Усиление электрических колебаний

С помощью транзисторов

Транзистор можно использовать в качестве усилителя или генератора колебаний. Причем сравнительно малые по отношению к радиолампам размеры транзисторов позволяют не только уменьшить размеры приборов, но и создать приборы, а также датчики к ним настолько малых размеров, что они могут безопасно вводиться внутрь различных органов или даже вживляться в ткани организма.

В схемах усилителей используется три способа включения транзисторов: с общей базой, с общим эмиттером и общим коллектором (рис. 3).

Из рисунка видно, что база транзистора обязательно соединяется с входом усилителя, а коллектор – с его выходом. Рассмотрим работу транзистора p-n-p типа в качестве усилителя при включении его по схеме с общей базой (рис. 3а). Усиливаемое переменное напряжение U_вх включено между эмиттером и базой последовательно с постоянным напряжением E_Э. Входным током является ток эмиттера I_Э. При изменении U_вх соответственно будет меняться и I_Э по закону U_вх. Следовательно, по этому же закону будут менять свою величину ток базы I_Б и ток коллектора I_К. Изменяющийся I_К, проходя по сопротивлению нагрузки R_н, создает на нем изменяющееся падение напряжения, переменная составляющая которого через разделительный конденсатор подается на выход в виде величины U_вых. Выходной коллекторный ток I_К почти равен входному току эмиттера, и если R_н выбрать больше, чем сопротивление входной цепи, падение напряжения на нагрузке U_вых будет больше входного напряжения U_вх при неизменной форме сигнала. Таким образом, усиление электрических колебаний с помощью транзистора основано на изменении величины тока коллектора за счет изменения входного напряжения U_вх; это усилительное свойство характеризуется коэффициентом усиления по напряжению k

где R_Э - сопротивление эмиттерного перехода (десятки Ом).

Так как I_Э » I_К, то .

 

 

 

Рисунок 3. Схемы включения транзисторов: с общей базой, с общим эмиттером и общим коллектором

 

Кроме этого, вводят еще коэффициент усиления по току a, равный отношению приращения выходного – коллекторного тока DI_К к вызвавшему это приращение изменению входного – эмиттерного тока DI_Э при постоянном напряжении на коллекторе U_K, т.е.

при U_K = const.

Для рассмотренной схемы включения с общей базой коэффициент усиления по току a всегда меньше единицы и обычно

a = 0,90 ¸ 0,99.

Отметим теперь некоторые особенности работы транзистора при включении его по схеме с общим эмиттером (рис. 3 б). В этом случае входным током является ток базы I_Б, а выходным – ток коллектора I_К.

При изменении U_вх изменяется напряжение на базе транзистора. По этой причине изменяется потенциальный барьер эмиттерного перехода транзистора и происходит изменение интенсивности инжекции дырок из эмиттера в базу, т.е. изменение тока эмиттера I_Э .

В результате этого наблюдается одновременное изменение токов коллектора I_К и I_Б базы. Эти изменения синфазны, т.е. если увеличивается ток базы, то увеличивается и ток коллектора, а их величины пропорциональны. Поэтому формально для простоты рассмотрения физических процессов в транзисторе по схеме с общим эмиттером будем считать, что выходной ток – ток коллектора I_К управляется входным током – током базы I_Б, хотя физически это неверно, т.к. реальной причиной изменений тока коллектора являются изменения входного напряжения U_вх, приложенного к эмиттерному переходу. Для характеристики управляющего действия тока базы вводят один из важнейших параметров транзистора – коэффициент усиления по току b в схеме с общим эмиттером, равный отношению приращения коллекторного тока DI_К к вызвавшему его изменению тока базы DI_Б при постоянном напряжении на коллекторе:

 

при U_K = const.

Таким образом, процесс усиления в транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером можно формально рассматривать так: входное напряжение U_вх изменяет входной ток I_Б, а уже ток базы вызывает значительно большие изменения тока коллектора I_К, т.е. происходит усиление входного сигнала по току.

( >> 1 - примерно несколько десятков).

Ввиду наличия сопротивления нагрузки R_н изменение тока коллектора сопровождается изменением падения напряжения на этом сопротивлении. Переменная составляющая этого изменения падения напряжения через конденсатор С подается на выход усилителя в качестве выходного напряжения U_вых. И так как амплитуда тока коллектора I_К всегда больше амплитуды тока базы I_Б (b >> 1), то при достаточной величине сопротивления нагрузки R_н амплитуда выходного напряжения U_вых получается значительно больше амплитуды входного напряжения U_вх. Следовательно, в схеме с общим эмиттером сигнал усиливается по напряжению, по току и мощности P (P=U×I), тогда как в схеме с общей базой только по напряжению и по мощности.