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.