Режими роботи БТ. Схеми вмикання БТ та їх особливості

Незалежно від схеми вмикання БТ він може працювати у трьох основних режимах, що визначаються полярністю напруги на емітерному U_E та колекторному U_К переходах:

Активний режим ( U_E > 0, U_К <0 ) - емітерний перехід відкритий (пряме включення), колекторний закритий (зворотне включення). Це основний режим роботи, в якому БТ володіє підсилювальними властивостями: пропорційним змінам вхідного сигналу відповідають пропорційні зміни вихідного

І_К  = α І_Е + І_КБ0.

Режим відтинання ( U_E < 0, U_К <0 ) -  настає з поданням до вхідного кола транзистора сигналу, який забезпечує повне запирання приладу, обидва переходи зміщені у зворотному напрямі (закритий стан транзистора).

І_К  = α І_Е + І_КБ0,       І_Е = 0,        І_К  = І_КБ0.

Так як емітерний перехід закритий, то α І_Е = 0, І_К  = І_КБ0 дуже малий, так як утворюється неосновними носіями області колектора. Транзистор закритий.

Режим насичення (U_E > 0, U_К > 0) – настає при великому відпірному вхідному сигналі, емітерний та колекторний переходи зміщені у прямому напрямку. Тече дуже великий прямий струм колектора І_К , який утворюється основними носіями області колектора, залежить від концентрації домішок в К і не керується І_Е. Транзистор повністю відкритий. І_тр = U_З / R _Н, тобто залежить тільки від опору навантаження та зовнішньої напруги (вихідний опір транзистора знижується до дуже малої величини).

Інверсний режим - емітерний перехід закритий, колекторний перехід відкритий. Якщо концентрація домішок в Е і К однакові, то вони взаємозамінні. Якщо ні, то це веде до виходу БТ з ладу.

Режими насичення та відсічки використовуються в імпульсних схемах.

Режим роботи, у якому транзистор тривалий час знаходиться в режимах відтинання або насичення, називається ключовим режимом.

У більшості електричних схем транзистор використовується в якості чотириполюсника, тобто пристрою, що має два вхідних і два вихідних виводи. Але транзистор має тільки три виводи, тому для його використання в якості чотириполюсника необхідно один з виводів транзистора зробити спільним для вхідного і вихідного ланцюгів. Тобто, змінюючи підключення електродів біполярного транзистора (емітера, бази і колектора) у схемі відносно входу і виходу (тобто цей електрод є спільним між входом і виходом), отримаємо три схеми включення БТ: зі спільною базою (СБ) (рис.28,а), спільним емітером (СЕ) (рис.28,б) і спільним колектором (СК) (рис.28,в).

У коло вхідного електроду послідовно з джерелом живлення Е₁ вмикається джерело вхідного змінного сигналу u_вх, який потрібно підсилити по потужності, а у вихідному електроді отримаємо сигнал струму, напруги, а, отже і потужності. Цей сигнал необхідно виділити, для цього існує навантаження – це споживач підсиленого сигналу. В найпростішому випадку в якості навантаження використовуюь звичайний резистор R_Н. Вихідний ланцюг живиться від джерела живлення Е₂. Принципи підсилення коливань у всіх цих каскадах однаковий, але властивості схем різні.

                  а)                                                 б)                                              в)

Рисунок 28 – Схеми вмикання транзистора: із спільною базою (а), із спільним емітером (б), із спільним колектором (в)

Основні параметри транзисторного підсилювального каскаду при будь-якій схемі включення:

- коефіцієнт підсилення струму, який визначається за формулою

К_І = ∆і_вих / ∆і_вх, при u_вих = const;

- коефіцієнт підсилення за напругою К_U = U_mвих / U_mвх;

- коефіцієнт підсилення за потужністю К_Р  = Р_вих / Р_вх = К_І ∙ К_U;

- вхідний опір R_вх= U_mвх / І_mвх - за законом Ома.

На рисунку 28,а зображена схема підсилювального каскаду з транзистором типу р-n-p, яка називається схемою зі спільною базою (СБ), так як база є спільною точкою для входу і виходу, яка найчастіше під'єднується до нульового потенціалу або, як кажуть, до землі.

У цій схемі через внутрішній опір джерела вхідного сигналу проходить струм емітера І_Е – він називається вхідним струмом, отже, для схеми зі СБ І_вх = І_Е; вихідним струмом є струм колектора І_вих = І_К . Вхідною напругою є змінна напруга емітер-база - u_вх = u_еб, вихідною є змінна напруга колектор-база - u_вих = u_кб.

Схема зі СБ характеризується коефіцієнтом прямої передачі струму емітера α або його називають коефіцієнтом підсилення струму К_ІСБ, його визначають в режимі без навантаження (R_Н = 0), при постійній напрузі ділянки колектор – база:

К_ІСБ = ∆і_к / ∆і_е = α, при u_кб = const. 

α завжди менше одиниці і чим ближче він до 1, тим краще транзистор. Коефіцієнт підсилення струму К_ІСБ для схеми зі СБ завжди трохи менше α, так як при включенні резистора навантаження R_н струм колектора зменшується.

Другим параметром схеми зі СБ є коефіцієнт підсилення за напругою К_UСБ – він дорівнює відношенню амплітудних або діючих значень вихідної і вхідної змінної напруги:         

К_UСБ = U_mКБ / U_mЕБ = ∆і_к ∙ R_н / ∆і_е ∙ R_{вх СБ} = α R_н / R_{вх СБ}, складає десятки або сотні.                                                                                                                               Вхідний опір R_{вх СБ} визначається за формулою:

R_{вх СБ} = U_mЕБ / І_mЕ  - дуже малий (одиниці – десятки Ом) для змінної складової струму сигналу, тому що струм емітера (І_Е) найбільший струм транзистора. Вихідний опір для цієї схеми складає сотні кОм. 

R_Н - опір навантаження.

Наступним параметром схеми зі СБ є коефіцієнт підсилення за потужністю К_РСБ - він дорівнює добутку коефіцієнтов підсилення струму і напруги

К_РСБ  = К_ІСБ ∙ К_UСБ = ∆і²_к ∙ R_н / ∆і²_е ∙ R_вхСБ = α² ∙ (R_н / R_вхСБ), складає приблизно десятки або сотні.

Для схеми зі СБ фазовий зсув між вихідною і вхідною напругою відсутній, тобто фаза напруги при підсиленні не перевертається і полярність підсилювальних сигналів не змінюється.

Переваги схеми зі СБ:

- має найкращі частотні властивості;

- це найбільш термостабільна схема;

- має малі нелінійні спотворення.

Недоліки схеми зі СБ:

- малий вхідний опір R_вх (менше ніж у схемі зі спільним емітером), так як у багатокаскадних схемах він шунтує опір навантаження R_Н попереднього каскаду, що веде до зменшення коефіцієнтів підсилення за напругою К_U і потужністю К_Р.

- велика різниця між вхідним і вихідним опором, що при практичному застосуванні обмежує використання схеми зі СБ.

На рисунку 28,б зображена схема підсилювального каскаду з транзистором типу p-n-р, яка називається схемою із спільним емітером (СЕ), так як емітер є спільною точкою для входу і виходу.

Параметри вхідного кола: вхідний струм і_вх = і_б, вхідна напруга u_вх = u_бе, вхідний опір R_вхСЕ.

Параметри вихідного кола: вихідний струм і_вих = і_к, вихідна напруга u_вих = u_ке, вихідний опір R_вихСЕ.                                                                                         

Підсилювальні властивості транзистора для схеми зі СЕ характеризує коефіцієнт передачи струму бази β або його називають коефіцієнтом підсилення струму К_ІСЕ і його визначають в режимі без навантаження (R_Н =0), тобто при постійній напрузі ділянки колектор – емітер

К_ІСЕ = ∆і_к / ∆і_б = β, при u_ке = const.

Коефіцієнт β складає десятки і навіть сотні, а реальний коефіцієнт підсилення струму каскаду завжди менше, ніж β, так як при включенні навантаження струм колектора і_к зменшується.

Другим параметром схеми зі СЕ є коефіцієнт підсилення за напругою К_UСЕ

К_UСЕ = U_mКЕ / U_mБЕ = ∆і_к ∙ R_н / ∆і_б ∙ R_{вх СЕ} = β ∙ R_н / R_вхСЕ.

Напруга u_бе не перевищує десятих часток вольта, а вихідна напруга u_ке при достатньому опорі резистора навантаження і напрузі Е₂ досягає одиниць, а в деяких випадках і десятків вольт. Тому К_UСЕ складає від десятків до сотень.

Схема зі СЕ також характеризується коефіцієнтом підсилення за потужністю К_РСЕ, який визначається за формулою

К_РСЕ = К_ІСЕ ∙ К_UСЕ = ∆і²_к ∙ R_н / ∆і²_б ∙ R_вх = β² ∙ (R_н / R_вхСЕ), складає сотні або тисячі.

Вхідний опір

R_вхСЕ = U_mБЕ / І_mб, та як І_mб,

малий, то R_вх - від сотень Ом до одиниць кОм, більше ніж у схемі зі СБ (середній).

Вихідний опір складає одиниці-десятки кОм – майже такий як і вхідний опір.

Схема зі СЕ при підсиленні перевертає фазу напруги, тобто між вхідною і вихідною напругою є фазовий зсув 180º.

Переваги схеми зі СЕ:  

- підсилює і напругу і струм, тому має найбільший коефіцієнт підсилення за потужністю К_Р, а тому ця схема найбільш поширена і найчастіше використовується;

- живлення від одного джерела, оскільки на базу та на колектор подаються живлячі напруги одного знаку, а це зменшує габарити, масу і вартість;

- майже однакові величини вхідного і вихідного опорів, що при побудові пристроїв не потребує узгоджувальних каскадів.

Недоліки схеми зі СЕ:

- низька термостабільність;

- частотні властивості гірші, ніж у схемі зі СБ.

На рисунку 28,в зображена схема підсилювального каскаду з транзистором типу p-n-р, яка називається схемою зі спільним колектором (СК), так як колектор є спільною точкою для входу і виходу. Особливість цієї схеми в тому, що вихідна напруга повністю передається на вхід, тобто схема має дуже сильний зворотній зв'язок. Вхідна напруга дорівнює

u_вх = u_бе + u_вих;

Параметри вхідного кола: вхідний струм і_вх = і_б, вхідна напруга u_вх = u_бк, вхідний опір R_вхСК;

Параметри вихідного кола: вихідний струм і_вих = і_е, вихідна напруга u_вих = u_ек, вихідний опір R_вихСК.

Схема зі СК характеризується наступними параметрами:

- коефіцієнт підсилення струму К_ІСК 

К_ІСК = ∆ і_е / ∆ і_б = (∆і_к + ∆ і_б) / ∆ і_б  = β+1. 

Коефіцієнт підсилення струму схеми зі СК майже такий, як і в схемі зі СЕ і дорівнює декільком десяткам;

- коефіцієнт підсилення за напругою К_UСК, він дорівнює   

К_UСК = U_mвих / U_mвх = U_mвих / (U_mБЕ +U_mвих) < 1 = ∆і_е ∙ R_Н / ∆і_б ∙ R_вхСК =(β+1)∙ R_Н / R_вхСК

близький до одиниці, причому завжди менше її.

Напруга U_mБЕ, не більш десятих часток вольта, а U_mвих при цьому складає одиниці вольт, тобто U_mБЕ << U_mвих;

- коефіцієнт підсилення за потужністю К_РСК,

К_РСК  = ∆Р_вих / ∆Р_вх = К_ІСК ∙ К_UСК = ∆і²_е ∙ R_Н / ∆і²_б ∙ R_вхск= (β+1)² ∙ R_Н / R_вхск;

К_РСК складає приблизно декілько десятків;

- вхідний опір для схеми зі СК дорівнює

R_вхск = U_mвх / І_mвх = (U_mБЕ +U_mвих)/І_mб ,

так як U_mБЕ /І_mб  - вхідний опір самого транзистора для схеми зі СЕ, а U_mвих – у десятки разів більше ніж U_mБЕ, то R_вх  великий – десятки –сотні кОм, тобто у десятки разів більший ніж для схеми зі СЕ.

Вихідний опір для схеми зі СК порівнянно невеликий, звичайно одиниці кОм-сотні Ом.

Схема зі СК називається «емітерний повторювач», бо резистор навантаження R_Н вмикається у коло емітера, а напруга на виході повторює напругу на вході (К_U ≤ 1), тобто полярність підсилювальних сигналів не міняється.

Переваги схеми зі СК:  

- великий коефіцієнт підсилення струму;

- великий вхідний опір R_вх та малий вихідний опір R_вих, що дає можливість використовувати її для узгодження високоомного виходу одного каскаду з низькоомним входом наступного чи з навантаженням.

Недолік схеми зі СК:

- не дає підсилення за напругою К_UСК ≤ 1.

Порівняємо основні властивості всіх трьох схем включення транзистора, які зведені у таблицю 1 – (2-3 хв.)