этой схеме Uвх=Uвых, то такую схему называют эмиттерный повторитель.

Параметры транзистора:

1) Статический коэффициент усиления по току в схеме с ОБ

a=Iкр/Iэ (12.17)

Обычно a =0,9–0,99.

Статический коэффициент усиления по току в схеме о ОЭ имеет другое выражение. Его можно получить из соотношения Iк=aIэ+Iко, если подставить в него выражение Iэ=Iб+Iк. Тогда Iк=a(Iб+Iк)+Iко, откуда:

 

Iк=(a/(1–a))Iб+Iко/(1–a), (12.18)

или

Iк=bIб+Iкоэ, (12.19)

b=a/(1–a), (12.20)

где b=a/(1–a) статический коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ, выраженный через a.

Из уравнения (12.9) можно установить, что схема с ОЭ обладает большим усилением по току. Например, если a =0,985, то b =66.

 

Обратный ток коллекторного перехода в схеме с ОЭ.

Iкоэ=Iко/(1–a)=(1+b)Iко (12.21)

Коэффициенты a и b являются важнейшими параметрами транзисторов. Их часто называют коэффициентами передачи тока эмиттера (a) и тока базы (b).

2) Коэффициент обратной связи по напряжению. В схеме с ОБ он равен

 

=DUэб/DUкб, (12.22)

в схеме с ОЭ

 

=DUбэ/DUкэ, (12.23)

где DUэб, DUбэ, DUкб, DUкэ – соответственно приращения напряжений эмиттера, базы и коллектора.

3) Входное сопротивление. В схеме с ОБ равно:

Rвхб=DUэв/DIэ, (12.23)

 

в схеме с ОЭ

 

Rвхэ=DUбэ/DIб, (12.24)

 

где DIэ и DIб – соответственно приращения тока эмиттера и тока базы.

 

4) Выходное сопротивление. В схеме с ОБ равно

Rвыхб=DUкб/DIк, (12.25)

 

в схеме с ОЭ

Rвыхэ=DUкэ/DIк (12.26)

 

На рис. 12-17 показаны входные и выходные статические характеристики транзистора, включённого по схемам ОБ и ОЭ

 

Рис. 12-17. Входные (а,б) и выходные (в,г) статические характеристики транзистора, включенного по схеме с ОБ (а,в) и по схеме с ОЭ (б,г)

Схемы замещения транзисторов типа p-n-p

 

Схемы замещения транзисторов строят на той основе, что эммиттерный переход имеет сопротивление до десятков Ом, коллекторный переход имеет сопротивление до сотни килоОм, область базы имеет сопротивление до сотен Ом.

 

Рис. 12-18. Схема замещения транзистора p-n-p, включенного по схеме с ОБ.

 

В схеме ОБ (рис.12-18) входное напряжение равно сумме падений напряжений на сопротивлениях Rэ и Rб при прохождении по ним токов, соответственно эмиттерного и тока базы. Как показывают расчёты, по приведённой схеме, Rвхб совпадает с расчётами Rвхб= Uэб/ Iэ десяткам Ом.

Аналогичные расчёты можно проводить по схемам замещения транзисторов, включённых по схемам с ОК и с ОЭ (рис. 12-19, а, б)

 

 

Рис 12-19. а) Схемы замещения транзистора p-n-p, включенного по схеме с ОК.

Рис 12-19. б)Схемы замещения транзистора p-n-p, включенного по схеме с ОЭ.

 

 

Н-параметры транзистора. При расчётах часто транзистор рассматривают как усиливающее мощность устройство, имеющее на входе напряжение U₁ и ток I₁, а на выходе соответственно U₂ и I₂. Такую модель называют активным четырёхполюсником. (рис. 12-20)

 

Рис. 12-20. Транзистор, как активный четырёхполюсник, включённый по схеме с ОЭ.

 

Рассмотрим Н-параметры транзистора включенного по схеме с ОЭ (рис.12-20)

 

1. Входное сопротивление VT для переменного тока:

Н₁₁= Uбэ/ iб (Uкэ=const) (12.27)

 

2. Выходная проводимость: (12.28)

Н₂₂ = iк/ Uкэ (iб=const)

 

3. Коэффициент усиления по току:

Н₂₁ = iк/ iб (Uкэ=const) (12.29)

 

 

Для маломощных транзисторов:

 

а для транзисторов средней и большой мощности (12.30)

Выходная проводимость для маломощных транзисторов

, а для средней и большей мощности (31)

Коэффициент усиления по току

(12.32)